污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究.pdf

污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究金嘉路1，杨逸文1，王震1，张婉莹2，周龑3，张峰4，李磊5，崔长征1*1.华东理工大学资源与环境工程学院，国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室，上海市环境保护化学污染物环境标准与风险管理重点实验室，上海2002372.上海市环境科学研究院，国家环境保护城市土壤污染控制与修复工程技术中心，上海2002333.中石化第五建设有限公司，广东 广州5101454.上海格林曼环境技术有限公司，上海2000015.中石化炼化工程（集团）股份有限公司洛阳技术研发中心，河南 洛阳471003摘要：多相抽提(multi-phase extraction，MPE)技术常用于土壤与地下水修复，高效、低碳和低成本的布井方案优化是多相抽提技术进一步发展的关键.本研究通过自主编写的 MATLAB-TMVOC 联合优化程序，以模拟的苯污染场地为研究对象，对抽提井群水平布设方案和抽提井开筛位置进行优化，并探究了土壤渗透率对抽提井布设方案的影响.结果表明：MATLAB-TMVOC 联合优化程序具有快速高效的特点，可以免除复杂的人工调参过程，相比人工优化可节省 50%以上的模拟时间和 90%以上的模拟量.优化后的抽提井布设间距随着土壤渗透率的降低而缩小，对于本研究所构建的模型，当土壤渗透率处在 2101381012 m2范围内时，土壤渗透率每减少 1013 m2，优化后的抽提井间距会减小约 0.13 m，即土壤渗透率减少一个数量级，抽提井间距应减小 17.8%48.3%.对于土壤渗透率低于 1013 m2的黏性地层，污染羽核心位置的布井间距应当小于 4 m.优化后的修复方案能够降低成本、减少碳排放，当目标去除率为 90%时，优化后的 MPE 修复方案可以节约 29.7%34.7%的运行成本、22.7%29.3%的总成本以及 21.4%40.4%的碳排放量.研究显示，污染场地 MPE 修复井布设方案应当与场地渗透率和污染羽分布相结合，采取在污染源至污染羽尾方向上由密至疏的非均匀布井方案，以实现高效低碳修复.关键词：多相抽提；污染场地；布井方案；低碳修复；TMVOC中图分类号：X53文章编号：1001-6929（2023）08-1596-11文献标志码：ADOI：10.13198/j.issn.1001-6929.2023.06.14Optimization of Low-Carbon Multi-Phase Extraction Remediation Well Locationsin Contaminated Sites by SimulationJIN Jialu1，YANG Yiwen1，WANG Zhen1，ZHANG Wanying2，ZHOU Yan3，ZHANG Feng4，LI Lei5，CUI Changzheng1*1.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process,Shanghai KeyLaboratory of Environmental Standards and Risk Management of Environmental Protection Chemical Pollutants,School of Resourcesand Environmental Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China2.State Environmental Protection Engineering Center for Urban Soil Contamination Control and Remediation,Shanghai Academy ofEnvironmental Sciences,Shanghai 200233,China3.Sinopec Fifth Construction Co.,Ltd.,Guangzhou 510145,China4.Shanghai Greenment Environmental Co.,Ltd.,Shanghai 200001,China5.SINOPEC Engineering Group Luoyang R&D Center of Technology,Luoyang,Henan 471003,ChinaAbstract：Multi-phase extraction(MPE)technology is commonly used for soil and groundwater remediation.Optimizing well locationsfor efficient,low-carbon and cost-effective remediation is crucial to the further development of MPE technology.In this study,a self-developed MATLAB-TMVOC joint optimization program was used to optimize the horizontal location and screen opening position of the 收稿日期：2023-05-04修订日期：2023-06-04作者简介：金嘉路（1996-），男，上海人，.*责任作者，崔长征(1978-)，男，河南焦作人，教授，博士，博导，主要从事污染土壤与地下水修复研究，基金项目：国家重点研发计划重点专项(No.2018YFC1803300)Supported by National Key Research and Development Program of China(No.2018YFC1803300)第 36 卷第 8 期环境科学研究Vol.36，No.82023 年 8 月Research of Environmental SciencesAug.，2023extraction wells in a simulated benzene-contaminated site.The influence of soil permeability on the layout plan of extraction wells wasalso investigated.The results showed that the MATLAB-TMVOC joint optimization program exhibited rapid and efficient characteristics.It eliminated the complex manual parameter adjustment process,saved more than 50%of simulation time and reduced more than 90%ofsimulation compared to manual optimization.The optimized spacing between extraction wells decreased with decreasing soil permeability.For the model constructed in this study,when the soil permeability was within the range of 21013 m2 to 81012 m2,a decrease of 1013 m2in soil permeability led to a reduction of 0.13 m in the optimized spacing between extraction wells.With a decrease of one order ofmagnitude in soil permeability,the spacing between extraction wells should be reduced by 17.8%to 48.3%.For cohesive formations withsoil permeability below 1013 m2,the spacing between wells in the core area of the pollution plume should be less than 4 m.The optimizedremediation plan can reduce costs and carbon emissions.When the target removal rate is set at 90%,the optimized MPE remediation plancan save 29.7%to 34.7%of operational costs,22.7%to 29.3%of total costs,and 21.4%to 40.4%of carbon emissions.The study revealedthat the arrangement of MPE remediation wells in contaminated sites should be combined with site permeability and pollution plumedistribution,and a non-uniform well layout plan from dense to sparse in the direction from the pollution source to the tail of the pollutionplume in order to achieve effective and low-carbon remediation.Keywords：multi-phase extraction；contaminated sites；location of wells；low-carbon remediation；TMVOC 多相抽提(multi-phase extraction，MPE)是一种通过“抽提井”真空提取污染区域地下的气体、地下水和非水相液体(non-aqueous phase liquids，NAPL)，将污染物分离和处理的原位场地修复技术，作为气相抽提(soil vapor extraction，SVE)的改进技术已被广泛应用于实践，可以与空气注入与原位热脱附等其他技术联合应用强化修复效果1-3.MPE 修复对于中高渗透性的土壤具有较好的修复效果，在我国，张峰4在华东地区某工厂甲苯污染砂质粉土场地进行了 MPE修复中试试验，在 25 d 内总共去除甲苯污染物约 125kg，占总去除 NAPL 污染物的 85%，部分监测点修复后未检出 NAPL 残余.张晶等5在某有机复合污染砂质粉土场地应用 MPE 和原位化学氧化技术进行了联合修复，45 d 的修复周期内收集了约 100 L 的 LNAPL，污染物去除率大于 90%.修复井间距对场地修复具有重要意义，NAPL 污染场地修复常存在拖尾与反弹现象6，Bass 等7对44 个实际场地的修复案例的调查结果显示，当单井所需修复的半径小于 5 m 时，往往能无反弹修复，而所需覆盖半径超过 7 m 时，修复往往失败.现有的研究显示，土壤渗透率等水文地质因素对抽提井影响半径和修复效率有着极大的影响8-10，然而，目前 MPE现场实践通常依据工程经验均匀布设抽提井，没有针对场地渗透率等水文地质条件及污染羽分布设计布井方案，常采用密集的梅花桩布点法布设抽提井，导致 MPE 修复效率低、成本高.因此，如何根据场地情况优化 MPE 布井方案和工艺，降低修复成本，提升抽提效率，降低碳排放量备受关注11-12.由于实际场地的复杂性和不确定性，单独探寻各渗透率等地质参数下的抽提井影响半径没有实际意义11,13，近年来，越来越多的研究者通过 TMVOC、GMS、MT3DMS 等商业软件及模型，利用数值模拟研究土壤地下水修复过程，优化布井方案和操作工艺14-17.这一过程中，部分研究者通过模拟软件刻画实际污染场地模型，经人工调参的方式，修改模拟参数，比选最佳修复工艺和布井方案18-19.但人工调参试错法机械重复性强，往往只能涉及 50100 次的工作量，为减少人工试参的过程，也有研究者基于模拟软件的模拟结果，建立简化替代模型，利用 MATLAB等数据处理软件结合优化算法计算最优方案20，但替代模型的精确度会影响优化结果的正确性.为此，部分研究者直接利用外部程序调用地下水模拟软件，结合优化算法计算最优布井方案和操作工艺，其中基于 MT3DMS 开发的模块化地下水优化软件(modulargroundwater optimizer，MGO)被广泛应用在地下水抽出问题中21，该方法在保证模拟准确性的同时也免除了人工调参过程.耿国婷等22利用 MGO 模拟三氯乙烯污染含水层的抽水修复过程，利用遗传算法优化抽提井布井位置及抽水量等工艺参数，减少了 18%的运行成本，提升了经济效益.但 MGO 基于的模拟软件 MT3DMS 主要适用于地下水抽出修复，其修复区域主要为地下水含水层，而MPE 过程涉及气、液、NAPL三相变化，修复区域包含包气带和含水层，现有研究普遍采用针对多相运移问题开发的 TMVOC 软件模拟 MPE 修复过程9,23-24.TMVOC 是由美国伯克利实验室开发的基于质能守恒、亨利定律等物理化学理论规律模拟多相流体在饱和-非饱和带运移的模拟软件，能够有效模拟抽提修复过程，反应修复过程中污染物浓度等参数变化.孙超等25和王颖9分别通过 TMVOC 模拟了场第 8 期金嘉路等：污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究1597地中热强化 SVE 修复过程和苯系物在一维土柱的垂向迁移过程，TMVOC 模拟结果与试验数据的拟合优度(R)分别为 0.995 和 0.89.在对场地模拟还原的基础上，研究者基于 TMVOC 模型探究了抽提修复过程中的主要影响因素与最优参数，王颖9通过 TMVOC模拟对 15 个场地的 SVE 修复效果的影响因素进行了灰色关联度分析，结果表明土壤渗透率的关联度最高，为 0.841.田蕾等23通过 TMVOC 对苯和乙烯污染的低渗透场地模型的 MPE 修复过程进行了模拟，探究抽提井开筛位置的最优设计参数，结果显示，抽提井开筛最优位置应处于含水层深部.近年来，已有研究者开始尝试将 TMVOC 与优化算法相结合，如Sookhak 等11利用 TMVOC-MP 与遗传算法相结合，优化了 MPE 修复场地中抽提井水平布井方案，指出均匀布井方案并非最佳修复方案.现有的优化研究尚缺乏对污染场地内每口抽提井开筛位置的优化探讨，实际修复过程中，抽提井开筛位置位于非饱和区时修复以气相污染物抽取为主，而位于饱和区时修复以地下水和自由相 NAPL 抽取为主，统一的抽提井的开筛位置难以达到最优抽提效果26，针对开筛位置的优化修复方案具有必要性.因此，本研究利用 MATLAB 实现遗传算法和TMVOC 软件调用，构建了基于场地污染羽分布和土壤渗透率、有机碳含量等水文地质条件优化 MPE 修复方案的 MATLAB-TMVOC 联合优化程序，在优化布井水平位置的同时优化各抽提井的开筛位置，并探究了不同数量井群的最优布设及开筛位置，总结了不同土壤渗透率下的最优布井规律，以期为实际现场抽提井布设提供指导，实现高效和低碳修复.1 研究方法 1.1 MPE 模拟与优化软件本研究所涉及的软件包括数据处理软件 MATLAB(R2021a，MathWorks，Inc.，美国)、地下水模拟软件TMVOC(TOUGH2-TMVOC，Lawrence BerkeleyNational Laboratory，美国)和地下水模拟及可视化软件PetraSim(Version 5.1，RockWare，Inc.，美国).1.2 MPE 修复模型设置根据现有场地尺度模拟研究9,11,18,23，本研究以苯作为唯一污染物，建立了二维切片概念模型，模型尺寸及网格划分如图 1 所示.模型水平方向上长度为100 m，竖直方向上深度为 15 m，厚度为 1 m.此外，模型上部设置高度为 0.001 m 的网格作为大气边界，左右两侧设置水平长度为 0.001 m 的网格作为定压水头边界.模型网格均匀划分，在水平方向上以 2 m 为单位长度划分网格，以最左侧作为相对水平距离等于0 m的原点；在竖直方向上以 1 m 为单位长度划分网格，将地下水埋深位置作为相对深度等于 0 m 的原点.模型顶部相对深度为5 m，表示其位于地下水位线以上5 m；模型底部相对深度为10 m，表示其位于地下水位线以下 10 m.模型网格总数为 832 个，按照由左至右、由下往上的方式逐行编号.在场地内进行为期 1 年的释放以模拟污染物的泄漏，并进行 1 年的污染物迁移扩散模拟以设置污染物初始分布，并模拟了为期 90 d的 MPE 修复.50020406080100510相对深度/m相对水平距离/m图 1 模型尺寸与网格划分Fig.1 Model size and grid division 模型岩性设置中采用修正后的 Stone 模型27描述场地相对渗透率，其方程形式如式(1)(3)所示：krg=(SgSgr1Swr)A（1）krw=(SwSwr1Swr)A（2）krn=krnSnSnr0.05（3）krgkrwkrnkrnSgSwSnSgrSwrSnrSgrSwrSnr式中，、分别表示气相、液相和 NAPL 相的相对渗透率，为修正后的近似 NAPL 相相对渗透率，、分别为气相、液相和 NAPL 相饱和度，、分别为气相、液相和 NAPL 相残余饱和度，A 为拟合参数.其中 TMVOC 所需输入参数为、以及 A，本研究依照经验值和 TMVOC 手册23,28分别取 0.01、0.2、0.05 和 3.采用 Parker 模型29描述三相系统的毛细压力，具体公式如式(4)(7)所示：1598环境科学研究第 36 卷Sw=SwSm1Sm（4）Sl=Sw+SnSm1Sm（5）Pcgn=wggn(Sl)1/B11/B（6）Pcgw=wgnw(Sw)1/B11/Bwggn(Sl)1/B11/B（7）SwSmSnSwSlPcgnPcgwnwgnBBSmnwgn式中：、分别为液相、残余相和 NAPL 相饱和度；和分别为由式(4)和式(5)计算得到毛细管压力函数的斜率；和分别为气相-NAPL 相间毛细压力以及气相-水相间毛细压力，Pa；g 为重力加速度，m/s2；和分别为气相-NAPL 相之间进气压力的倒数，以及 NAPL 相和水相之间进气压力的倒数，1/Pa；B 为 Parker 模型的拟合参数；为计算过程的中间变量，数值上=11/B.其中 TMVOC 所需输入参数为、B、和，本研究依照经验值和TMVOC 手册23,28分别取 0.00、1.84、11.0 和 10.0.模型的水文地质参数、污染物设置参数与修复工艺参数取值范围参考了现有的TMVOC 研究9,18,23,30-32和 TMVOC 手册28中案例所选取的参数范围以及工程经验.对于岩性参数，现有文献报道30-32显示，土壤渗透率参数取值介于 10141010 m2之间，垂直渗透率为水平渗透率的 0.25 倍；孔隙度随土壤渗透率的减小而增大，一般而言，黏土孔隙度为 0.40.6，砂土孔隙度为 0.30.4；岩层密度普遍采用 2 6002 700 kg/m3；常见的土壤其有机碳含量为 0%5%33.其他参数中，抽提井真空度普遍取 11043104 Pa9，污染物释放速率普遍为106105 kg/s，降雨入渗设置可按照TMVOC手册28.本研究在上述范围内依照工程经验设定了模型参数，具体数值如表 1 所示.此外，为探究土壤渗透率对抽提修复和最优抽提井布设方案的影响，在此模型的基础上设定了 8 种污染羽分布相同、土壤渗透率不同的场景模型，其水平渗透率参数取值分别为21013、41013、61013、81013、21012、41012、61012和 81012 m2，其余参数同表 1.1.3 MPE 布井及开筛位置优化算法参数设置及约束条件MPE 布井及开筛位置优化算法采用遗传算法，目标函数为抽提修复 90 d 后的污染物去除率，分别以锦标赛选择法、单点变异和交换法实现种群的选择、变异和交换，群数大小设置为 150，代沟为 0.8，变异概率为 0.01，迭代 25 次34.TMVOC 所遵循质能平衡方程的形式如式(8)28,35所示：dd twVaMkd Va=waFkad a+wVaqkd Va（8）式中：Va为流动单元体的体积，m3；a为表面积，m2；Mk为组分 k 在单位土壤介质中的质量，kg；Fk为进入流动单元体中组分 k 的总通量，kg；qk为组分 k 在单元体的源汇项，kg；a 为流动区单元体表面的外法向单位矢量.TMVOC 以 GENER 模块描述特殊源汇项，其中同处一列的 DELV 属性网格表示抽提井，因此设置抽提井位置时应当避开模型两侧及上方边界，故布井位置和开筛深度的约束条件可见式(9)(12)：1 c,i,j X1（9）1 r,i,j Z1LY（10）i,k|c,i,j=c,k,j,i,k=（11）j,k|r,i,j=r,i,k,i,k=（12）c,i,jr,i,j式中：为第 i 口抽提井的开筛位置底部上方第 j个网格在模型中的列位置；为该网格在模型中的行位置；X 和 Z 分别为模型总列数与总行数；L 为设定的抽提井开筛长度对应的网格行数，本研究开筛长表 1 模型中水文地质参数取值与修复工艺参数Table 1 Hydrogeological and remediation process parameters inthe model参数类型所需参数案例参数设置模型参数模型大小100.002 m1.000 m15.001 m全局设置环境温度25 大气压力1.01105 Pa边界设置地下水埋深1)5 m水力坡度0.5%年降雨量1 265 mm/a降雨入渗系数0.1岩性设置岩层密度2 600 kg/m3孔隙率0.45土壤渗透率4.01012 m2有机碳含量0.05污染物设置污染物种类苯释放点位相对水平距离25 m释放点位相对深度3.5 m释放速率4105 kg/s修复设置抽提井真空度1104 Pa抽提井总长度12 m抽提井开筛长度5 m注：1)地下水流向由左向右，以左侧边界为统计值.第 8 期金嘉路等：污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究1599度为 5 m，取 5 行；Y 为降雨入渗属性所占网格行数，数值取 1.1.4 经济性评估与碳排放量核算本研究对成本计算和碳排放量核算方法进行了适当简化13，以定性分析各修复方案的成本和碳排放量.以抽提井数量和深度评价施工成本，以抽提井运行过程中的电能耗为唯一因素核算运行成本及碳排放量36，计算方法如式(13)(15)13所示，为评定最优修复方案，依据经验简单设定了式中变量的参考值以量化修复成本和碳排放量，在实际修复过程中，应当结合具体情况设定其数值.bu=Ni=1(DikD+bu)（13）ru=Ni=1(EikE)+ruT（14）C=Ni=1EikCT（15）DikdbuEirukEkC式中：N 为抽提井数量；bu为建井施工成本，元；为第 i 口抽提井的钻井深度，m；为钻井深度费用系数，元/m，取经验值 250 元/m；为其他施工成本，元，取1 000 元；ru为运行成本，元；为第 i 口抽提井的每日能耗(kWh/d)，与抽提井真空度和流量相关，为简化研究，假设每口抽提井每日能耗相同，统一取 60kWh/d；为其他每日运行成本，取 1 000 元；T 为达到修复目标值的时间，d；为能耗价格系数，即单位电价，以 1 元/(kWh)计；C 为碳排放量，kg；为单位能耗碳排放量系数，kg/(kWh)，取 0.960 kg/(kWh)36.2 结果与讨论 2.1 MPE 布井方案及开筛位置优化算法构建利用 MATLAB 搭建了基于 TMVOC 与遗传算法的联合优化程序，利用程序代替了人工调参试错过程，输入文件改写和读取输出文件所用时间仅为 0.8 s，相较人工设置参数可忽略不计；遗传算法的运用相较人工优化可以在有限的次数中确定最优布井位置.其主要步骤包括建立输入文件与读取模型数据、参数集编码、修改输入文件、运行 TMVOC 并读取模拟结果、优化结果计算.2.1.1 建立输入文件与读取使用 MATLAB-TMVOC 优化程序前，先利用PetraSim 快速建立场地水文地质和污染物分布模型，基于该软件获得初始模型的 TMVOC 输入文件，MATLAB-TMVOC 优化程序可以通过对该输入文件的改写和模拟实现优化过程.根据 TMVOC 用户手册，抽提井网格的参数被编写在输入文件的“GENER”(源和汇)模块中，该模块中每一行为一个网格所具有的源汇属性，共 6 列，其中第 1 列内容为对应的网格编号，同一列连续的网格被视作一口抽提井；第 4 列为属性，其中 DELV 为抽提井，COM1 常用作记录降雨入渗，COM2 则被设置为空气注入井；第 5 列、第 6 列分别为流量(曝气)和压力(抽提).利用程序逐行读取文件后判定该行内容中是否存 在“COM1、COM2、DELV”这 三 类 TMVOC 中“GENER”模块的“源与汇”属性，最终记录下“GENER”模块的所有参数，计算模型中井数量以及网格数量.程序巧妙地利用了“COM1”入渗网格占据模型中一整行且上方仅存一行大气边界网格的原理，计算出了模型的总网格数、列数、行数.总网格数计算公式：X=MAXMIN+1（16）XMAXMIN式中，为模型总列数，与分别表示具有“COM1”属性的网格的最大网格编号和最小网格编号.MAX因此总网格数为与 之和，行数为总网格数与列数之商.2.1.2 参数集编码井网格的参数集确定及编码对遗传算法的运行至关重要.依照 TMVOC 将所处同一列连续的“DELV”属性网格判定为一口抽提井的原则，井网格参数集可以转化为每口抽提井最底部的井网格列编码和行编码.显然对于井深度可以通过单井范围给定参数集，而对于井水平位置，可以采用“nchoosek”函数穷举所有列组合，然后通过选择组合的编号确定每口抽提井所在列.2.1.3 修改输入文件、运行 TMVOC 并读取模拟结果在获得初始二进制编码转换的输入参数集后，修改输入文件，建立新的工艺参数下的修复模型，通过“system”函数调用 TMVOC 便可以求解该模型，生成输出文件，读取输出文件中“TOTAL VOCs”模块内容的污染物残余量评价该参数的适应度.2.1.4 优化结果计算基于遗传算法对于不同的布井方案进行模拟以及优化迭代，最终确定最优布井位置.利用 MATLAB-TMVOC 优化布井方案及开筛位置可以有效地减少模拟时间和运算次数，优化程序可以自动化修改输入文件和读取模拟结果，所用时间可忽略不计，进行单次模拟的时长仅为 TMVOC 模拟运行时长，约为 70 s，1600环境科学研究第 36 卷而对于相同的模型，通过人工设置参数进行模拟的过程时长为 120180 s，自动化运行可以节省 75%以上的单次模拟时间.整个优化过程中，人工调参优化需要模拟尝试的次数具有不确定性，而遗传算法通过随机搜索可以在有限的次数中寻找到最优布井位置，快速高效的处理速度更有利于抽提井布设方案与开筛位置的优化.在进行抽提井布设方案优化探究时，布设方案众多，本模型水平方向可选网格位置为 50 种，最小布井间距为单元格水平距离 2 m，竖直方向可选网格位置为 9 种.当布设 5 口抽提井时，仅在水平方向有 2 118 760C(50,5)种组合可能，但对于这种简单组合问题，遗传算法所需种群大小远小于参数集大小11，当遗传算法种群数为 150 时，25 次迭代的运算过程中即可收敛获得最优解，总模拟次数为3 150 次，相较穷举所有可能性，计算量简化率超过90%.2.2 不同 MPE 抽提井数量方案的抽提井布点及开筛位置优化通过 PetraSim 模拟了污染物迁移释放及抽提修复过程并绘制了污染羽分布图，各井群数量下布井方案及开筛位置优化前后污染羽分布情况及去除率时间曲线见图 2，在此基础上通过 MATLAB-TMVOC联合程序优化了抽提井水平布置和开筛位置，经优化后的抽提方案可以于 65 d 内达到 90%的污染物去除率.100806040200相对水平距离/m(a)均匀布井方案及修复 60 d后污染羽分布抽提井开筛位置地下水位修复前3口井4口井5口井6口井7口井修复前3口井4口井5口井6口井7口井液相中苯的质量分数0.001 7800.001 3300.000 8890.000 44500.001 7800.001 3300.001 3300.000 8890.000 4450液相中苯的质量分数(c)优化布井方案及修复 60 d后污染羽分布抽提井开筛位置地下水位100100808060604040修复时间/d苯去除率/%2020003口井4口井5口井6口井7口井(b)均匀布井方案修复曲线注：水平与红色虚线分别表示90%去除率线和7口抽提井达到90%去除率所需要的时间.注：水平与红色虚线分别表示90%去除率线和7口抽提井达到90%去除率所需要的时间.100100808060604040修复时间/d苯去除率/%2020003口井4口井5口井6口井7口井(d)优化布井方案修复曲线100806040200相对水平距离/m图 2 优化前后修复 60 d 后残余污染物分布及 90 d 内污染物去除率变化Fig.2 Distribution of residual pollutants after 60 d and changes in removal rate within 90 d of remediation before and after optimization均匀布井修复前后污染与分布和去除率情况如图 2(a)(b)所示.修复前的初始污染羽水平长度约为第 8 期金嘉路等：污染场地多相抽提低碳修复布井方案优化模拟研究160158 m，竖直长度约为 6 m，超过 50%的污染物处在模型相对水平位置 1734 m 处，即污染源附近形成了一个污染核心区域，该区域内地下水中的污染物浓度超过其他区域 2 倍.本研究设置了不同数量的抽提井群，分别以 24、16、12、10、8 m 的间隔均匀布设抽提井以保证污染物的去除，抽提井开筛位置根据核心区域污染物分布情况设置，筛管底部的相对深度设置为4 m，筛管顶部的相对深度设置为 1 m，具体布井点位如表 2 所示.在 90 d 的修复周期内，随着布井数量由 3 口增至 7 口，污染物去除率由 58.5%增至 89.2%，修复效率增加了 52.4%.均匀布设间距为 8 m 的 7 口抽提井可以在 93 d 达到 90%的去除率.表 2 优化前后的抽提井位置布设Table 2 Layout of extraction well positions before and after optimization修复方案抽提井布设数量/口抽提井水平位置(距左边界距离，由左至右)/m井间距(由左至右)/m筛管底部深度(地下水位线下)/m优化前方案1)319，43，67244419，35，51，67164519，31，43，55，67124617，27，37，47，57，67104719，27，33，41，59，6784优化后方案327，37，7210，254，6，5425，35，51，7310，16，224，5，6，4525，29，53，67，794，24，12，124，4，5，4，5625，29，43，55，69，814，14，12，14，124，5，5，5，5，7713，25，27，47，63，75，8712，2，20，16，12，125，3，4，5，5，5，6注：1)优化前方案为相同开筛位置的等间隔均匀布井.下同.利用 MATLAB-TMVOC 联合优化程序优化了不同数量井群的布井方案和每口井的开筛位置，其中开筛长度统一为 5 m，优化后修复前后残余污染物的分布和去除率情况如图 2(c)(d)所示，在污染物去除率上，90 d 的周期内，7 口抽提井 MPE 修复方案的污染物去除率可达 97.0%，相比优化前提高了 7.9%，优化前 7 口抽提井需要 93 d 才能达到 90%的污染物去除率，而优化后 7 口抽提井在 63 d 内即可达到目标修复值，缩短了 30 d 的修复时间，优化方案提升了 32.9%的修复速率.优化后布井方案及开筛位置如表 2 所示，在布井规律上，相较均匀布井，优化后的抽提井排布是根据污染物浓度及抽提井数量设计的非等间距布点，随着污染羽的分布，在水流方向上由密至疏，抽提井的数量在 4 口以上时，位于核心区域的两口抽提井间距缩小至 24 m，而污染羽尾部低浓度区抽提井间距为1020 m，这与王颖9对于多个低渗透场地 SVE 模拟修复结果相近，当抽提真空度为 10 kPa 时，单井的影响半径为 3.516 m.Sookhak 等11利用遗传算法与TMVOC 的并行版本 TMVOC-MP 相结合研究了多相抽提修复某低渗透性污染场地的平面布井模型，得到了相同的结论，均匀布井并非是最优布井方案.当抽提井开筛长度固定为 5 m 时，最优布井方案的开筛位置在水平方向上深度逐渐增加，在污染羽核心区域，即污染羽前段，筛管顶部相对深度为 1 m，略低于污染羽，修复以多相抽提为主，随着污染羽核心区域水平距离的增加，筛管顶部相对深度为 0 m，以液相抽提为主，这是因为污染物主要通过地下水流动而发生横向迁移，下游区域主要为液相 LNAPL37-38.田蕾等23探讨了低渗透场地中抽提井开筛位置深度对于污染物去除率的影响，得到了相同的结论，当抽提井开筛位置最底端降至 NAPL 附近时，修复效率最高，达到 90.4%，而仅对包气带进行抽提时，去除率仅为29.1%.de Souza 等17通过 STOMP 探究了 MPE 修复过程中抽提井底部的最佳位置，结果显示，当开筛位置底端高程从 14 m 提升至 17 m 的过程中，最佳修复位置位于 15.8 m 处，为气相-NAPL 与液相-NAPL 交界面之间.这些研究结果都显示，MPE 抽提井开筛位置最底端应当低于地下水位，对于 NAPL 和地下水直接的抽提有利于污染物的去除.4 种优化布井方案都选择相对水平距离 25 m 处(污染物释放点)布设筛管底部深度为地水位线下 34 m 的抽提井，可见此处是污染物 MPE 修复的关键布井点，在实际场地布设抽提井时，应当重点关注污染源，布设抽提井群中的主井.2.3 不同 MPE 抽提井数量修复方案的修复成本和碳排放量核算当污染物目标去除率为 90%时，不同抽提井数量下优化前后 MPE 修复成本及碳排放量核算结果如表 3 所示，优化前，6 口抽提井修复运行成本、总成本1602环境科学研究第 36 卷及总碳排放量(能耗)最低，分别为 12.9104元、14.8104元与 32.9 t，而 5 口抽提井的总碳排放量最高，能耗最高.优化后 6 口抽提井运行成本最低，为8.4104元；5 口井的总成本与碳排放量最低，分别为10.2104元与 19.6 t，盲目地缩小布井间距、增加抽提井数量会导致修复效率低，运行成本高.相比优化前，优化后的方案可以节约 29.7%34.7%的运行成本、22.7%29.3%的总成本以及 21.4%40.4%的碳排放量，MATLAB-T