CN112007943A - 原位注入高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的确定方法 - Google Patents

Abstract

一种原位注入‑高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的确定方法，包括下列步骤：步骤1：明确污染场地含水介质类型、药剂类型、注浆方式以及考虑药剂是否具有粘度时变性，选择合适的计算公式确定注入半径；步骤2：通过地下水水流和溶质运移模拟软件预测药剂在含水层中经过对流、弥散和与污染物反应后的迁移距离，将药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径；步骤3：采用药剂+高压旋喷注射工艺注入受污染含水层中，药剂扩散半径＝注入半径+迁移半径。本发明可以为开展污染场地地下水污染的高效经济修复提供可靠的科学依据。

Description

原位注入高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的 确定方法

技术领域

本发明涉及地下水环境保护领域，具体地涉及一种原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染的注入药剂扩散半径的确定方法，为地下水污染修复治理提供科学依据。

背景技术

原位注入修复法是最近地下水污染修复采用的常用技术方法，注入方式主要包括注入井法、直压法和高压旋喷三种。其中原位注入-高压旋喷注射修复技术具有注射压力高、扩散半径大、机械效率高、扩散效果有保障、无返浆问题、成本低等优点。

药剂的投加与分散技术是原位注入-高压旋喷修复技术的核心。修复药剂扩散半径的确定是该技术最关键的技术参数之一，也是难点之一。

一般根据场地监测数据得到含水层中污染羽的空间分布，将污染羽三维空间模型进行横向分块划分和纵向分层划分，其中横向划分根据扩散半径进行。扩散半径设计过大会导致出现修复空白区，设计过小会造成返浆且修复成本增加。

不同的注入方式、注入地层介质类型、注入药剂性质、含水层水文地球化学环境、污染物与药剂反应过程等因素对注入药剂在污染区的扩散半径都有影响，过程复杂，因此科学准确确定扩散半径的难度较大。目前多采用经验法或借鉴高压旋喷注浆理论确定修复药剂扩散半径。

经验法不适用于水文地质条件复杂且无法通过现场试验观察到扩散半径的污染场地。注浆理论难以应用于以水溶性为主的修复药剂的扩散半径测试中。总的来说，目前尚无成熟完善的确定方法，有待于深入探索。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染的注入药剂扩散半径的确定方法，以改进上述扩散半径研究中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供的原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的确定方法，包括下列步骤：

步骤1：明确污染场地含水介质类型、药剂类型、注浆方式以及考虑药剂是否具有粘度时变性，选择合适的计算公式确定注入半径；

步骤2：通过地下水水流和溶质运移模拟软件预测药剂在含水层中经过对流、弥散和与污染物反应后的迁移距离，将药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径；

步骤3：采用药剂+高压旋喷注射工艺注入受污染含水层中，药剂扩散半径＝注入半径+迁移半径。

所述的确定方法中，步骤1是按表1所列不同条件选择合适的计算公式确定注入半径：

表1：

所述的确定方法中，步骤2中所述地下水水流和溶质运移模拟软件采用GMS软件。

所述的确定方法中，步骤2中所述药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径的步骤包括：

步骤2-1：收集获取研究区水文地质资料、污染物信息和注入井及药剂相关信息；其中：

所述水文地质资料包括含水层厚度、含水层顶底板等高线、含水层等水位线、渗透系数、给水度和/或孔隙度；

所述污染物信息包括种类、相态、浓度和分布；

所述注入井及药剂资料包括注入井位置、注入药剂浓度与体积、注入层位；

步骤2-2：建立水文地质概念模型，包括研究范围、概化待预测区域水文地质条件、边界条件、水文地质参数、源汇项、水文地质内部结构和/或地下水流场；

步骤2-3：建立所述待预测区域地下水水流模型；

步骤2-4：建立所述待预测区域地下水溶质运移模型；

步骤2-5：联合运行水流模型和溶质运移模型，预测药剂浓度在预测时段内随地下水水流方向上为注入初始浓度1％时的最大距离。

本发明的确定方法具有以下优点：

(1)本发明综合考虑了影响药剂扩散半径的影响因素，包括注入技术相关因素(注入方式、注入压力、注入时间、注入井半径、注入液类型)、药剂扩散相关因素(含水层介质类型、含水层渗透系数、孔隙度、药剂黏度、纵向弥散度)以及药剂与污染物反应过程有关的因素(反应速率等)三类，建立了一种先进准确的原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染的注入药剂扩散半径的计算方法，适用于不同含水层介质类型扩散半径的计算。

(2)本发明采用地下水水流和溶质运移模型预测迁移半径，结果准确程度高，符合研究区实际的水文地质情况，特别适用于实际复杂的水文地质条件的污染场地。

附图说明

图1为本发明原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染的一个具体设备示意图。

图2是本发明一个实施例中注入药剂扩散平面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

需要说明的是，本发明采用的原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染的设备为公知技术(图1所示仅为一示例)，并且也不是本发明讨论的重点，因此对此不作赘述。

本发明的原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的确定方法包括：

(1)采用药剂+高压旋喷注射工艺，借鉴注浆理论，综合考虑了地下水贮存条件、含水介质类型、浆液类型、注浆方式以及浆液粘度时变性等五方面扩散半径的主要影响因素，通过总结国内外学者研究成果确定R1，结果见表1；

(2)综合考虑污染场地水文地质条件和药剂在含水层中迁移转化过程，建立水文地质概念模型和场地概念模型，通过地下水水流和溶质运移模拟软件预测药剂在含水层中经过对流、弥散和与污染物反应后的迁移距离，将药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径R2。

采用GMS(Groundwater Modeling System地下水模拟系统)软件进行污染物在地下水中迁移转化模拟，计算药剂迁移距离，具体步骤包括：

①收集获取研究区水文地质资料(含水层厚度、含水层顶底板等高线、含水层等水位线、渗透系数、给水度、孔隙度等)、污染物信息(种类、相态、浓度等)和注入井及药剂相关信息(注入井位置、注入药剂浓度和体积、注入层位等)；

②建立水文地质概念模型，包括研究区域范围、概化研究区域水文地质条件、边界条件、水文地质参数、源汇项、水文地质内部结构以及地下水流场等；

③建立地下水水流模型；

地下水水流模型的数学表达式如下：

式中：K_x、K_y、K_z-渗透系数在x、y和z方向上的分量，m/d；

h-水头，m；

W-汇源项，L/d；

S_s-孔隙介质的贮水率，1/m；

t-时间，d。

水流模型的初始条件方程为：

h(x,y,z,t)＝h₀(x,y,z)；x,y,z∈Ω 式(2)

式中：h₀-已知初始水头；

Ω-研究区域的范围。

水流模型有三种类型的边界条件，即为水头边界、流量边界以及混合边界，各类边界的基本方程如下所示。

水头边界基本方程：

h_Γ1＝h₁(x,y,z,t)x,y,z∈Γ₁t≥0 式(3)

式中：Γ₁-研究区域的第一类边界(水头边界)；

h₁(x,y,z,t)-沿着Γ₁的已知水头值，会随着时间而变。

流量边界基本方程：

式中：K-含水层的渗透系数，m/d；

Γ₂-研究区域的第二类边界(流量边界)；

q(x,y,z)-沿着Γ₂的已知流量值。

混合边界基本方程：

式中：Γ₃-研究区域的第三类边界(混合边界)；

q(x,y,z)-沿着Γ₃的已知流量值,m³/d；

k’-河床的渗透系数，m/d；

h₀-河流水位，m；

B’-河床厚度，m。

④建立地下水溶质运移模型；

地下水溶质运移模型的数学表达式如下：

式中：C-地下水污染物浓度，kg/m³；

θ-介质的孔隙率，无单位；

t-时间，d；

x_i、x_j-沿直角坐标轴的距离，m；

D-水动力弥散系数，m²/d；

V-地下水实际流速，m/d；

q-注入量，L/d；

C_s-注入井药剂浓度，kg/m³；

∑R-化学反应项，kg/(m³·d)。

⑤联合运行水流模型和溶质运移模型，模拟计算药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界污染物的距离。

(3)基于注浆理论与污染物迁移转化理论，药剂扩散半径＝注入半径(R1)+迁移半径(R2)，其中注入半径为药剂被喷射到达的位置与注入井间的距离，迁移半径为药剂注射到位后在对流、弥散作用和污染羽发生反应作用后到达的位置与药剂被喷射到达位置的距离。

实施例1：

(1)计算药剂注入半径

某污染场地含水介质类型为松散孔隙水，岩土类型为均匀砂层,渗透系数k为1.2m/d，孔隙率n为0.3，注浆管底端注入，注浆压力扬程h为70米，注浆管半径r₀为2.5cm，注入药剂与水黏度比为3，药剂注入时间为1d，扩散半径采用表1中球形扩散模型，根据球形扩散公式

计算得出药剂注入半径R1为1.9m。

(2)计算药剂迁移半径

通过地下水水流和溶质运移模拟软件预测药剂在含水层中经过对流、弥散和与污染物反应后的迁移距离，将药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径R2。

假设污染场地尺寸为20m×20m，含水层厚度为10m，接受侧向补给，以侧向排泄方式排泄。东西边界为定水头边界，左侧为20m，右侧为18m，南北边界为零流量边界。地下水系统符合质量守恒定量和能量守恒定律，地下水水流在空间上连续分布，常温常压下运动符合达西定律，将场地地下水运动概化为二维均质各向同性稳定流。

基于水文地质概念模型，建立地下水均质各向同性二维稳定流数学模型，溶质运移模型是二维水流影响下的二维弥散模型。

应用GMS软件，设置模拟区尺寸大小为：20m×20m×10m，网格剖分：50行×50列×1层(承压含水层)，顶板高程10m，底板高程0m，注入井用well子程序包。纵向弥散度为10m/d，水平弥散度3m/d，注入量为12m³/d，高锰酸钾修复药剂浓度为10g/L，TCE污染物初始浓度为1000mg/L均匀分布在整个模拟区中，TCE与高锰酸钾修复药剂的反应速率为2×10^-4s^-1。根据式(1)-(6)，模拟得出图2药剂扩散情况。经计算，扩散半径R2为1.4m。

(3)计算药剂扩散半径

采用药剂+高压旋喷注射工艺将药剂注入受污染含水层，药剂扩散半径＝注入半径(R1)+迁移半径(R2)＝3.3m。

实施例2：

步骤1：某污染场地含水介质类型为裂隙水，假设注浆孔横穿二维光滑裂隙，注浆压力为25MPa，裂隙内静水压力为12.5MPa，裂隙开度为0.1cm，注浆管半径为2.5cm，药剂动力粘度为0.005Pa.s，药剂注入时间为1d，扩散半径采用

计算，得出药剂注入半径R1为2.76m。

步骤2：通过地下水水流和溶质运移模拟软件预测药剂在含水层中经过对流、弥散和与污染物反应后的迁移距离，将药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径R2。

迁移半径模拟过程同实施例1，得出扩散半径R2为1.40m。

步骤3：采用药剂+高压旋喷注射工艺注入受污染含水层中，药剂扩散半径＝注入半径(R1)+迁移半径(R2)＝4.16m

以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

表1：

Claims (4)

1.一种原位注入-高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的确定方法，包括下列步骤：

步骤1：明确污染场地含水介质类型、药剂类型、注浆方式以及考虑药剂是否具有粘度时变性，选择合适的计算公式确定注入半径；

步骤2：通过地下水水流和溶质运移模拟软件预测药剂在含水层中经过对流、弥散和与污染物反应后的迁移距离，将药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径；

步骤3：采用药剂+高压旋喷注射工艺注入受污染含水层中，药剂扩散半径＝注入半径+迁移半径。

2.根据权利要求1所述的确定方法，其中，步骤1是按表1所列不同条件选择合适的计算公式确定注入半径：

表1：

3.根据权利要求1所述的确定方法，其中，步骤2中所述地下水水流和溶质运移模拟软件采用GMS软件。

4.根据权利要求1所述的确定方法，其中，步骤2中所述药剂被喷射到达的位置到地下水水流下游药剂浓度为初始浓度1％边界的最大距离作为迁移半径的步骤包括：

步骤2-1：收集获取研究区水文地质资料、污染物信息和注入井及药剂相关信息；其中：

所述水文地质资料包括含水层厚度、含水层顶底板等高线、含水层等水位线、渗透系数、给水度和/或孔隙度；

所述污染物信息包括种类、相态、浓度和分布；

所述注入井及药剂资料包括注入井位置、注入药剂浓度与体积、注入层位；

步骤2-2：建立水文地质概念模型，包括研究范围、概化待预测区域水文地质条件、边界条件、水文地质参数、源汇项、水文地质内部结构和/或地下水流场；

步骤2-3：建立所述待预测区域地下水水流模型；

步骤2-4：建立所述待预测区域地下水溶质运移模型；

步骤2-5：联合运行水流模型和溶质运移模型，预测药剂浓度在预测时段内随地下水水流方向上为注入初始浓度1％时的最大距离。

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