在异质含水层中，利用综合地下水循环井和泵抽处理方法进行污染物修复的有效性及优化策略

《Process Safety and Environmental Protection》：Effectiveness and optimization strategies for contaminant remediation using integrated groundwater circulation well and pump-and-treat methods in heterogeneous aquifer

整合地下水循环井-泵送处理系统在异质含水层中的效能受渗透率变异性、井间距及操作策略影响，优化GCW位置（靠近低K区域）和间距（<1.5倍影响半径）可显著提升低渗透区修复效率，周期性操作对整体效能无显著差异。

　　
本文针对异质含水层中集成地下水循环井（GCW）与泵送回灌技术（P&T）的优化设计问题展开研究，通过数值模拟揭示了关键影响因素及工程实践启示。研究基于三维地下水流动与溶质传输理论，构建了包含50×50×20网格的数字化模型，重点考察了水文地质参数异质性、井网布局与运行模式对污染去除效率的影响。

### 一、研究背景与核心问题
地下水污染治理面临含水层非均质性的严峻挑战，特别是低渗透（K<0.05 m/d）区域因污染物迁移受阻成为治理难点。传统P&T技术虽应用广泛，但存在效率低下、长期运行反弹等问题（Brusseau等，2014；Zha等，2019）。GCW通过诱导垂向循环流促进污染物迁移，但其效能高度依赖场地水文地质条件（Cirpka等，2001；Ciampi等，2023）。现有研究多聚焦单一技术优化，缺乏对集成系统在复杂地质条件下的系统性分析。

### 二、关键影响因素分析
1. **水文地质参数异质性**
- **渗透率（K）变异**：lnK方差每增加1单位，整体净化效率下降约25.8%，其中高K区域贡献率达96%（Fig.3a）。当方差由0.5增至4.5时，高K区效率损失达24.4%，表明非均质条件下优先通道效应显著（Gelhar，1986；Zhang等，2024）。
- **孔隙度（n）变异**：尽管lnn方差范围达0.01-0.5，但对整体效率影响仅1.2%，表明孔隙度空间变异性对污染去除贡献有限。
- **相关尺度**：lnK相关长度从5m增至240m，效率提升18.8%，验证了介质各向异性对污染物迁移的调控作用（Robin等，1993）。

2. **井网布局优化**
- **GCW-P&T间距**：当间距小于1.5倍GCW影响半径（约12m）时，低K区净化效率提升显著（Fig.7a）。间距每扩大1倍，低K区效率下降约15%，而高K区变化小于5%。
- **位置策略**：GCW邻近低K区时，其诱导的压降梯度可增强污染物向P&T井的运移（Fig.5a），使低K区净化效率达94.2%，较随机布井提升28.6%。而高K区净化效率仅提升3.1%，说明集成系统对低渗透区域的定向治理优势。

3. **运行模式对比**
- **周期性GCW运行**：在1200天模拟中，周期性启停GCW使低K区污染物峰值浓度提升40%，但整体效率与连续运行无显著差异（Fig.8d）。短期强化效果源于压力波动引发的浓度波动，长期则趋近于稳态流动。
- **GCW-P&T协同机制**：GCW通过制造垂向流动场，将低K区污染物推入高K区主流通道，而P&T系统通过持续抽排实现整体净化（Fig.6）。这种协同效应在低K区尤为显著，集成系统较单独P&T效率提升达35.8%。

### 三、创新性发现与工程启示
1. **异质性放大效应**
相较于等效均质含水层（误差率<10%），实际非均质场中污染去除效率波动幅度达17.6-36.4%（Fig.3）。这源于非均质介质中存在非达西流、多重优先通道等复杂现象，导致污染物迁移路径不可预测。

2. **井网设计准则**
- **第一步：含水层表征**（耗时约占总预算30%）
需通过高分辨率地质雷达（分辨率<1m）与同位素示踪技术（检测精度<5%）定位低K区（K<0.05m/d）。研究显示，采用两阶段表征法（先区域尺度后场地尺度）可使定位误差从±50m降至±15m。
- **第二步：GCW-P&T协同布局**
GCW应布置在低K区中心或边缘（影响半径内），P&T井需覆盖所有高K区（K≥0.05m/d）。当GCW-P&T间距比控制在1:1.5时，可形成最佳交叠区（Fig.9），实现低K区污染物迁移效率最大化。
- **第三步：动态参数调整**
每5年需重新评估井间距有效性，当含水层垂向分层明显（Cor_r/Cor_z>5）时，建议采用分段式GCW网络（Zhang等，2025）。

3. **运行效率优化**
- **启动阶段**（前500天）：采用间歇式GCW（周期7天/3天），可加速低K区污染物迁移（浓度下降速率提升22%）
- **稳态阶段**（500-1200天）：连续运行GCW更优，因其能维持稳定的压降梯度（Δh/Δx=0.3 m?1）
- **维护策略**：每10年需通过示踪实验（如同位素稀释法）验证井网有效性，当净化效率低于85%时，应调整井间距或增加GCW数量。

### 四、技术经济性评估
研究显示，集成系统的单位成本（$/kg）较传统P&T降低18-25%，主要得益于：
1. 减少低K区无效运行时间（节省约30%能耗）
2. 提高污染物迁移路径效率（缩短达60%）
3. 优化后的井网布局降低监测维护成本（约22%）

但需注意：当含水层垂向各向异性强烈（Cor_r/Cor_z>8）时，建议采用分层GCW设计，每层设置独立循环系统，可提升15%处理效率。

### 五、应用案例与验证
在鄂尔多斯盆地某化工污染场地（ di?n tích 2.3km2），应用本研究提出的井网设计：
- 定位3处低K区（K<0.02m/d）
- 布置5组GCW-P&T系统（间距12-18m）
- 实施间歇式GCW运行（周期7天/3天）
经5年运行，验证区污染去除率达89.7%，较原P&T系统提升42.3%，且年维护成本降低35万美元。

### 六、研究局限与展望
1. **模型假设限制**：未考虑非稳态蒸发渗流（年降水变化＞15%地区误差率可达8-12%）
2. **扩展研究方向**：
- 多技术集成（GCW-P&T与生物反应墙联合）
- 人工智能辅助井网优化（基于强化学习的井位调整）
- 低碳运行模式（太阳能驱动GCW系统）

本研究建立的"表征-布局-优化"三阶段设计框架，为复杂含水层污染治理提供了可复制的技术范式，建议后续研究重点关注深层含水层（埋深>200m）的适用性验证。