《地下水循環(huán)井水力環(huán)流模擬與水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)指南（征求意見稿）》

1總則

1.1編制目的

為指導(dǎo)循環(huán)井技術(shù)水動力調(diào)控參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，推進循環(huán)井技術(shù)在土壤和地下水污染治

理中的應(yīng)用，根據(jù)相關(guān)法律、法規(guī)及技術(shù)指導(dǎo)文件，編制《地下水循環(huán)井水力環(huán)流模擬與水

動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)指南》（以下簡稱指南）。

1.2適用范圍

本指南規(guī)定了開展地下水循環(huán)井水動力調(diào)控參數(shù)設(shè)計的工作流程、工作方法、工作內(nèi)容

等。

本指南適用于單個雙篩段結(jié)構(gòu)地下水循環(huán)井水力環(huán)流特征的模擬刻畫，可為循環(huán)井技術(shù)

水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1.3編制依據(jù)

本指南內(nèi)容引用了下列文件中的條款，凡是不注明日期的文件，其有效版本適用于本文

件。

（1）供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范（GB50027-2001）；

（2）地下水資源管理模型工作要求（GB/T14497-1993）；

（3）建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則（HJ25.1）；

（4）地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（HJ164）；

（5）環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境（HJ610-2016）；

（6）污染場地巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)（HG/T20717-2019）；

（7）地下水資源數(shù)值法計算技術(shù)要求（DZ/T0224-2004）；

（8）地下水污染模擬預(yù)測評估工作指南（環(huán)辦土壤函〔2019〕770號）；

（9）地下水流數(shù)值模擬技術(shù)要求（GWI-D1-2004）；

（10）水文地質(zhì)概念模型概化導(dǎo)則（GWI-D8-2004）。

1.4術(shù)語和定義

（1）地下水循環(huán)井（Groundwatercirculationwell，GCW）

受污染的地下水在機械抽注水或注氣作用下，通過井管的兩個或多個篩段，在井周圍一

定范圍內(nèi)形成三維水流循環(huán)，并通過不斷沖刷擾動去除含水層中污染物的特殊結(jié)構(gòu)井。

1

（2）水力環(huán)流數(shù)值模擬（Hydrauliccirculationnumericalsimulation）

以電子計算機為工具，通過數(shù)值計算和圖像顯示方法，設(shè)定反映客觀情況的相關(guān)參數(shù)，

進行合理概化后，對地下水水力環(huán)流特征開展模擬計算，模擬地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動特征要

素時空變化過程，推求數(shù)學(xué)模型的近似解，獲得循環(huán)井影響半徑等目標(biāo)參數(shù)的方法。

（3）循環(huán)井水動力調(diào)控（HydrodynamiccontrolofGCW）

根據(jù)污染場地水文地質(zhì)條件、污染物特性、循環(huán)井結(jié)構(gòu)、修復(fù)周期及修復(fù)目標(biāo)對循環(huán)井

的循環(huán)模式、循環(huán)流量、抽注水頻率等參數(shù)進行調(diào)控，在確保各組件正常運行的前提下，使

水力環(huán)流效果和污染修復(fù)效果達(dá)到最優(yōu)。

2工作內(nèi)容和流程

2.1工作內(nèi)容

2.1.1資料收集

采用歷史資料收集、現(xiàn)場踏勘等手段，收集污染場地概況、土壤及地下水環(huán)境質(zhì)量調(diào)查

結(jié)果、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等相關(guān)資料，必要時結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查等工作完善相關(guān)資料。

2.1.2水力環(huán)流模擬

結(jié)合場地水文地質(zhì)條件、污染物分布特征及修復(fù)目標(biāo)，通過計算機數(shù)值模擬方法對水力

環(huán)流特征進行刻畫。

2.1.3水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)水力環(huán)流模擬結(jié)果和決策目標(biāo)導(dǎo)向提出循環(huán)井最優(yōu)水動力調(diào)控參數(shù)設(shè)計方案。需確

定的主要技術(shù)參數(shù)包括循環(huán)井結(jié)構(gòu)參數(shù)和水動力調(diào)控參數(shù)。循環(huán)井結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括循環(huán)井

井徑、孔徑，篩段長度及位置；水動力調(diào)控參數(shù)包括循環(huán)井的循環(huán)方式、循環(huán)流量、抽注水

頻率等。

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2.2工作流程

圖2-1工作流程圖

3資料收集

3.1場地概況資料

3.1.1自然地理資料

調(diào)查區(qū)地理位置，地形地貌特征，場地范圍及拐點坐標(biāo)，地面高程等。

3.1.2氣象水文資料

調(diào)查區(qū)及附近區(qū)域氣候類型、降水量、蒸發(fā)量、氣溫、凍土、光照、風(fēng)向等氣象資料；

調(diào)查區(qū)及附近區(qū)域地表水系分布情況、徑流量、水深、河床巖性等。

3.1.3土地歷史利用資料

調(diào)查區(qū)土地利用歷史，包括開發(fā)歷史、調(diào)查區(qū)域平面圖、建筑物分布圖、建筑物地基埋

藏情況等。

3.2地質(zhì)及水文地質(zhì)資料

3.2.1地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料

調(diào)查區(qū)及附近區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、飽和帶及非飽和帶厚度、地層的均質(zhì)性等，調(diào)

查區(qū)地質(zhì)圖，鉆孔柱狀圖等。

3

3.2.2水文地質(zhì)資料

調(diào)查區(qū)地下水賦存條件，包括含水層介質(zhì)及類型、厚度、地下水位（埋深）；地下水的

源匯項，地下水流速、流向、水力梯度，場地周邊已有水井情況（如水位埋深、抽注水量、

年內(nèi)及多年動態(tài)變化特征），地下水化學(xué)特征，以及地下水和地表水的相互作用等；水文地

質(zhì)參數(shù)主要包括滲透系數(shù)、孔隙度、貯水系數(shù)、給水度等；調(diào)查區(qū)井孔柱狀圖，抽水、注水

試驗資料，地下水長期監(jiān)測資料，附近地表水流量、水質(zhì)監(jiān)測資料以及相關(guān)的水文地質(zhì)調(diào)查

報告等。

3.3污染狀況資料

3.3.1歷史污染資料

調(diào)查區(qū)歷史及現(xiàn)狀污染調(diào)查成果資料，包括污染源產(chǎn)排污情況、主要產(chǎn)品、原輔材料、

生產(chǎn)工藝流程圖、地下儲罐和管線分布情況圖、特征污染物等。

3.3.2污染源資料

調(diào)查區(qū)次生土壤污染源區(qū)位置、方量、分布，污染物種類、相態(tài)、理化性質(zhì)等，以及污

染物在地下環(huán)境中的遷移途徑、遷移規(guī)律、衰減特征等。

3.3.3污染羽資料

調(diào)查區(qū)地下水污染羽空間分布范圍、污染羽深度及寬度，污染物最大超標(biāo)濃度及平均值

等，污染羽的遷移速率，以及遷移過程中發(fā)生的主要作用，包括吸附、對流擴散、化學(xué)反應(yīng)、

生物降解等。

4數(shù)值模擬

4.1數(shù)值模擬一般步驟

循環(huán)井驅(qū)動下地下水?dāng)?shù)值模擬宜按如下流程進行。當(dāng)軟件功能、計算方法、分析內(nèi)容相

對特殊時可按實際情況微調(diào)下列流程，但應(yīng)作出說明。

（1）確定目標(biāo)：循環(huán)井水力環(huán)流數(shù)值模擬目標(biāo)是在已有污染場地條件下，在循環(huán)井水

力驅(qū)動下，修復(fù)時段內(nèi)，井周邊一定范圍內(nèi)水流體系及污染物的變化特征及作用范圍，確定

循環(huán)井運行效果的重要表征指標(biāo)；

（2）資料收集：具體參見第3部分；

（3）水文地質(zhì)概念模型的建立：包括模擬計算范圍、邊界條件、含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水力

4

特征，水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)、源匯項及初始條件的概化；

（4）數(shù)學(xué)模型的建立：根據(jù)所建立的水文地質(zhì)概念模型，建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，包括

描述地下水運動規(guī)律的偏微分方程以及特定區(qū)域的定解條件（邊界條件和初始條件）；

（5）選擇模擬程序：可自己編譯或選擇已知的公開或商業(yè)程序；

（6）模型的識別：包括識別時段的選擇、校正的方法、校正的標(biāo)準(zhǔn)；

（7）模型的驗證：在模型識別的基礎(chǔ)上，利用相互獨立的不同時段資料，采用已識別

的參數(shù)通過不同源匯項的輸入和輸出，確定模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)的擬合程度，達(dá)到校正

標(biāo)準(zhǔn)后才能將模型用于預(yù)測；

（8）模型的預(yù)測和敏感性分析：設(shè)計不同井結(jié)構(gòu)及運行方式下的預(yù)測方案，預(yù)測循環(huán)

井驅(qū)動下的地下水流場、粒子軌跡和污染物的遷移特征隨時間的變化規(guī)律；

（9）預(yù)測結(jié)果的后處理：根據(jù)不同預(yù)測方案下地下水流、污染物等反映循環(huán)井運行效

果的表征指標(biāo)，確定其特征值的大小。

圖4-1循環(huán)井水力環(huán)流模擬基本過程示意圖

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4.2不同模擬階段及目標(biāo)

根據(jù)循環(huán)井在場地應(yīng)用的實際情況，可分為初步模擬階段，模擬比選階段和模擬優(yōu)化階

段。

4.2.1初步模擬階段

在前期歷史資料收集和現(xiàn)場踏勘后，可利用較少的資料進行初步的數(shù)值模擬。該階段的

主要目標(biāo)是在設(shè)計初期利用所搜集的較少資料構(gòu)建數(shù)值模型，初步確定循環(huán)井的影響范圍及

運行效果，在此基礎(chǔ)上結(jié)合場地范圍及污染物分布特征，初步確定循環(huán)井位置。

4.2.2模擬比選階段

通過開展場地詳查獲得相對準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料和污染物分布信息，可在初步模擬階段

所構(gòu)建的數(shù)值模型基礎(chǔ)上進行改進，開展循環(huán)井技術(shù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。該階段的主要目標(biāo)是利

用場地詳細(xì)調(diào)查的資料優(yōu)化數(shù)值模型，開展不同結(jié)構(gòu)循環(huán)井技術(shù)運行效果分析，確定循環(huán)井

結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.2.3模擬優(yōu)化階段

在完成循環(huán)井現(xiàn)場布設(shè)后，根據(jù)所建成循環(huán)井試驗獲得的數(shù)據(jù)及參數(shù)，對所構(gòu)建模型進

行校準(zhǔn)，預(yù)測未來循環(huán)井技術(shù)運行效果，優(yōu)化運行參數(shù)。該階段的主要目標(biāo)是根據(jù)已經(jīng)布設(shè)

循環(huán)井抽注試驗所獲得的水位（頭）變化結(jié)果及污染物濃度變化數(shù)據(jù)，分析并確定水力循環(huán)

方式及抽注水流量，對已構(gòu)建的模型進行校準(zhǔn)，為后期循環(huán)井水動力調(diào)控參數(shù)的調(diào)整提供理

論依據(jù)。

4.3不同模擬階段的任務(wù)

4.3.1初步模擬階段

根據(jù)前期搜集的資料，建立場地水文地質(zhì)概念模型、數(shù)學(xué)模型以及數(shù)值模型，并利用所

建立的數(shù)值模型進行模擬預(yù)測，分析循環(huán)井布置在場地不同位置處的運行效果，確定循環(huán)井

在場地的安裝位置。該階段受限于所收集場地資料條件的完備程度，可不進行模型的識別和

驗證。

4.3.2模擬比選階段

根據(jù)場地調(diào)查結(jié)果，對初步模擬階段所建立的模型進行調(diào)整，利用模型分析不同循環(huán)井

結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)下的循環(huán)井運行效果。該階段的任務(wù)主要是對循環(huán)井結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。由于該

階段未布設(shè)循環(huán)井，可不進行模型的識別和驗證。

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4.3.3模擬優(yōu)化階段

根據(jù)前期詳細(xì)調(diào)查所獲資料及場地安裝循環(huán)井后的抽注試驗所獲觀測數(shù)據(jù)，開展完整的

地下水?dāng)?shù)值模擬工作，對構(gòu)建的模型進行識別和驗證，并開展敏感性分析，為后續(xù)循環(huán)井的

正常運行提供理論指導(dǎo)。

4.4水文地質(zhì)概念模型的建立

4.4.1確定模擬范圍

考慮所需修復(fù)范圍的邊界，場地周邊特殊補給、排泄和隔水等邊界，以及前期場地抽水

試驗影響半徑等條件，以方便模型概化和計算為基礎(chǔ)，綜合確定模擬區(qū)域范圍。盡量將模擬

區(qū)邊界設(shè)置在自然邊界處，或設(shè)置在容易確定流量或地下水位的人為邊界處。若無特殊邊界

條件，可考慮循環(huán)井影響半徑之外一定距離作為模型的邊界。

4.4.2邊界條件概化

根據(jù)含水層、隔水層的分布，在地質(zhì)構(gòu)造帶和模擬邊界上的地下水流特征，地下水與地

表水的水力聯(lián)系等因素，可將計算區(qū)側(cè)向邊界條件概化為給定水位的一類邊界、給定流量的

二類邊界或給定流量與水位關(guān)系的三類邊界；垂向邊界條件可考慮修復(fù)目標(biāo)含水層及其上下

地層特性，概化為有水量交換的邊界條件和無水量交換的邊界條件。

4.4.3含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概化

應(yīng)根據(jù)含水層的類型、巖性、厚度、導(dǎo)水系數(shù)（滲透系數(shù)）等將內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化為均質(zhì)（或

非均質(zhì)）各向同性（或各向異性）含水層。

4.4.4水力特征概化

地下水在循環(huán)井技術(shù)適用地層中的運動符合達(dá)西定律，循環(huán)井驅(qū)動下水力環(huán)流為三維流，

且需分析循環(huán)井運行效果隨時間的變化特征。因此建模時應(yīng)根據(jù)地下水流狀態(tài)將模擬區(qū)地下

水流概化為非穩(wěn)定三維流。

4.4.5水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)前期搜集資料及場地調(diào)查數(shù)據(jù)，分析得到滲透系數(shù)、孔隙度、給水度、貯水系數(shù)、

降水入滲系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，并結(jié)合地貌、巖性等特征，劃分水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)，對不同

分區(qū)給定水文地質(zhì)參數(shù)，作為水量模型識別計算的初始值。在后期模型識別過程中，可對分

區(qū)以及參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整，但應(yīng)與水文地質(zhì)特征相符。

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4.4.6源匯項概化

在場地及周邊地下水補給、排泄項調(diào)查的基礎(chǔ)上，對其進行合理概化。

（1）補給項概化：降水入滲補給概化為面狀補給；側(cè)向流入可依據(jù)監(jiān)測資料及場地調(diào)

查，合理概化為流量邊界或水頭邊界；河流補給可概化為河流邊界；注水井可概化為補給井。

（2）排泄項概化：對蒸發(fā)排泄，可概化為面狀排泄，若場地內(nèi)所修復(fù)含水層為水位埋

藏較淺的潛水，可建立受潛水極限蒸發(fā)埋深約束的子模型；抽水井可概化為井；側(cè)向流出可

依據(jù)監(jiān)測資料及場地調(diào)查，合理概化為流量邊界或水頭邊界；地下水向河流排泄，河流可概

化為河流邊界。

（3）對于循環(huán)井，根據(jù)循環(huán)井篩段位置和長度，將其概化為抽水井和注水井。其中抽

水篩段可將其概化為抽水井，注水篩段可將其概化為注水井。

4.4.7初始條件

（1）地下水位分布：根據(jù)場地調(diào)查結(jié)果，若場地范圍較大，地下水位存在較大差異，

地下水位觀測點較多時，可插值繪制地下水位等值線，并將其給入模型剖分網(wǎng)格，作為初始

流場；若場地范圍較小，場地地下水位變化較小，地下水觀測點數(shù)較少，無法形成等值線的，

可給入定值作為場地的初始水位。

（2）污染物分布：根據(jù)場地調(diào)查結(jié)果，若場地范圍較大，污染物濃度變化存在較大差

異，地下水污染物監(jiān)測點數(shù)量較多時，可插值繪制污染物濃度等值線，并將其給入模型的剖

分網(wǎng)格，作為初始濃度場；若場地范圍較小，場地污染物濃度變化較小，污染物監(jiān)測點數(shù)量

較少，無法形成等值線的，可給入定值作為場地的初始濃度。

4.5建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)所建立的水文地質(zhì)概念模型，寫出合適的數(shù)學(xué)模型，包括描述地下水運動規(guī)律的偏

微分方程，以及特定區(qū)域的定解條件（包括邊界條件和初始條件）。具體可參考附錄B.1。

4.6選擇模擬程序

4.6.1計算方法的確定

模擬計算方法可采用有限差分、有限單元等方法，進行地下水流和污染物遷移的正演計

算?？梢赃x擇已有商業(yè)軟件來構(gòu)建數(shù)值模型，宜為軟件開發(fā)企業(yè)或?qū)ｉT科研機構(gòu)開發(fā)的地下

水?dāng)?shù)值模擬計算軟件。如VisualMODFLOW、GMS、FEFLOW等軟件。

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4.6.2計算程序選擇

循環(huán)井水力環(huán)流數(shù)值模擬宜同時考慮地下水流模擬、粒子追蹤模擬以及污染物運移模擬。

地下水流模擬用于刻畫循環(huán)井周邊三維環(huán)流水位（頭）分布特征；粒子追蹤模擬用于確定循

環(huán)井及含水層中水流運動軌跡及其影響范圍；污染物運移模擬宜簡化，只考慮對流遷移模擬，

用于刻畫循環(huán)井影響下污染物在含水層中的變化過程。

4.6.3空間離散

水平離散：可根據(jù)實際場地范圍大小，對模擬范圍進行“規(guī)則”或“不規(guī)則”的網(wǎng)格剖

分。在循環(huán)井周邊水位及污染物濃度變化較大的區(qū)域，可根據(jù)需要適當(dāng)加密，水平方向考慮

循環(huán)井的直徑一般概化為一個單元格。

垂向離散：應(yīng)考慮循環(huán)井抽注水篩段的長度，即循環(huán)井單個篩段垂向上需概化為一個或

多個單元格。

4.6.4時間離散

循環(huán)井驅(qū)動下地下水?dāng)?shù)值模擬需考慮循環(huán)井運行效果及影響范圍隨時間的變化，應(yīng)將模

擬時間劃分為一系列應(yīng)力期，并將每個應(yīng)力期劃分為若干時間步長。前期變化較快，可考慮

劃分時段短一些，后期變化較慢，可考慮剖分時段長一些。具體應(yīng)根據(jù)污染場地修復(fù)周期以

及循環(huán)井修復(fù)預(yù)期影響范圍達(dá)到的時間來確定。

4.6.5水流模型構(gòu)建

用確定性數(shù)學(xué)模型描述地下水流時必須滿足①對應(yīng)的水流控制方程以及確定的參數(shù)值；

②相應(yīng)的定解條件來把握所描述的地質(zhì)體。循環(huán)井驅(qū)動下水力環(huán)流須概化為三維模型，以分

析水流在含水層垂向上不同位置的變化。具體控制方程和定解條件模型可參考《地下水流數(shù)

值模擬技術(shù)要求》(GW1-D1)。循環(huán)井水力環(huán)流驅(qū)動下的地下水流模型數(shù)學(xué)模型可參考附錄

B.1。

4.6.6粒子追蹤模型

MODPATH與MODFLOW聯(lián)用可以計算出粒子在流場中的遷移路徑，可理解為地下水

在循環(huán)井驅(qū)動下的運動軌跡，用來刻畫循環(huán)井驅(qū)動三維環(huán)流的特征?？蛇x取循環(huán)井影響半徑

（R）和循環(huán)井粒子回收率（Pr）作為描述循環(huán)井運行效果的表征指標(biāo)。循環(huán)井水力環(huán)流驅(qū)

動下的粒子追蹤模型可參考附錄B.2。

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4.6.7污染物遷移模型

根據(jù)不同的污染物，對其進行概化，并構(gòu)建污染物遷移模型，具體建模過程可參考《地

下水污染模擬預(yù)測評估工作指南》?？梢钥紤]以污染物遷移半徑（rm）或污染物去除率（?）

作為衡量循環(huán)效果的表征參數(shù)。循環(huán)井水力環(huán)流驅(qū)動下的污染物遷移模型可參考附錄B.3。

4.7模型校正（識別）

4.7.1校正時段的選擇

當(dāng)可供識別的時段較短時，一般選擇水位觀測資料較多、源匯項容易確定的時段以減少

其他不確定性因素的干擾。條件允許時，應(yīng)盡量利用一個以上水文年數(shù)據(jù)開展模型校正工作

以提高模型可靠性。

4.7.2校正方法

在地下水?dāng)?shù)值模擬參數(shù)識別過程中，主要包括如下兩種方法：

（1）試估-校正法：在每次正演前，根據(jù)水位（頭）計算值與實測值的擬合情況，人為

給出各參數(shù)的修正值。

（2）最優(yōu)化方法：給定參數(shù)的上下限（約束條件），計算機自動優(yōu)化。

4.7.3校正標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于地下水?dāng)?shù)值模型的校正標(biāo)準(zhǔn)問題，可參考《地下水資源管理模型工作要求（GB/T

14497-1993）》、《地下水資源數(shù)值法計算技術(shù)要求》（DZ/T0224-2004）中對地下水?dāng)?shù)值

模型識別與驗證的技術(shù)要求。

4.8模型驗證

經(jīng)過校正后的模型還應(yīng)進一步驗證，確定其是否正確描述地下水系統(tǒng)的本質(zhì)特征。校正

與驗證過程必須利用相互獨立的不同時間段資料，并采用已校正的參數(shù)，通過對地下水系統(tǒng)

模型的輸入和輸出，觀察地下水?dāng)?shù)值模型的計算結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)的擬合程度。

4.9模型的預(yù)測和敏感性分析

4.9.1模型的預(yù)測

對循環(huán)井驅(qū)動下水力環(huán)流特征進行模擬預(yù)測，可根據(jù)修復(fù)目標(biāo)及工期安排，設(shè)計不同循

環(huán)井結(jié)構(gòu)及運行方案，包括循環(huán)井的篩段長度和位置、抽注流量以及運行時間。估算未來一

定時間內(nèi)地下水流、粒子追蹤及污染物遷移特征，確定不同方案下循環(huán)井周邊地下水位影響

范圍、水流的運動軌跡以及污染物的遷移特征。

10

4.9.2模型的敏感性分析

檢驗循環(huán)井優(yōu)化設(shè)計過程中篩段的長度、篩段的位置、抽注流量、循環(huán)方式等設(shè)計參數(shù)

對模擬結(jié)果響應(yīng)情況。根據(jù)敏感性分析結(jié)果，針對敏感性高的設(shè)計參數(shù)重點進行優(yōu)化設(shè)計。

4.10預(yù)測結(jié)果的后處理

對粒子追蹤模型及污染物遷移模型運行結(jié)果進行處理，得到以下循環(huán)井運行效果表征指

標(biāo)的確定方法。

（1）粒子回收率（Pr）：在規(guī)定時間內(nèi)被抽水篩段捕獲的粒子數(shù)（N循）與注水篩釋放

的總粒子數(shù)（N總）之比，表示為N循/N總，該指標(biāo)可用于表征循環(huán)井運行效果中的循環(huán)效

率。

（2）橫向影響半徑（RT）、縱向影響半徑（RL）：以粒子追蹤模型中粒子在沿天然地

下水流方向和垂直于水流方向垂向切割循環(huán)井所在單元格觀測粒子軌跡，從注水篩出發(fā)在規(guī)

定時間內(nèi)可運移至抽水篩的軌跡距循環(huán)井中心的最遠(yuǎn)水平距離。

（3）捕獲帶上部寬度（Bt）：粒子追蹤模型中上游粒子進入到循環(huán)井中的軌跡垂直于

天然地下水流向的上部寬度。

（4）捕獲帶下部寬度（Bb）：粒子追蹤模型中上游粒子進入到循環(huán)井中的軌跡垂直于

天然地下水流向的下部寬度。

（5）有效捕獲厚度（Me）：粒子追蹤模型中注水篩粒子進入到抽水篩的粒子軌跡垂向

上最上端至最下端的距離。

（6）污染物遷移半徑（rm）：循環(huán)井井軸線到污染物濃度變幅△C=ε等值線的最大距

離。

（7）污染物去除率（?）：循環(huán)井運行一定時間內(nèi)，整個模擬區(qū)中去除的污染物總量與

初始污染物總量的比值，可用污染物濃度的變化來表示，即：?=1-Conc'/Conc。

5水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

5.1優(yōu)化設(shè)計原則

根據(jù)循環(huán)井技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)，對循環(huán)井結(jié)構(gòu)及水動力調(diào)控參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以影響半徑、

循環(huán)效率和污染物去除率作為循環(huán)井場地運行效果表征指標(biāo)，以影響半徑最大化、循環(huán)效率

最大化、污染物去除率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，針對數(shù)值模擬的模擬比選階段和模擬優(yōu)化階段分

別開展相應(yīng)的設(shè)計工作。

11

5.2優(yōu)化目標(biāo)

當(dāng)循環(huán)井主要用于地下水污染風(fēng)險管控，以增大地下水流動性為主要目的時，一般考慮

單個循環(huán)井的影響范圍最大化，可將循環(huán)井影響半徑作為優(yōu)化目標(biāo)；當(dāng)循環(huán)井主要作為地下

水污染修復(fù)技術(shù)手段時，考慮以循環(huán)效率或污染物去除率作為優(yōu)化目標(biāo)；兼顧循環(huán)井影響范

圍和污染物去除效率需求時，以影響半徑、循環(huán)效率和污染物去除率為目標(biāo)，開展多目標(biāo)循

環(huán)井優(yōu)化設(shè)計。

5.3模擬比選階段

5.3.1初步確定循環(huán)井結(jié)構(gòu)

確定優(yōu)化目標(biāo)后，根據(jù)修復(fù)場地水文地質(zhì)條件和污染物分布特征，構(gòu)建場地地下水?dāng)?shù)值

模型，初步確定循環(huán)井結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍并考慮井管生產(chǎn)時尺寸的通用性和便利性，設(shè)計

幾種不同的循環(huán)井結(jié)構(gòu)方案，包括篩段的長度以及在含水層中的位置，將其進行概化輸入模

型中。

5.3.2優(yōu)化循環(huán)井結(jié)構(gòu)

（1）當(dāng)以影響半徑或循環(huán)效率作為優(yōu)化目標(biāo)時，以相同流量運行水流模型和粒子追蹤

模型，根據(jù)粒子追蹤模型運行結(jié)果，以其中影響半徑或循環(huán)效率最大方案作為優(yōu)化結(jié)果；當(dāng)

以污染物去除率作為優(yōu)化目標(biāo)時，可考慮在水流模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建溶質(zhì)運移模型或其他污染

物遷移模擬模型，并以模擬時段末刻循環(huán)井周邊不同位置污染物濃度值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，將時

段末污染物濃度最低的方案作為優(yōu)化結(jié)果。最終確定循環(huán)井篩段長度和位置作為最優(yōu)井結(jié)構(gòu)

設(shè)計方案。

（2）在此基礎(chǔ)上綜合考慮經(jīng)濟成本確定井徑和開孔孔徑。在經(jīng)濟條件和施工條件允許

的前提下，可選擇更大開孔孔徑和井管管徑以增加孔內(nèi)和井壁過水?dāng)嗝?，以增大單位長度篩

段的出水量，保證循環(huán)井的運行效果。

5.4模擬優(yōu)化階段

以上一階段確定的最優(yōu)井結(jié)構(gòu)為前提，結(jié)合場地污染物特性和水文地質(zhì)條件特征分析確

定循環(huán)方式，重點分析不同抽注流量下循環(huán)井影響半徑的變化，在保證影響半徑目標(biāo)最大化

和抽注水量可控的前提下，優(yōu)化循環(huán)井控制流量。

5.5場地驗證及調(diào)試

根據(jù)水動力調(diào)控參數(shù)優(yōu)化設(shè)計后所確定的循環(huán)井技術(shù)方案，在污染場地開展循環(huán)井抽注

12

試驗。在場地試驗過程中監(jiān)測循環(huán)井抽注流量、運行時間、不同深度地下水頭、污染物濃度、

示蹤劑濃度變化過程，繪制各指標(biāo)的歷時曲線，如污染物濃度突破曲線或示蹤劑穿透曲線等，

并與數(shù)值模擬設(shè)計結(jié)果進行對比，評估循環(huán)井技術(shù)效果，驗證循環(huán)井參數(shù)設(shè)計的合理性。并

在此基礎(chǔ)上對模型中的水動力調(diào)控參數(shù)進行進一步優(yōu)化設(shè)計。

在場地修復(fù)的全過程中，適時開展技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，特別是技術(shù)工藝變更、循環(huán)井

篩孔阻塞，地下水位發(fā)生明顯變化情況下。

13

附錄A循環(huán)井技術(shù)應(yīng)用資料需求及來源

表A-1基礎(chǔ)所需資料及來源

所需資料內(nèi)容數(shù)據(jù)來源資料信息要求與說明

場地概況資料

1）自然地理資料

1）場地性質(zhì)、規(guī)模、場地

包括理位置，地形地貌特征，場

界限的測量坐標(biāo)值

地觀測點坐標(biāo)，地面高程等

1）地形圖、地貌圖2）降雨量、蒸發(fā)量通常為

2）氣象水文資料

2）降雨量及蒸發(fā)量時間序列數(shù)據(jù)，最小時間

包括氣候類型、降水量、蒸發(fā)

3）地表水體流量及現(xiàn)狀單元應(yīng)到月，必要時可到

量、氣溫、凍土、光照、風(fēng)向等

4）行政部門及企業(yè)的有關(guān)數(shù)天

氣象資料；調(diào)查區(qū)及附近區(qū)域

據(jù)3）場地周圍原有和規(guī)劃的

地表水系分布情況

道路、重要建筑物、構(gòu)筑

3）土地歷史利用資料

物

包括開發(fā)歷史、調(diào)查區(qū)域平面

圖、構(gòu)筑物分布圖等

地質(zhì)條件資料

1）含水層系統(tǒng)

1）地質(zhì)圖與水文地質(zhì)圖

包括地質(zhì)、構(gòu)造、地層、地形坡1）應(yīng)有一定數(shù)量的控制點

2）相關(guān)鉆探地球物理勘探、

度、地表水體等方面的資料2）地質(zhì)單元的厚度、延伸

水文地質(zhì)試驗等方面的研究

2）含水層結(jié)構(gòu)以及含水層的識別

報告

包括含水層的水平延伸、邊界3）地形標(biāo)高等值線、含水

3）地層巖性柱狀圖、地層剖

類型、頂?shù)装迓裆?、含水層厚層厚度等值線

面圖及鉆孔結(jié)構(gòu)圖、成井報

度、基巖結(jié)構(gòu)等4）含水層立體結(jié)構(gòu)圖、水

告等

3）水文地質(zhì)參數(shù)文地質(zhì)參數(shù)分布圖

4）有關(guān)學(xué)術(shù)刊物及會議上發(fā)

包括滲透系數(shù)、給水度、貯水系5）地表水與地下水以及不

表的專業(yè)論文

數(shù)、彌散系數(shù)及孔隙度等同含水層之間的水力聯(lián)系

5）行政部門及企業(yè)的有關(guān)數(shù)

4）鉆孔程度

據(jù)

包括鉆孔位置、孔口標(biāo)高、巖性

描述及成井結(jié)構(gòu)等

水文地質(zhì)條件資料1）抽水試驗及長期觀測井的1）降雨量、蒸發(fā)量通常為

1）各種源匯項及其對地下水動地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)時間序列數(shù)據(jù)，最小時間

力場的作用2）地下水及地表水的開發(fā)利單元應(yīng)到月，必要時可到

2）天然排泄區(qū)及人工開采區(qū)地用量天

理位置、排泄速率、排泄方式及3）灌溉區(qū)域、作物類型及分2）數(shù)據(jù)采集的時間、地點、

持續(xù)時間布情況數(shù)值及測量單位應(yīng)準(zhǔn)確

3）地表水體與地下水的相互作4）水資源需求量及污水排放3）對于地下水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)注

用量預(yù)測分析明是否為動水位

4）地下水人工開采、回灌及其5）其他政府、企業(yè)等有關(guān)部4）不同時期地下水等水位

過程門的水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)線圖

污染概況資料1）建設(shè)項目環(huán)境影響評價報1）不同時期及不同點位的

1）水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)告水質(zhì)數(shù)據(jù)

2）污染源空間分布特征2）地下水環(huán)境調(diào)查報告2）不同含水層位的水質(zhì)數(shù)

14

3）污染排放特征3）建設(shè)項目建設(shè)及生產(chǎn)記錄據(jù)

4）特征污染因子與生產(chǎn)報告3）不同類型監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)

4）污染普查資料4）追溯污染主體變遷歷史

5）污染源解析

6）生產(chǎn)工藝分析

15

附錄B水力環(huán)流數(shù)值模擬方法

B.1地下水水流模型

循環(huán)井驅(qū)動下的水力環(huán)流過程數(shù)值模擬需要分析地下水流在垂向上不同位置水頭變化，

因此考慮構(gòu)建非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流地下水流系統(tǒng)，根據(jù)達(dá)西定律和質(zhì)

量守恒原理推導(dǎo)出含水層中地下水流微分方程以及定解條件如下：

??????hhhh?

+++=

KxKyzKWSs

?x??xy??yz?z?t

hxyzt(,,,)=?(,xyzt,,)(,,)，xyz∈S，t＞0

11（1）

?h

K=qxyzt(,,,)(,,)，xyz∈S，t＞0

?n2

=，∈

h(,,,)xyztt=0h0(,xyz,)(,,)xyzD

式中：，，—潛水含水層在主方向滲透系數(shù)（m/d）；Ss—潛水含水層給水度；

h為潛水含水層厚度（????????????????????????m）；W—源匯項，為了簡化循環(huán)井水力循環(huán)效果的分析，減少其他

源匯項對循環(huán)效果的干擾，若無其他源匯項，可考慮只有循環(huán)井注水/抽水強度（m3/d）；D—

研究區(qū)矩形邊界范圍；S—三維空間中立體邊界范圍；—第一類邊界（定水頭邊界）；—

第二類邊界（給定流量邊界）；(,,,)—三維條件下邊界????1上點(,,)在t時刻的水頭；????2

(,,,)為上的已知函數(shù)；?0n????為邊界????????????的外法線方向，????q1表示????上單位面積的側(cè)向補給????????

????量。1????????????????????1????2????2

B.2粒子追蹤模型

循環(huán)井驅(qū)動下形成的三維水力循環(huán)帶是評估其運行效果的重要指標(biāo)，通過對循環(huán)帶特征

的描述，可定量表征循環(huán)井驅(qū)動下中循環(huán)范圍和水量的多少。因此，可利用MODPATH程

序，構(gòu)建了循環(huán)井粒子追蹤數(shù)值模擬系統(tǒng)。

（1）計算原理

MODPATH計算粒子運動路徑，首先需確定水流模型中單元上每面的速度主分量值，再

由單元表面的速度主分量值通過簡單的線性插值來計算單元內(nèi)各個點的速度分量。

16

圖B-1有限差分單元中各面水流運動示意圖

如圖B-1所示，單元上每個表面的平均線速度分量i，j，k等于對應(yīng)的表面流量除以橫

截面積和孔隙度（n）乘積，可以表示如下：

QQ

VV=xx12,=

xx12nyz??nyz??

QQ

VV=yy12,=（2）

yy12nxz??nxz??

QQ

VV=zz12,=,

zz12nxy??nxy??

計算出單元每個表面的平均線速度分量后，MODPATH通過線性插值計算單元內(nèi)各個點

的速度分量，計算公式可以表示如下：

()VV?

V=xx21()xx?+V

xx?11

x

()VVyy21?

Vyy=()yy?+11V（3）

?y

()VV?

V=zz21()zz?+V

zz?z11

（2）三維水力循環(huán)帶表征指標(biāo)刻畫

1）循環(huán)井影響半徑

循環(huán)井運行時在含水層中形成一個三維水力循環(huán)帶，其范圍的大小直接反映了循環(huán)井運

行效果的好壞，循環(huán)帶的范圍越大，污染物的捕捉范圍越大，循環(huán)井的運行效果越好。當(dāng)天

然地下水無水力梯度時，循環(huán)井運行產(chǎn)生的三維水力循環(huán)帶關(guān)于井軸線中心對稱，如圖B-2

（a）所示；地下水存在水力梯度時，三維水力循環(huán)帶的形狀發(fā)生扭曲，如圖B-2（b）所示。

17

圖B-2有無水力梯度時循環(huán)井三維水力循環(huán)帶示意圖

天然地下水一般具有一定的水力梯度，三維水力循環(huán)帶的形狀在空間上常常表現(xiàn)為不規(guī)

則類橢球體，其具體數(shù)值大小難以量化，而循環(huán)范圍和循環(huán)半徑（循環(huán)帶最外側(cè)邊界到井軸

線最大距離，R）表現(xiàn)為正相關(guān)。因此，也可以用循環(huán)半徑的大小來間接反映循環(huán)范圍的大

小。但需要注意的是，當(dāng)?shù)叵滤嬖谒μ荻葧r，平行于水流方向的下游影響半徑RL1不等

于上游影響半徑RL2，而垂直于水流方向上的影響半徑RT1與RT2相等，如圖B-3所示。因

此，為了更加準(zhǔn)確體現(xiàn)循環(huán)范圍的大小，以循環(huán)井四個主方向上的影響半徑RL1、RL2、RT1、

RT2以及以上影響半徑之和Rto的大小，來反映循環(huán)范圍的大小，數(shù)值越大表示運行效果越

好。

圖B-3不同方向上三維水力循環(huán)帶影響半徑示意圖

B.3污染物遷移模型

循環(huán)井水力環(huán)流驅(qū)動下地下水運動主要考慮其水動力條件的變化，因此可根據(jù)實際場地

污染物特征、水文地質(zhì)條件以及場地調(diào)查的精度作出概化。

（1）溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型

溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型本質(zhì)上就是根據(jù)概念模型中的條件，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的偏微分方程，再將

各個方程聯(lián)立成一個方程組。數(shù)學(xué)模型中的方程包括溶質(zhì)運移控制方程、初始條件及邊界條

18

件方程，后兩者統(tǒng)稱為定解條件。

根據(jù)上小節(jié)所建立概念模型中的條件，模擬區(qū)三維溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型可以由以下方程組

成：

1）溶質(zhì)運移控制方程

?(nCK)???k

Ckk（）

=nDij?+(nviC)qsCs4

????

txixxji

式中：n—含水介質(zhì)孔隙度，無量綱；—溶質(zhì)K的濃度，ML-3；t—時間，T；—水

????

動力彌散系數(shù)張量，L2T-1；—地下水滲流????速度，LM-1；，—沿各自笛卡爾坐標(biāo)軸的距????????????

離，L；—含水層單位體積流量????????（源正，匯負(fù)），T-1；????????—溶質(zhì)????????k的源通量或匯通量的濃

????

度，ML-????3。????????????

2）初始條件方程

kk（）

C(,,,)xyztt=00=c(,,)xyzxyz,,∈?5

式中：(,,)—溶質(zhì)K的初始濃度，ML-3；Ω—整個模型域。

????

3）邊界條件方程????0????????????

控制方程的解還需要定義邊界條件。其每種邊界條件及相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程如下：

①沿邊界已知的溶質(zhì)濃度（定濃度邊界）；

kk（）

C(,,,)xyzt=c(,,,)xyztxyz,,∈τ1,t>06

②邊界上溶質(zhì)濃度是一個已知的函數(shù)（給定濃度邊界）；

k（）

C(,,,)xyzt=Cxyz,,∈τ2,t>07

③零通量邊界上補給或排泄的溶質(zhì)濃度為0；其分別對應(yīng)的邊界條件方程為：

k（）

C(,,,)0xyzt=xyz,,∈τ3,t>08

式中：(,,,)—溶質(zhì)K濃度的已知函數(shù)，ML-3；C—常數(shù)；τ—給定濃度邊界；τ—

????

定濃度邊界????；τ????—????零通量邊界????????。12

（2）污染物3的遷移特征刻畫

為了定量描述循環(huán)井驅(qū)動下修復(fù)范圍的變化過程，選取污染物遷移半徑（rm）和污染物

去除率（?）來表征。rm可以描述循環(huán)范圍修復(fù)的大小，而?可以被用來定量反映循環(huán)井對

污染物的去除效率。

1）污染物遷移半徑

19

將井軸線到污染物濃度變幅△C=0.1mg/L等值線的最大距離記為污染物遷移半徑（rm），

如圖B-4所示。

圖B-4污染物遷移半徑rm示意圖

2）污染物去除率

污染物去除率（?）是評價循環(huán)井修復(fù)效果的最直觀參數(shù)，污染物去除率越高，修復(fù)效

果越好。污染物去除率等于循環(huán)井運行一定時間內(nèi)，整個模擬區(qū)（或某一剖面上）剩余污染

物的總質(zhì)量與初始污染物總質(zhì)量的比值，可以用下式表示：

n

∑cvii1

i=1（）

η=1?n9

∑cvii

i=1

式中：i—單元代號；—相應(yīng)單元污染物濃度，mg/L；—相應(yīng)單元初始污染物濃度，

mg/L；—相應(yīng)單元中水的體積，等于單元體積和孔隙度的乘積，????????1????????L3。

????i

20

ICS13.020.40

CCSZ00

團體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSERxxx—2024

地下水循環(huán)井水力環(huán)流模擬與水動力調(diào)控

參數(shù)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)指南

Guidelinesforhydrauliccirculationsimulationandhydrodynamiccontrolparameter

optimizationdesi