0 引 言
伴随城市化进程和产业结构调整，我国许多地下水污染场地亟待修复[1-3]。抽出-处理技术可有效地控制污染羽扩散和消除地下水污染，是地下水污染场地修复中使用最为广泛的技术[4-6]。研究表明，抽出井布设方式以及抽水方式对污染物抽出效率的影响占比达到70%以上[10]，其中，国内外较多学者[7-9]研究了抽出井布设方式对抽出效率的影响，认为在重污染区沿地下水流方向中心轴线布井为最优的布井方式。此外，研究发现优化抽水方式能有效提高污染物的抽出效率、减少修复成本。Keely等[11]提出间歇性抽水方式，认为间歇性抽水方式适用于低渗透性含水层，间歇性抽水方式有助于高浓度污染物从低渗透性区域向高渗透性区域迁移。由于场地介质对污染物的吸附作用，导致在抽出处理过程中出现浓度拖尾和反弹现象，Cohen等[12]研究发现间歇性抽水有助于减轻浓度拖尾与反弹现象并可提高抽出效率。因此，确定抽水方式是提高抽出效率、减少修复成本的关键性问题。
1 研究区概况
研究区位于湖南某铁合金厂内，厂区面积为55万m2。地表以下岩性依次为杂填土、粉质黏土、细砂、圆砾、泥质粉砂岩。场地内地下水赋存于细砂及圆砾层，渗透系数为6.81 m/d，其上覆盖约3 m的黏土，为承压含水层，水力坡度约为6‰。地下水位埋深约为3 m，地下水流向为自西北向东南，其补给来源主要为区域地下径流，排泄方式主要为人工排泄及径流排泄。场地地下水中污染物主要为Cr(Ⅵ)，分布在厂区南部，污染面积约为235000 m2(图1)，最高浓度达到96 mg/L。
图1 承压含水层中Cr(Ⅵ)污染羽分布及抽水井布设
Fig.1 Distribution of Cr(Ⅵ) contamination plumes in confined aquifer and location of pumping well
2 研究方法
利用地下水数值模拟软件GMS进行地下水流和溶质运移模拟，用加权平均方法对模拟结果进行优化筛选。将厂区范围确定为模拟区，承压含水层岩性单一，概化为均质各向同性含水层，并将地下水概化为二维稳定流。研究区南临湘江，为主要排泄边界，将边界设为定水头边界；西北部有地下水径流存在，为地下水补给边界，将其概化为定流量边界；承压含水层顶部为粉质黏土，底部为泥质粉砂岩，故将其概化为隔水边界[13-14]。在某一布井条件下，通过数值模拟确定平均抽出效率最高的抽水方式，利用数值模型结合加权平均方法对不同抽水组合方案进行模拟，比选出最优抽水方案。
3 抽水方案优化
综合考虑前人抽水井布设方式的研究成果[7-9]及场地实际水文地质条件，在地下水污染高值区沿地下水流方向以中轴线方式布设5口抽水井(图1)，抽水流量均为72 m3/d，持续抽水10年，可使地下水中Cr(Ⅵ)质量浓度降到0.1 mg/L，达到GB/T 14848—2017《地下水质量标准》Ⅳ类水水质标准。为了降低修复成本，提高抽出效率，减少修复时间，本次研究利用数值模型及加权平均方法对抽水方式进行优化。
3.1 单一抽水方式比选
场地含水介质对污染物存在吸附作用，导致在抽出处理过程中出现浓度拖尾现象，Cohen等[12]认为间歇式抽水有助于减轻浓度拖尾与反弹现象，并可提高抽出效率。为确定平均抽出效率最高的抽水方式，本研究模拟了时间间隔t分别为0(持续抽水)，1，3，5，10，15，20 d共计7种抽水方式，确定抽出效率最高的时间间隔为10 d，具体如图2所示。可知：相同修复时间内，在抽水初期持续性抽水方式可快速地降低地下水中Cr(Ⅵ)的浓度，但后期随着地下水中污染物浓度的降低，导致平均抽出效率降低(图3)。
图2 10年时间内Cr(Ⅵ)的平均抽出效率-时间间隔曲线
Fig.2 Plot of average pumping efficiency-time interval within 10 years
—t=0； 
—t=1； 
—t=3； 
—t=5； 
—t=10； 
—t=15； 
—t=20。
图3 100 d内Cr(Ⅵ)浓度-时间曲线
Fig.3 Plot of hexavalent chromium concentration-time within 100 days
3.2 复合抽水方式比选
为确定成本最低的抽水方案，本研究设计了持续性抽水、间歇性抽水及持续性抽水与间歇性抽水相结合的10种组合抽水方案。Kim[15]认为污染物移除率应根据场地地质情况以及修复时间等因素综合考虑。本场地地质条件复杂，污染严重且修复时间较短，故确定污染物移除率为90%。为筛选出最优抽水方案，本文采用加权平均方法，综合考虑抽水总时间、抽水总量和平均抽出效率3个因素，对10种方案进行比选。抽水方案组合形式如表1所示。
表1 污染场地地下水抽水方案
Table 1 Pumping schemes for groundwater in constaminated sites
抽水方式抽水方案持续性抽水持续抽水1间歇性抽水间歇性抽水(时间间隔10 d)2持续性抽水+间歇性抽水持续性抽水抽出10% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)3持续性抽水抽出20% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)4持续性抽水抽出30% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)5持续性抽水抽出40% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)6持续性抽水抽出50% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)7持续性抽水抽出60% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)8持续性抽水抽出70% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)9持续性抽水抽出80% 的污染物总量+间歇性抽水(时间间隔10 d)10
研究以修复成本最低和抽出效率最高为优化目标，故将抽水时间、抽水总量和平均抽出效率3个因素设置权重比依次为1∶8∶1、2∶7∶1、3∶6∶1、4∶5∶1[16-17]。最后将每个因素的基础得分乘以各自权重，最高分对应的方案即为成本最低的抽水方案。
通过模拟得到优化结果如图4所示。可知：整个抽水过程采用持续性抽水方式(方案1)达到抽出90%的污染物总量目标所用时间最短，抽出水量最多，平均抽出效率最低；采用间歇性抽水方式(方案2)达到抽出90%污染物总量的目标所用时间最长，抽出水量最小，平均抽出效率最高。以抽出90%的污染物总量为目标，抽出水量与抽水时间、平均抽出效率成反比，抽水时间越长(间歇性抽水时间占比越大)抽水总量越小，平均抽出效率越高。
图4 10种抽水方案在3种要素下的分布
Fig.4 Distribution of 10 pumping schemes under 3 factors
利用加权平均方法算得10种抽水方案不同权重比下的得分如图5所示。可知：间歇性抽水方式平均抽出效率较高，但达到目标值所需的时间较长，导致单独使用间歇性抽水方式并不能有效降低修复成本。比较图5中各曲线可知，抽水总量权重占比较高时方案5评分最高，是修复污染地下水成本最低的抽水方案。相比于常用抽水方案1成本降低20.22%，平均抽出效率提高25.65%。
—权重比1∶8∶1； 
—权重比2∶7∶1； 
—权重比3∶6∶1； —权重比4∶5∶1。
图5 不同权重比下的10种方案得分统计
Fig.5 Statistics of scores of 10 schemes with different weight ratios
4 结 论
本文结合实际污染场地，确定了一种抽出-处理技术最优抽水方案，结论如下:
1)平均抽出效率随抽水时间间隔的增加先增大后减小，时间间隔为10 d的间歇性抽水方式平均抽出效率最高。
2)在某一确定相关布井参数前提下，间歇性抽水方式平均抽出效率高于持续性抽水方式。但单独使用间歇性抽水方式达到修复目标值所需时间较长，不能有效降低修复成本。单独使用持续性抽水方式，抽出污染地下水方量较大，也不能有效降低修复成本。若以降低污染地下水修复成本为目标，需考虑持续性抽水与间歇性抽水相结合的抽水方式。
3)场地修复以低成本修复为主，利用数学模型结合加权平均方法确定以持续性抽水方式抽出30%污染物后，换用抽水时间间隔为10 d的间歇性抽水方式修复成本最低的抽水方案。
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