基于与PRB联控去除地下水污染物的水力截获方法

摘要

本发明涉及去除地下水中污染物技术领域，为通过水力截获技术改善水质，并取得良好效果，本发明采用的技术方案是，基于与PRB联控去除地下水污染物的水力截获方法，包括如下步骤：1）确定污染源的位置、规模，明确地下水中的主要污染物；2）收集研究区水文地质资料，确定研究区水文地质参数，包括渗透系数、给水度、入渗补给系数；3）根据场地水文地质条件，确定包括水力截获带的规模、形态、截获井抽水量、截获井的数量及间距、最大截获宽度和驻点的主要参数；4）根据污染羽的形态、大小，确定截获带与PRB的有效间距，保证能够有效联控去除地下水中污染物。本发明主要应用于去除地下水中污染物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种去除地下水中污染物的方法，具体说是和PRB联控处理地下水中污染物 的水力截获技术。

技术背景

地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位,由于其分布广、水质好、调蓄能力强、 供水保证程度高,正被越来越广泛地开发利用。然而，随着社会经济的发展,大量排放的工业 废水废物、农业污染物、集约化的畜禽养殖和氮肥的过量使用、城市生活垃圾的恣意排放, 以及地下水无序的开发,使地下水逐渐受到污染。我国的地下水污染已经呈现出由点向面演 化、由东部向西部扩展、由城市向农村蔓延、由局部向区域扩散的趋势；污染物组分则由无 机向有机发展,危害程度日趋严重；地下水污染面积不断扩大,污染程度不断加重。

地下水污染是我国面临的严峻问题，控制和修复地下水污染是保护我国水资源的重要工 作之一。

随着世界范围内环境保护意识的不断加强,地下水污染的范围不断加大、程度不断加深, 各国政府相继颁布大量的法规来优先保护与净化含水层,国内外学者也广泛开展了地下水污 染控制及修复技术的研究。最常见的两种地下水修复技术为可渗透反应墙(Permeable  Reactive Barrier，简称PRB)和水力截获技术。水力截获技术是通过一系列合理布置的抽注 水井,最大限度地抽取污染地下水,有效控制污染物运移的一种水动力技术。其核心是根据污 染场地的水文地质背景条件、污染物性质及其分布特征,应用渗流理论及最优化理论等学科知 识,在污染带下游设置治理井来形成水力截获带。国外自20世纪80年代起陆续开始这方面的 报道,尤其是近10年来,研究开展得更加广泛和深入。研究者发现,用水力截获技术处理被污 染的含水层时,关键问题是设计一种有效的截获系统截取污染的地下水,而不允许污染物运移 到下游去。目前,水力截获技术在国外已被广泛应用于抽出-处理系统的设计和水源保护区的 设置中。PRB一般安装在地下蓄水层,垂直于地下水流向,随着污染地下水流经此反应介质, 通过吸附、沉淀、氧化还原、生物降解等机理,使污染物浓度降低。与传统的抽出处理法相比， PRB技术无需外加动力、运行费用低，是一项值得研究和推广的地下水污染修复技术，目前 在欧美已进行了大量的工程及试验研究，并已开始商业应用，国内尚处在研究阶段。PRB技 术作为污染地下水的原位修复技术，其主要优点是无需泵抽和地面处理系统，而且反映介质 消耗很慢，具有长达几年甚至几十年的处理能力，日常仅需长期监测，几乎不需要运行费用， 能够长期有效运行，不影响生态环境，所以PRB是一种很有前途的污染处理技术。在欧美PRB 已经成功运用到实地进行污染地下水的修复。我国在PRB研究方面还处于初步实验室研究阶 段。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在通过水力截获技术改善水质，并取得良好效果。为 达到上述目的，本发明采用的技术方案是，基于与PRB联控去除地下水污染物的水力截获方 法，包括如下步骤：

1）确定污染源的位置、规模，明确地下水中的主要污染物；查明含水层污染羽的分布形 态、范围及污染物浓度的分布特征；

2）收集研究区水文地质资料，确定研究区水文地质参数，包括渗透系数、给水度、入渗 补给系数；

3）根据场地水文地质条件，确定包括水力截获带的规模、形态、截获井抽水量、截获井 的数量及间距、最大截获宽度和驻点的主要参数；

4）根据污染羽的形态、大小，确定截获带与PRB的有效间距，保证能够有效联控去除地 下水中污染物。

捕获区域宽度的确定具体为：

捕获区域的宽度2y_L与抽水井流量Q存在下式所示的关系：

$2y_L=\pm \frac{Q}{\mathrm{KBi}}$式（1）

其中，Q-抽水量，m³/d；K-渗透系数，m/d;B-含水层厚度，m；i-水力梯度；

（2）驻点的确定

驻点与抽水井之间的距离x_L与抽水井流量Q、捕获区域的宽度2y_L存在以下关系：

$x_L=-\frac{Q}{2\mathrm{\pi KBi}}=\frac{y_L}{2\pi }$式(2)

（3）截获区边界水力学方程的确定

地下水流向与X轴平行，但流向X轴负方向，抽水井布置在Y轴上，计算截获区边界水 力学方程可写为：

$Y=\pm \frac{Q}{2\mathrm{BV}}-\frac{Q}{2\mathrm{\pi BV}}\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{Y}{X}$式（3）

式中，V为区域地下水渗流速度，m/d。其他符号同式（1）。

对于多口井，把每一口井所得的结果迭加起来，得其近似解；对于多口井，所有水力截 获抽水井应在y轴上排成一线且以原点对称分布，当n为奇数时，最中心的一眼井应布置在 原点上，其井距D可按（4）式计算。

$D=\frac{1.2Q}{\mathrm{BV}}$式(4)。

本发明具备下列技术效果：

充分利用水力截获技术和渗透反应墙（PRB）技术的优点，用于解决地下水修复过程中耗 时长、去除效率低、污染物种类复杂难处理的问题。

附图说明

图1基于PRB联控的水力截获技术平面示意图。

图2基于PRB联控的水力截获技术示意剖面图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种基于与PRB联控去除地下水污染物的水力截获技术。其步骤 包括：

1.确定污染源的位置、规模，明确地下水中的主要污染物；查明含水层污染羽的分布形 态、范围及污染物浓度的分布特征。

2.收集研究区水文地质资料，确定研究区水文地质参数，如渗透系数、给水度、入渗补 给系数等。

3.根据场地水文地质条件，确定水力截获带的规模、形态、截获井抽水量、截获井的数 量及间距、最大截获宽度和驻点等主要参数。参数确定方法如下：

（1）捕获区域宽度的确定

在抽水流量Q的作用下，含水层中将出现一个地下水的分水线，将地下水分为两个区域， 分水线以外的地下水仍将流向含水层的下游区域，而分水线以内的地下水则会被抽水井抽出， 不再流向下游，称此区域为该抽水井的捕获区域，该捕获区域的最大宽度设为2y_L。

捕获区域的宽度2y_L与抽水井流量Q存在下式所示的关系：

$2y_L=\pm \frac{Q}{\mathrm{KBi}}$式（1）

其中，Q-抽水量，m³/d；K-渗透系数，m/d;B-含水层厚度，m；i-水力梯度

（2）驻点的确定

在抽水井所在的轴线上，地下水的分水线与轴线相交于点x=-x_L，在该点上游的地下水 将被抽水井抽出，而该点下游的地下水将流向地下水流场的下游区域。作为临界点，点x=-x_L处的地下水流速为零，称该点为驻点。驻点与抽水井之间的距离x_L与抽水井流量Q、捕获区 域的宽度2y_L存在以下关系：

$x_L=-\frac{Q}{2\mathrm{\pi KBi}}=\frac{y_L}{2\pi }$式(2)

（3）截获区边界水力学方程的确定

截获区边界水力学方程解析模型的导出需满足如下假设：含水层是均质各向同性、在水 平方向上无限展布；均匀流；垂直水力梯度可忽略；抽水井是完整井，抽水量恒定。地下水 流向与X轴平行，但流向X轴负方向，抽水井布置在Y轴上。在上述条件下即可计算截获区 边界水力学方程可写为：

$Y=\pm \frac{Q}{2\mathrm{BV}}-\frac{Q}{2\mathrm{\pi BV}}\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{Y}{X}$式（3）

式中，V为区域地下水渗流速度，m/d。其他符号同式（1）。

以上是对一口井进行推导和计算的，对于多口井，可以把上述计算方法用于每一口井并 把所得的结果迭加起来，可得其近似解。对于多口井，所有水力截获抽水井应在y轴上排成 一线且以原点对称分布，当n为奇数时，最中心的一眼井应布置在原点上，其井距D可按（4） 式计算。

$D=\frac{1.2Q}{\mathrm{BV}}$式(4)

4.根据污染羽的形态、大小，确定截获带与PRB的有效间距，保证能够有效联控去除地 下水中污染物。

在本水力截获系统中，为了防止污染了的地下水向下游扩散，则需要通过布置抽水井， 形成一定宽度的捕获区域，该捕获区域应覆盖污染羽流带。因此，捕获区域的宽度应大于等 于现有的污染羽流带宽度，同时水力截获最大宽度大于等于PRB的长度。确定截获带与PRB 的有效间距，也就是驻点到PRB的间距大于等于2倍PRB的长度，可以有效避免水力截获对 PRB附近流场的干扰，便于PRB有效运行。

结合本发明的水力截获技术方案提供以下实施例：

利用该发明对某地粉煤灰场地下水六价铬污染羽进行了水力截获工程。

1.粉煤灰场基本情况

某粉煤灰场为一平地灰场，占地面积43.9万m2，呈长方形，东西长约780m,南北宽约 510m。灰场位于某冲洪积扇径流带，地下水类型为松散岩类孔隙水，含水层由单一结构的粘 土卵砾石和粘土砾石组成，厚度35-40m。地下水为潜水，径流畅通，富水性较强，单孔出水 量大于1000m3/d，渗透系数10--30m/d。根据粉煤灰场地及其附近地下水水质监测，地下水 中铬污染的区域以粉煤灰场为中心，呈椭圆形分布，长轴方向为北西--南东向，长约4.0km， 短轴长近2.0km，面积约8.0km2，Cr6+椭圆形分布的长轴地下水流向一致，沿长轴Cr6+的含 量由北北西向南南东逐渐降低。

2.水力截获具体工程

水力截获工程依据灰场水文地质条件，地下水Cr6+分布特征，在粉煤灰堆放场下游施工 抽水钻孔形成水力截获带，抽出污染地下水，形成地下水污染水力截获带，保证下游地下水 水质安全。工程区长1200m，宽900m，面积1.08km2。试验示范工程由17个钻孔组成：抽水 钻孔5个，钻孔深度55-60m；观测钻孔12个，钻孔深度50-60m。水力截获带长度990m，宽 度780m，干扰总降深值11.60-12.20m。

3.水力截获技术效果

水力截获技术水质改善效果良好。Cr6+去除率93.51-97.98%，平均95.11%。