（环境工程专业论文）贵州喀斯特地区地下水水动力弥散研究—以大坝堆场、青菜冲堆场为例.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 随着西部大开发进程的加快，贵州地区岩溶水污染问题十分突出， 特别是贵州铝工业、磷化工工业的迅速发展，其中堆场废水对岩溶地下 水的影响，已经构成对岩溶水资源的威胁。 本文在总结归纳前人研究成果的基础上，依据岩溶介质中污染物水 动力弥散特征，划分为四种水动力弥散类型。其中岩溶孔隙、裂隙介质 可概化为等效介质( 多孔介质) ，其条件是：岩溶裂隙十分发育，含水系 统中地下水有一定的水力联系，影响半径扩展是不规则的椭圆形等。在 此基础上采用污染物对流一弥散方程( 一维流) 的有限元方法，利用g e o s l o p e 软件对大坝、青菜冲堆场的水动力弥散进行模拟分析与计算。 有限元数值模拟，分四种工况进行，结果说明： 1 ) 在溶隙、裂隙介质条件下，可视为“等效”均匀介质，以进行污染物的水 动力弥散模拟。 2 ) 通过污染质浓度模拟的变化图，可以看出整个含水层都被污染，只不过深 部污染浓度随时间的变化没有浅部水流流速明显的区域变化快。 3 ) 污染质浓度变化随着水流的流速加快，污染的趋势更加明显，符合水动力 弥散的规律。出水量大、降深大的地方就越容易受到污染，且向四周扩散。 地下水一旦被污染，治理困难大。 4 ) 污染质浓度变化受含水介质的控制，但是反过来，实测的浓度变化曲线并 不能完全反映出含水介质的介质特征。 5 ) 通过上面的数值模拟图，水体污染并不只局限于浅层水域，深层水域同样 受到污染，所以，人们在受污染区域取水时，想通过取深层水来获取合乎 要求的水体是不可能的。 6 ) 鉴于岩溶介质的复杂性，丘x ，和a 。a ，比值关系只能反映本研究区域 的特性，而不能说明在其他区域也具有可行性。 关键词：岩溶地下水：水动力弥散参数；水质模型；有限元数值模拟 实例分析； 中图分类号：x 5 3 重型堕堑鳖些垦些! 查查垫垄塑墼受塞二坠查壑：童苎鲨堡堑垄型 a b s t r a e t w i t ht h ep a c eo fd e v e l o p m e n tm o r ea n dm o r eq u i c k l yi nw e s to fc h i n a ， a l s o ，k a r s tg r o u n d w a t e rp o l l u t i o np r o b l e m si ng u i z h o up r o v i n c ea r eg e r i n g m o r ea n dm o r ep r o m i n e n t e s p e c i a l l y , a l u m i n i u mi n d u s t r ya n dp h o s p h o r u s c h e m i c a li n d u s t r ym u s h r o o mi ng u i z h o up r o v i n c e ，w h i c hp r o d u c em u c h w a s t er e s i d u e i nr e s i d u es i t e ，t h el e a c h i n go fw a s t es e e pt h r o u g ht h el a n d g r o u n d w a t e rp o l l u t i o nh a sb e c o m eat h r e a tt ot h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c eo f k a r s ta r e a i n t h i st h e s i s ，b a s e do nac o m p r e h e n s i v er e v i e wo ff o r m e rr e s e a r c h r e s u l t si n t h i s a s p e c t ，a n da c c o r d i n gt o t h eh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n c h a r a c t e ro fp o l l u t i o n si nk a r s tm e d i u m t h r o u g hd i s c u s s i n gt h ek a r s t l e a k a g et y p e sa r o u n di n d u s t r i a lw a s t es i t e s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a k a g e p o l l u t i o n ，t h e r e f o r e ，d e v i s ef o u rh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o nt y p e s ，a m o n gt h e f o u rt y p e s ，k a r s tf r a c t u r e dp o r o u sa q u i f e r o u sm e d i u mc a nb er e g a r da s p o r o u sm e d i u m ，o nc o n d i t i o nt h a tk a r s tf r a c t u r e i s v e r yd e v e l o p m e n t m ， c o n t i g u o u sa q u i f e r o u sm e d i u mh a v es o m ea f f i l i a t i o ni nac e r t a i ne x t e n t ， r a d i u so fi n f l u e n c et a k eo ni r r e g u l a re l l i p s e ，e t c b a s e do nt h eh y d r o d y n a m i c d i s p e r s i o nc o n d i t i o n so fk a r s tg r o u n d w a t e r ，a d o p tt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d o fo n ed i m e n s i o n a d v e c t i o n - d i s p e r s i o ne q u a t i o n ，u s i n gg e o s l o p e s o f t w a r et os i m u l a t ea n da n a l y s et h eh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o no fp o l l u t i o n t r a n s m i s s i o ni nd a b aa n dq i n g c a i c h o n gr e g i o n s t h r o u g hr a t i o n a la n a l y s i sa n dc a r e f u lc a l c d a f i o ni nt h i sp a p e r , t h ep r i m a r y c o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w n ： 1 ) k a r s tf r a c t u r e dp o r o u sa q u i f e r o u sm e d i u mc a nb er e g a r da se q u i v a l e n t p o r o u sm e d i u m ，o nc o n d i t i o nt h a tk a r s tf r a c t u r ei sv e r yd e v e l o p m e n t a l ，a t t h es a m et i m e ，t h eh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o ns i m u l a t i o no fp o l l u t i o nc a nb e d o n e 2 ) a f t e rs c a nt h ep h o t oo ft h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t i o nd e s c e n d i n gw i t ht h e w a t e rf l o w , w ec a ns e et h a to v e r a l lm e d i u mw h e r eh a sb e e nc o n t a m i n a t e d 塞型盔堂堡圭堂垡堡苎 a l s o ，e x c e p tt h er a t eo fc o n c e n t r a t i o nc h a n g i n gd o e s n o tq u i c k l ya st h e s h a l l o wa q u i f e r o u sm e d i u m 3 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t i o nc h a n g i n gw i t ht h ew a t e rf l o w , a n dt h et r e n d o fp o l l u t i o nb e c o m em o r ed i s t i n c t ，a n dt h eo u t c o m ec o n s i s t e n tw i t ht h er u l e h y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n i fw h e r ei sm o r eo u t f l o wq u a n t i t ya n dd e e pw a t e r d r a w d o w n ，w h e r ew o u l db ec o n t a m i n a t e dm o r ee a s i l y , a n dd i f f u s e dt oa r o u n d o n c et h eg r o u n d w a t e rh a v eb e e nc o n t a m i n a t e d ，t h et r e a t m e n tw o u l dn o tb e d o n ee a s i l y 4 ) t h ec h a n g i n g o fp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o ns i m u l a t i o nc o n t r o l l e d b y a q u i f e r o u sm e d i u m ，o nt h ec o n t r a r y , t h e a c t u a lm e a s u r ec o n c e n t r a t i o n c h a n g i n gc u r v ed o s en o tr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c o fa q u i f e r o u sm e d i u m a c t u a l l y , b e c a u s e ci sd e t e r m i n e db yc ( 工，r ) f u n c t i o nw h i c hc o n t a i n st w o v a r i a b l e s ，xa n d t 5 ) t h r o u g hs t u d y i n gt h ea b o v en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf e a t u r e ，w a t e rp o l l u t i o n n o to n l yo c c u r si nt h es h a l l o wa q u i f e r o u sm e d i u m ，b u ta l s od o e si nt h ed e e p p l a c e ，t h e r e f o r e ，i fw h e r eh a v eb e e nc o n t a m i n a t e d ，i ti si m p o s s i b l et og e t s a t i s f a c t o r yw a t e rt h r o u g he x c a v a t i n gd e e pa q u i f e r o u sm e d i u m 6 ) d u e t ot h ec o m p l i c a t e dk a r s tm e d i u m ，t h e 疋i k ，a n d a a r r a t i oo n l y r e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sr e s e a r c hr e g i o n ，b u td on o ti n d i c a t ei t a p p l i c a t i v et oo t h e rr e g i o no rw o u l dr e d u c es i m i l a rc o n c l u s i o na l s o k e yw o r d s ：k a r s tg r o u n d w a t e r , h y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o np a r a m e t e ro f g r o u n d w a t e r , g r o u n d w a t e rq l l a l i t ym o d e l ，f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， e x a m p l ea n a l y s i s i l l 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 在贵州岩溶地区，特别是裸露型和半裸露型岩溶地区，岩溶含水系 统抗污染能力弱，岩溶水资源环境十分脆弱，如果工业废渣库的运营和 保护处理不当，或者废渣堆场选址和防渗处理措施不当，废渣堆场中的 强酸、碱废水通过落水洞、漏斗、溶缝、溶隙等进入含水系统，产生岩 溶渗漏污染问题，从而危害到地下水、水库、湖泊、山区河流等等1 3 1 e 贵州省是我国喀斯特主要三大分布地区之一，进行贵州喀斯特地区地下 水渗漏污染的研究，对当前岩溶地区的水资源环境保护和污染治理具有 重要意义。 1 1 喀斯特概述 喀斯特( k a r s t ) 又称为岩溶，是指可溶性岩层( 主要是石灰岩、白云 岩以及其他的可溶性盐类岩石) 的分布地区，岩石长期受到雨水的淋漓、 冲刷、溶蚀等地质作用而行成的一些独特的地貌景观b 。它是一种自然 现象，一种作用、过程或特殊的地貌形态集。从地球系统科学的观念去 理解，喀斯特是一种独特的地球表层建造，即建造在地球岩层圈表层可 溶岩区域内( 主要是碳酸盐岩石) ，拥有溶斗、溶洼、盲谷、溶锥丘、溶 塔峰等闭合地形与地下河系及次生洞穴，具有对应的双层结构自然体。 碳酸盐类岩石在我国分布很广，据统计，裸露地表的就有 1 3 0 1 0 枷。，约占总面积的1 7 ，主要分布在广西、贵州和云南南部 3 8 1 。 喀斯特形成的基本条件主要有：有可溶性岩石；可溶性岩石具 有透水性：存在具有一定溶解能力的水；水在可溶性岩石中是不断 流动的 3 8 1 。 实地观测表明，在垂直方向上的喀斯特的发育具有成层性的特点日8 】。 这是由于喀斯特的发育不仅是地下水与可溶性岩石长期相互作用的结 果，而且在漫长的地质年代里，地壳的升降运动，对其也有很大的影响。 当地壳在较长的时间内处于稳定时，喀斯特的发育就较为彻底，在地下 就可能形成规模大、数量多的喀斯特溶洞层；相反，则喀斯特的发育就 较为困难。若在地壳运动相对稳定时期，在垂直剖面上形成了喀斯特发 育的包气带、地下水位季节变化带、完全饱水带及地下水身不循环带， 之后，若地下水上升，地表河流下切，地下水位随之下降，原来处于地 下水位季节变化带的部位就变为包气带，原来完全饱水带相应的变为地 下水位季节变化带，并依次类推。当地壳再处于稳定时期时，原来地下 贵州喀斯特地区地下水水动力弥敞研究一以大埂、青菜冲堆塑兰型 水位季节变化带所形成的喀斯特洞穴位置已经抬高，在其下部，新的地 下水位季节变化带将会形成新的喀斯特溶洞层，因而，喀斯特的发育出 现成层性。同理，地壳下降，原已经形成的溶洞层将被埋藏于地下深处， 并被泥沙填充。 1 2 贵州是典型喀斯特特征区域 贵州属于典型的喀斯特特征区域，是我国碳酸盐类岩石分布的主要 地区之一。贵州可溶岩面积分布广泛，超过全省面积的三分之二，在可 溶岩层中，分布着各种类型的岩溶地下水。黔南、黔西北地区主要分布 以石灰岩为主的裂隙溶洞水，占全省面积三分之一；以白云岩为主的溶 洞裂隙水，主要分布于黔中、黔西南、黔北、黔东北等地，分布面积接 近全省面积的五分之一；碳酸盐岩及碎屑岩裂隙岩溶水分布面积也大约 为全省面积的五分之一一1 。 贵州位于长江和珠江两大水系的分水岭地段，为云贵高原的组成部 分，平均海拔1 0 0 0 聊左右，西高东低，并分别向南向北倾斜。全省年 均温度1 l 。1 9 。之间，年平均降水量为9 0 0 - - 1 5 0 0 m m 。分布趋势是南 部多于北部，东部大于西部。贵州全境除东部外，寒武系至三叠系的碳 酸盐岩广泛分布。总厚度在3 0 0 0 - - 1 2 0 0 0 珊之间，分布面积为1 2 7 万翩2 。 占全省总面积的7 2 ，岩溶十分发育，地面岩溶为谷地、洼地、落水洞、 漏斗、溶沟槽；地下岩溶为裂隙、裂缝、溶洞、管道、地下河等。 1 3 贵州省废渣堆场污染概述 随着贵州的社会经济快速发展，省内的各类工业废物也随之增加了， 其中固体废物( 不包括生活垃圾) 历年累计已达2 1 亿吨。这些固体废 物大都为有害、有毒的废渣r 2 1 。 由废渣堆场渗漏而造成岩溶水污染，己成为贵州环境污染中突出的 问题。例如，贵州中部地区，氧化铝和磷肥等生产的废渣堆场渗漏，造 成岩溶水碱污染、氟污染、磷污染、钡污染，使长江水系主干支流乌江 流域的十分脆弱岩溶生态环境发生了恶化，不仅造成上亿元的经济损失 和上万户居民饮用水生活用水发生了困难，而且严重影响了水资源的开 发利用和社会、经济的可持续发展。 贵州地下水污染主要是直接污染。这是由于贵州岩溶多为裸露型， 地下水与地表水、降水的关系转换频繁，地下水保护程度低。 2 贵州大学硕士学位论文 1 4 论文研究背景 地质环境工程学是地质工程与环境工程交叉的边缘科学 3 2 1 地质环 境工程的研究内容基本分为三类：环境灾害工程，如三峡工程，南水 北调工程，寒区公路铁路等大规模工程与环境的相互作用、建设与运营 对环境的作用，从而引起山体滑坡，诱发地震，生态变化，冻土地区破 坏等。还有自然条件演变、地壳运动、气候变暖等引起的沙漠化、滑坡、 地震、火山、洪水、海啸等环境自然灾害等问题。环境卫生工程，涉 及到工业及城市固体废弃物的处置，有毒有害无机物造成的岩土介质污 染，以及污染物的迁移和治理方面。城市建筑地下工程及其基础工程 引起的环境问题。如深基坑和地下隧道施工对周围环境的影响等。 本文研究的废渣污染物渗漏及其运移问题，属于第二类地质环境问 题。 1 5 数值模拟及水动力弥散方程求解方法 当前，世界各国都非常重视地下水的污染问题，研究污染物在地下 水中的运移时，一般以多孔介质中溶质运移为基础，建立地下水水质数 值模拟，求出浓度的变化趋势，以预测地下水污染的瞬时动态变化与扩 展范围，预测地下水的发展趋势，为制定合理有效的地下水污染防治措 施及选择最佳的治理方案提供科学依据吩，。 地下水系统数值模拟是基于地下水系统概念模型概化和抽象出的数 学模型，用以描述地下水系统各参数、度量之间的数量关系，在对数学 模型识别和验证的基础上，进一步验证地下水系统的行为和功能的适应 性，从而深化对地下水系统特性的认识l i 。 对地下水质的模拟可以分为两步，首先模拟地下水流状况，然后再 模拟污染物的运移转化过程。因此在地下水模型中存在一些专门进行地 下水流模拟的模型，它们一般对地下水流模拟细致，并提供将模拟结果 连接到污染物运移转化模型的功能。但是大部分地下水质模型都同时具 有模拟地下水水流和污染物运移转化过程的功能。 地下水质模型比较复杂。要模拟地下水流状况和污染物的运移转化 过程，其中涉及到许多物理、化学和生物过程。目前己有的地下水质模 型功能参差不齐，模型之间的连接非常困难，因此在解决实际问题时寻 找适合具体要求的模型却往往十分困难。掌握运用地下水质模拟的方法， 探索适合实际情况的污染物运移的水质模型对于水质环境评价、地下水 污染与防治显得至关重要，对于环境水文地质学的发展有着积极的意义。 贵州略斯特地区地下水水动力弥散研究一以大坝、青菜冲堆场为倒 1 5 1 国外研究现状 国外( 美国尤为突出) ，这一学科的发展较为迅猛，其中研究最早的 是美国学者s e h r o e d e r 等研制的“地质填满场水力学评价模型”即h e l p 模型( 1 9 8 4 ) ，该模型抓住了垃圾填埋场中垃圾渗滤液量的大小是对地质 环境影响程度的关键因素，给出了在不同结构组合下垃圾填埋场中垃圾 渗滤液量的估算方法，对场地水量的转化进行了综合计算。1 9 9 8 年 p e y t o n r l 等通过对1 7 个地质填埋场的长期模拟实验，验证了h e l p 模 型的可靠性和通用性。在理论方面，解析法、有限差分法、有限元法、 边界元法、有限分析数值法等在地下水定量计算与评价中得至0 了广泛的 应用，基于其理论方面的飞速发展即计算机技术革命式的进步，现在地 下水运移及其所含溶质在含水层中的运移在国外已开发出成形的软件 包，如g m s 、m o d f l o w 、m o d p a t h 、s e a m 3 d 、r t 3 d 、m t 3 d m s 、 g e 0 一s l o p e 等。 1 5 2 国内研究现状 我国的地下水污染问题很突出，这些年来我国各相关部门为了保护 地下水资源、防治地下水污染，做了相应的工作和努力，也开发出了一 些水质数值模型。 经过近3 0 年的发展，地下水数值模拟在我国经历了从无到有、从简 单的水流模型到比较复杂的物质和热量运移模型。现在我国已经建立了 囊括国际地下水模拟中心( i g w m c ) p v e n d e rh e i j d e 分类中所有模型， 即预报模型( 包括水流模型、热量运移模型、形变模型、多目标模型) 、 管理模型和识别模型。研究范围涉及到饱和带、非饱和带与饱和一非饱 和带，基本满足了我国国民经济建设发展的需要。随着非稳定流理论的 发展，以及电子计算机的广泛应用，使得各种复杂条件下的地下水运动 都可以应用数值法求解。模拟模型的建立，把水文地质系统中模拟的各 种作用进行系统分析，形成最新的计算机实验方法，将模拟方法和最优 化法相结合，制定系统中的最佳组合方式。 1 5 3 水动力弥散方程的求解方法 地下水水质模型分为两类，第一类是确定性水质模型，第二类是随 机性水质模型。确定性水质模型中应用较为广泛的是建立在弥散理论基 础上的对流弥散模型，这种模型理论比较严谨，解法比较完善，其不足 之处在于水动力弥散参数的本身就具有不确定性，所以预测精度不高。 4 贵州大学硕士学位论文 但是，当缺乏长期的观测资料时，这种方法几乎是地下水水质模型预测 中唯一可用的方法，所以它具有不可替代性。 随着地下水水质模型的发展，解法也将日趋成熟，主要分为解析法 和数值法5 1 9 | q 1 5 3 1 解析解法 多孔介质中溶质运移的解析解法较为容易于应用，但是由于使用的 微分方程的复杂性，使得解析解只适用于径向流问题或者只限于研究区 域具有均匀流速的情况。对于绝大多数的实际溶质运移问题，通常只能 运用数值法来求取其近似解。尽管如此，研究和掌握溶质运移模型的解 析解仍然是非常重要的。一方面可利用解析解验证数值解的方法的正确 性；另外一方面可以在实验室的条件下，利用实验数据，拟合一些标准 曲线，来确定弥散系数。 目前，溶质运移模型的解析解一般是在均质、各向同性的含水层中 一维稳定流或轴对称的径向稳定渗流的条件下求得的 2 0 1 1 5 3 2 数值解法 对于具有复杂条件的溶质运移问题，或是地下水作非稳定流运动的 过程中的溶质运移问题以及研究区域为非均质、各向异性、范围较大的 野外实际问题，一般很难求得其解析解。因此，对于这类实际问题，常 常需要借助于数值解法，以求得研究区域中有限个点在某些时刻的近似 解。近2 0 年来，随着高速电子计算机的产生和应用，出现了各种求解方 法。目前，用于求解溶质运移的数值解法主要有：有限差分法、有限单 元法和边界元法n 们9 4 3 1 0 ( 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 该法方便简单，物理意义直观，在求解溶质运移模型过程中首先得 到普遍应用。其基本思想是：将求解问题的偏微分方程中出现的各阶导 数用差分式近似代替，从而把表示变量连续变化关系的偏微分方程离散 为有限个代数式方程，然后解此线性代数方程组，以求出溶质在离散空 间域上各网格节点上不同时刻的浓度。 差分法主要有显式差分格式、隐式差分格式和c r a n k - - n i c o l s o n 差分 格式三种。大量的计算时间表明，用普通的差分方法求解，只有当弥散 作用占优势时才能取得较为满意的计算结果。当求解弥散系数较小、流 速相对较大、对流作用占优势的问题时，差分法求解过程中都会遇到数 值弥散和震荡两个困难。为此，继而出现了改进的特征有限差分法。 s 贵州喀斯特地区地下水水动力弥散研究一以大坝、青菜冲堆场为例 ( 2 ) 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 有限单元法是把研究区域剖分成有限个单元，在每个单元上用某种 插值函数来近似待求解的未知函数，从而得到求解相应的偏微分方程的 线性代数方程组。迦辽金有限单元法根据需要构造相应的形函数为权函 数，通过求解残数的加权积分等于零来建立方程组的方法，这是一种常 用的有限单元法。 ( 3 ) 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 边界元法是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种数值计算方法，基本思 想是用g r e e n 定理把所研究问题的微分方程定解问题转化为边界上的积 分方程求解的问题，已经成为解决地下水流问题的研究中的一种新方法。 与有限元方法相比，由于离散化引起的误差仅仅来源于边界，不仅提高 了 j - i 度，而且使输入数据简化，避免了有限元数据的准备与核对等烦琐 工作。该法是将求解问题的微分方程连同它们的边界条件用边界积分的 形式表达，再进行离散求解计算，从而可以将三维问题约化为二维问题， 将二维问题约化为一维问题。因此，边界元法又称为边界积分方程法。 另一个优点是能方便而精确地处理作为奇点的井点，而在有限差分法和 有限元方法中，井点都需要特别的处理且存在较大的数值误差。目前， 该法已经成功应用于稳定渗流的计算，但是由于溶质的运移问题的复杂 性，在理论和实践中仍然处于起步阶段。 1 5 4g e 0 - - - s l o p e 软件程序包简介 g e o s l o p e 是用于处理岩土与岩土环境工程问题的大型计算分析 程序，包括边坡极限平衡分析、渗流分析、污染物运移分析、静力变形 分析、动力反应分析以及地热分布分析6 个部分，分述如下： s l o p e w ：基于极限平衡原理及静、动力有限元计算分析结果， 进行边坡稳定性分析； s e e p w ：基于考虑体积含水率变化及有源的连续方程，进行剖面 非稳定流和渗流分析； c t r a n w ：基于污染物在饱和与非饱和土中迁移的基本方程，考 虑水动力弥散，进行污染物传输运移分析； s i g m a w ：基于静力平衡方程，考虑材料的线弹性、各向异性弹 性、非线性、弹塑性力学特性，应用线弹性模型、非线性模型、软化模 型、理想弹塑性剑桥模型，可进行平面问题、轴对称问题的应力应变分 析； 6 贵州大学硕士学位论文 q u a k e w ：基于动力平衡方程，考虑材料的粘弹性及孔压反应， 进行地震动力分析； t e m p w ：用于地基土温度场变化分析。 本文将使用其中s e e p w 与c t r a n w 这两个模块部分，分别用于废 渣堆场污染物的渗流及运移分析。s e e p w 与c t r a n w 相互联系， s e e p w 渗流结果可以被c t r a n w 所调用。 针对废渣堆场污染物在岩溶水中的运移情况，运用弥散理论基础上的对流 一弥散模型，就岩溶渗漏问题进行有限元分析计算模拟，再使用污染物传输模 型以评价污染物在地下水中的运移情况，从而描述出水质的变化规律。 1 6 课题的提出 根据现有文献资料及贵州废渣堆场的实现运行情况，可知废渣堆场 已经对岩溶地下水造成了严重的渗漏污染，造成了周围生存环境污染， 对当地居民的生产、生活带来严重的影响t 4 1 。 大量的事实表明，在一些未做好防渗措施的废渣堆场，废渣滤液通 过饱气带，直接进入地下水通道污染含水层，在含水层中随地下水流径 流迁移弥散，就会形成羽状体形状的地下水污染晕，此种污染晕长度可 达几千米，深度可达几十米1 9 1r 2 5 1 。通常情况下，废渣堆场周围的部分 水井中的水质都难以符合国家标准。 美国环境保护局指出：几乎每个已知的含水层的实例，都是在供水井受到 影响后才发现的。经常到这个时候，地下水污染才被明确地确定下来，但是采 取有效地措施已经为时已晚。从水质观点来看，在真实污染范围监测出来之前， 地下水的水质恶化已经经历了一段很长的时间，倘若把污染物从含水层中除 掉，也需要相当长的时间。因此，地下水污染具有长期性损害、难恢复性、恢 复成本高等特性，也这要求我们加强预防意识和提高预测手段。但是现有的研 究还存在着不足，不能有效地模拟出污染物在溶质中的运移情况，也就不能为 预测出浓度随时间的变化提供可靠的依据。 因而本文针对这一现状，以贵阳大坝地区、凯里氧化铝厂废渣堆场岩溶渗 漏污染为例，运用g e o - - s l o p e 软件建模系统进行污染物渗流及运移分析， 研究贵州喀斯特地区等效介质中的地下水水动力弥散污染。 贵州喀斯特地区地下水水动力弥散研究一1 2 上大坝、青菜冲堆场为例 1 7 本文研究的目的和意义 1 7 。l 研究目的 本文研究目的：根据对现有文献资料的评述，分析贵州喀斯特地区 地下水渗漏污染的情况，评价现有地下水模拟研究现状，并运用新方法 进行分析计算，获取贵州岩溶地区等效介质中的污染质弥散及运移规律。 1 7 2 研究意义 本研究意义主要有四方面： 为建立可持续发展的环保经济体系服务。随着高新技术产业的崛起， 可持续发展战略已成为当代社会发展的一个主题。人类社会的工业化进 程虽然促进了社会的发展和进步，但是同时也产生的大量工业废渣、废 气、废水，使得环境日益恶化。解决环境污染问题，除了开展包括能源 方面在内的全面资源综合利用和技术攻关，还要注意防止副产品的二次 污染，是实现社会和经济持续发展的关键，是建立倍受人们关注的环保 经济体系的重要环节。 为促进水资源开发服务。工业废渣堆场对人类的生存环境影响极为 严重。在工业的飞速发展时代，其排放量在不断的增加和积累。在原产 品综合利用率和回收率不高的情况下，堆存的固体废渣中大量有害重金 属物质会随着渗滤液进入地下水，污染地下水资源。这对于水资源匮乏 和耕地面积逐渐减少的我国提出了严峻的挑战。 岩溶介质非均匀性，地下水赋存、运移也极不均匀。饱气带中落水 洞、漏斗、溶缝等发育，使地下水直接与她匿和大气相通，因雨岩溶含 水系统抗污染能力差，岩溶水资源环境十分脆弱，极易受到污染。贵州 碳酸盐岩地层分布面积占全省总面积的7 2 ，因此对贵州喀斯特地区进 行工业废渣库弓i 起的岩溶渗漏形式、污染特征以及水动力弥散问题的研 究，对这些地区完成当前岩溶水资源环境保护和污染治理任务具有很重 要的意义。 发展了此领域的研究手段。本文采用了g e o - - s l o p e 分析软件，它 能更好的模拟污染物的渗流和污染物的运移问题。虽然这软件包已经在 岩土工程中的边坡稳定性分析中得以应用，但是在此领域的应用还是首 次。本文尝试运用该软件来进行分析岩溶地区的污染物运移问题。 8 贵州大学硕士学位论文 1 8 本文研究的内容 本文在分析水动力弥散原理的基础上，运用g e o s l o p e 建模分析 软件，进行数值模拟污染物在岩溶地区的运移情况，从而为以后的废渣 堆场的防护提供可靠的理论依据。 文章分为六个部分： 第一部分：绪论，介绍喀斯特的概念和贵州喀斯特地下水渗漏污染 的现状，介绍当前的地下水模拟现状及最新进展，分析此研究的目的和 意义。 第二部分：在分析贵州废渣堆场的基础上，讨论贵州岩溶喀斯特污 染类型及划分，喀斯特介质特征和水动力弥散特征。 第三部分：在试验的基础上，观测实际数据，通过计算，得出水动 力弥散参数。 第四部分：运用渗流及污染物运移计算，对废渣堆场进行分析评价。 通过对两处污染源的分析计算，揭示污染物在岩溶水中的运移情况，并 达到对其进行模拟功能。 第五部分：结论，总结本文的收获与不足。 9 贵州喀斯特地区地下水水动力弥敢研究一以大坝、青菜冲堆场为例 第二章喀斯特污染特征及渗漏类型划分 在喀斯特岩溶地区，特别是裸露型和半裸露型岩溶地区，由于工业 废渣库的运营、保护和选址处理措施不当，废渣堆场中的强酸碱废水通 过落水洞、漏斗、溶缝、溶隙等产生渗漏，进入含水系统，会产生岩溶 渗漏污染问题。如赤泥库岩溶渗漏造成的碱污染：氟石膏库岩溶渗漏造 成氟污染；盐泥库岩溶渗漏造成的硫酸盐污染等等。岩溶水污染造成以 下的环境问题：( 1 ) 对岩溶泉井的污染，使地下永不能饮用；( 2 ) 对水库、 湖泊的污染，除对供水水源地产生直接影响外，污染严重的会造成鱼类 人量的死亡；( 3 ) 对山区河流的污染，影响了水电站的安全运行；( 4 ) 污染 治理技术难度大”。 2 1 贵州喀斯特废渣堆场渗漏污染特征 贵州铝工业、磷化工工业等发展较快，规模大，其生产产品从矿山 开采到加工生产，均会产生相当数量的废渣，废渣库就是各种废渣( 尾矿 等) 的堆放场地。由于废渣输送时伴有液相( 3 0 4 0 ) 或大气降水淋滤汇 集等，库内蔷存有大量的含碱、酸浓度很高的废水，因此废渣库是个严 重的污染源。其渗漏污染主要是碱污染、磷污染、硫酸盐污染和氟污染3 1 。 2 1 1 碱污染 碱污染造成水中n a + 、k + 、c l 一、s 0 4 2 _ 、c 0 3 2 - 及矿化度增高，使 水体变成强碱性、乳浊状并具有苦涩味的水体。污染往往呈线状分布， 沿地下水主径流带弥散，影响距离远。其危害是： ( 1 ) 污染水中p h 值高，强碱性，不但人畜不能饮用、不宜农灌、对危害 水生物，而且减缓了水的自净功能。 ( 2 ) 大量的c 0 3 2 - 存在和被稀释，将与河水中c a 2 + 、m 9 2 + 结合产生灰华， 使水电站过水部位结垢，例如扎塘赤泥库含碱废水对猫跳河二级水电站 的影响。二级至二级半电站猫跳河段水中p h 的变化由中性向碱性发展， 而c a 2 + 含量由高至低有个突变过程，表明由于河水受到碱性污染物质的 影响后，使河水中的c a , 2 q - 、m 9 2 + 离子与含碱废水中c 0 3 2 - 结合形成c a c 0 3 和m g c 0 3 产生沉淀，并且很容易在水轮机叶片和管道中结垢，从而严重 影响发电的安全运行。 1 0 贵州大学硕士学位论文 ( 3 ) 含碱污水的长期作用将使土地盐碱化等。例如扎塘赤泥库北西向管 道裂隙渗漏，严重影响了二叠系和三叠系岩溶地下水系统，污染直线距 离1 7 3 砌，影响最远3 7 砌，使3 个泉点、2 个岩溶落水洞、li ：1 供水 井受污染，几十户人的饮用水发生困难。此外，丰水期污染地下水大量 溢出，使土地盐碱化。 2 1 2 磷污染 磷石膏库岩溶渗漏污染使地下水中的总磷( t p ) 含量超过地下水、 地面水i 级标准的几十至上千倍，并且也严重地污染了地面水，岩溶水 资源环境遭受了严重的破坏1 3 1 a 大干沟位于贵州省息烽县黑神庙镇镜内，为乌江支流潮水河右岸的 一条季节性溪沟。磷污染调查区为峰丛洼地地貌类型，地面高程 8 2 5 - 9 8 5 胁，以黄磷厂一重钙厂经黑神庙中部一线形成次一级地表分水 岭。分水岭以南地表径流汇入大干沟，以北汇入桶井坝，最终都向西汇 入潮水河。大干沟由东向西展布，汇入潮水河，长度约3 2 枷，雨季起泄 洪作用，一般呈干涸状态，仅在下游段受到地下水排泄补给，常年有水。 大干沟溪流量变化可达上百倍，有着典型的岩溶山区河流特征。磷污染 调查区北部另一排水沟，主要汇集黑神庙、小寨坝城镇生活废水，排水 沟由西向东拐向南排入桶井坝l l 和l 2 落水洞后转入地下，最终由s 2 溢出，排入潮水河。排水沟地表长度3 3 翩，地下长度1 1 砌。调查区岩 溶地下水系统在未建黄磷厂和重钙厂之前，不存在地下水磷污染问题， 即使s 2 下降泉水中磷含量超标，也是城镇生活污水污染所致。黄磷厂、 重钙厂产生的废渣( 磷石膏) ，采用湿法排放至库内。因此库内有 1 0 0 0 m 3 d 的废水，废水的总磷( t p ) 含最为2 1 1m g l ，为一严重的磷 污染源。由于磷石膏库位于岩溶洼地中，使用后便产生岩溶渗漏，进而 废水污染了岩溶水。 2 1 3 硫酸盐污染 硫酸盐污染使水体中硫酸盐含量升高，破坏水体的自然缓冲作用，消灭或 抑制细菌和微生物的生长，削弱了水体的自净功能，导致水体的p h 值改变， 使水不能饮用。例如大沟冲废渣库裂隙渗漏，污染了1 6 6 k i n 地表溪流和附近 贵州喀斯特地区地下水水动力弥散研究一以大坝、青菜冲堆场为例 的地下水，使十几亩农田无法灌溉，以及人畜用水发生困难。同时硫酸盐污染 对金属管道、砼具也具有腐蚀性 3 1 0 2 1 4 氟污染 氟污染使水体中氟含量超标几十倍，水呈弱酸性，水既不能作为饮 用水源，也不能作为生活用水水源。例如大坝石膏库裂隙渗漏，导致地 下水开采污染，使得省冶金学校钻井抽出的地下水氟含量达2 7 6 0 m g l ， 造成该校师生饮用水和生活用水发生困难，钻井报废1 3 1 。 2 2 渗漏污染类型及水动力弥散特征 十岩溶介质非均匀性，地下水赋存、运移也极不均匀。包气带中 落水洞、漏斗、溶缝等发育，使地下水直接与地面和大气相通，因此岩 溶含水系统抗污染能力差，岩溶水资源环境十分脆弱，极易受污染。根 据所处的地层构成、含水系统及水动力特征，废渣堆场渗漏可分为管道 系统渗漏、管道裂隙系统渗漏、孔隙裂隙系统渗漏和采空区系统渗漏四 大类型 9 1 见表2 1 所示。 2 2 1 管道系统渗漏类型 废渣堆场位于可溶岩地层裸露的岩溶强发育区，地表岩溶为洼地、 落水洞和垂直溶隙，地下岩溶为管道、溶洞。岩溶水动力条件和边界条 件复杂，地下水径流受地质构造控制，因而渗漏途径长而复杂，渗漏量 大，并由于地下水位动态变幅大，渗漏出露点随季节有一定的变化等1 2 1 e 所以管道裂隙类型渗漏，对岩溶水污染，不仅使污染源所处的含水系统 地下水受污染，而且越流使相邻岩溶含水系统及排泄点汇入的地面水体 受污染，例如扎塘赤泥库、贾家堰磷石膏库，见下表2 1 所示。 水动力弥散特征：岩溶地下水以管道为主 3 1 表现为线状弥散特征， 污染质浓度在运移过程中变化大，污染浓度损耗小，由渗漏污染点，如 图2 1 所示，污染物质浓度明显受污染源浓度变化的影响，两者之间具有 很好的对应关系，而且滞后期较短，曲线呈锯齿型。 贵州大学硕士学位论文 图2 1 扎塘赤泥库碱污染源与污染点浓度对应关系图 2 2 2 管道裂隙系统渗漏类型 废渣堆场位于岩溶发育中等区，岩溶介质为管道裂隙型，岩溶渗漏 受裂隙径流的控制，表现为渗漏途径较短，渗漏量较稳定，主要造成对 地表水的污染”1 ，例如白岩尾矿库岩溶渗漏污染、大沟冲渣库等岩溶渗 漏污染，见表2 1 所示。 水动力弥散特征：岩溶地下水以管道裂隙流为主，表现为带状弥散 特征”1 ，污染质浓度在运移过程中变化小，污染浓度损耗大，由渗漏污 染点，如图2 2 所示，污染浓度随污染源浓度变化而逐渐变化，而且滞后 期长，曲线呈圆滑型。 图2 2 大沟冲渣库污染源与污染点浓度对应关系图 1 3 蛐 们 加 贵州喀斯特地区地下水水动力弥敢研究一以大坝、青菜冲堆场为例 2 。2 3 孔隙裂隙系统渗漏类型 废渣堆场位于相对较弱岩溶发育区，孔隙、裂隙十分发育且比较稳 定，含水系统中水力联系相对紧密。例如娄山关地层白云岩，岩溶介质发 育具有相对的均匀性，岩溶渗漏可认为符合均匀介质运移规律，浓度曲 线符合理论曲线。在进行污染物运移计算与模拟时，可参照均匀介质条 件。本文讨论的大坝、凯里青菜冲地区的岩溶介质就属于这种类型。 碱度( m g 1 ) 污染源实测值 钻孔z k 2 观测值 一一 图2 3 青菜冲赤泥库堆场污染源与污染点浓度对应关系图 2 2 4 采空区渗漏类型 废渣堆场位于可溶岩与非可溶岩互层地层区，由于采矿( 煤) 作用， 地下巷道交错分布，破坏了非可溶岩的隔水性，因此渗漏途径类似于地 表水径流，使堆场渗漏废水与矿坑水混合，进而污染地下水，其污染影 响是极为严重的，例如鸡心坡灰库 9 1 。 s 0 2 慨1 ) 污染源实测值 ， ，疵鼻观测值 图2 4 鸡心坡灰库污染源与污染点浓度对应关系图 1 4 贵州大学硕士学位论文 表2 1废渣堆场岩溶渗漏类型 渗漏点渗漏距离 水力坡度 最终受纳 污染源污染状态渗漏形式各注 类型( o n )( )水体 扎塘 碱污染岩溶裂隙岩溶泉 1 7