中试尺度下可渗透反应墙位置优化模拟——以铬污染地下水场地为例

2.4 模型识别

采用试估-校正法对模型进行识别与检验，流场拟合情况见图5，22眼监测井水位拟合情况见图6。图5、图6表明模拟流场与实测流场趋势吻合，监测井模拟值与观测值的绝对误差均小于5cm，所建模型基本符合实际情况，满足使用精度。

3 不同墙体位置布设方案对比

3.1 墙体位置布设方案

为便于后期监测与评估，结合场地地下水流向，拟按4个方案布设PRB墙体位置，即各方案下墙体垂直于地下水流向，墙体类型均为连续式，且墙体尺寸大小一致，均为长20m×宽2mx深12m，仅平面布设位置不同，模型中不同方案的墙体位置见图7。其中，墙体渗透系数K是影响墙体运行的重要参数之一，其填充材料由铸铁、活性炭和河沙按照一定比例混合组成，由室内试验测得K值为80m/d。

3.2 评价指标确定

总结国内外PRB墙体设计经验，捕获区宽度Dcap和滞留时间Tres。是衡量墙体设计的两个关键评价指标，其定义见表1。Dcap的物理意义是平面上墙体可截获的污染羽范围，Tres的物理意义是污染物与反应材料的接触时间。Dcap和Tres是墙体完全截获污染羽条件下考虑的重要指标参数，但本次研究是中试尺度，不能完全截获污染羽，需引人另一个评价指标，即墙体Cr6+通量Mflu，其定义见表1，用于表征PRB墙体去除污染物能力。

3.3 指标值计算

3个评价指标的计算方法见表1。Dcap主要利用MODPATH模块计算墙体上游可以进入墙体的最大污染羽宽度。墙体长度为20m，通过PARTICLES模块每2m设置1个粒子，模型运行后11个粒子迹线见图8，求得平均滞留时间Tave∶

由于场地介质的非均匀性，PRB修复技术示范区Cr6+浓度空间分布复杂，用溶质运移模块拟合实际的污染物浓度分布存在一定难度。

本研究计算Mflu采用的方法为∶根据墙体上游5 眼监测井（PRB07至 PRB11），每眼监测井5个深度（2，4，6，8，10m）的Cr6+浓度绘制等值线（图9）。分别求取4种布设方案下捕获区宽度内Cr6+的平均浓度Cave∶

3.4 方案筛选

4种布设方案求取的评价指标值见表2。理论上，墙体捕获区宽度越大，粒子滞留时间越长，处理的污染物越多，则为最优方案。但实际上墙体捕获区宽度与滞留时间一般成反比，原因为反应材料渗透系数增大，墙体捕获区宽度增大，粒子在墙体内部的滞留时间相对减小。因而方案筛选时，首先需要满足污染物在墙体内的滞留时间，若滞留时间不能保证，即使墙体能够截获整个污染羽，污染物也不能达到有效去除。室内柱实验求得Cr6+初始浓度 250 mg/L、进水流速0.3m/d条件下，满足滞留时间大于0.5d，污染物去除率可高达99%。4 种方案计算的滞留时间4.0～4.2d，均可满足Cr6+与反应材料充分反应。若修复目标侧重墙体运行期间截获的污染羽范围，即捕获区宽度，由表2可知方案1在4种方案中较优;若修复目标侧重墙体对Cr6+的处理能力，即Cr6+通量，由表2可知方案2在4种方案中较优。为确定最终布设方案，统计各评价指标平均值与变异系数，结果见表3。由表3可知，捕获区宽度、滞留时间平均值与实际值相差不大，变异系数小于2%，是因为场地含水层厚度、渗透系数等参数相差不大，水流模型求解结果相似;墙体Cr6+通量变异系数高达76.32%，是因为通过墙体的水流通量相差不大，但Cr6+浓度分布极不均匀，故Cr6+通量相差悬殊。因此在做方案筛选时，墙体Cr6+通量的权重应大于捕获区宽度。

综上所述，方案2确定为布设墙体位置的最佳方案。该布设方案下，墙体内部填充材料渗透系数为周边含水层渗透系数的10～15倍，捕获区宽度为21.9m;粒子平均滞留时间为4.1 d，可满足墙体内Cr6+与填充材料充分发生反应，墙体对Cr6+的去除能力可实现最大化。

4 结论

（1）中试尺度下 PRB墙体不能完全截获污染羽，在滞留时间和捕获区宽度评价指标基础上，将通过墙体的Cr6+通量作为不同方案筛选的另一个关键指标。

（2）不同布设方案模拟的滞留时间和捕获区宽度取值差异性不大，变异系数均小于2%。通过墙体的Cr6+通量差异性较大，变异系数高达76.32%，主要由地下水中的Cr6+浓度空间分布不均引起。

（3）方案2计算的滞留时间满足污染物与填充材料充分反应，确定的捕获区宽度内可实现墙体对Cr6+去除效率最大化，求得的捕获区宽度为21.9m，粒子滞留时间为4.1d，Cr6+去除量可达127.7mg/d，可作为最佳布设方案。该研究为后期 PRB 修复技术的工程实施提供了理论依据。