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贵j f 大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 摘要 随着西部大开发进程的加快，贵州岩溶地区岩溶水污染问题十分严重，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。 本论文以摆纪磷石膏堆场为研究对象，通过分析磷石膏堆场的环境地质条 件，对堆场进行地下水渗漏性分析及评价在此基础上，采用了地下水物质迁 移模型中的“黑箱”模型，即运用m a t l a b 的b p 神经网络建立磷石膏堆场岩 溶渗漏污染预测模型。 本文采用m a t l a b 神经网络中的两种b p 改进算法( t r a i n d x 算法和 1 1 la 腿p 算法) 及两种数据预处理方案( p r e m m n x 函数预处理和p r c s t d 函数预 处理) ，根据降雨量、渗漏量、渗漏点污染物浓度值这三个因素与地下水渗漏污 染间的关系，建立摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测模型，并通过网络误差性 能曲线、模型训练样本及检验样本之问的误差对比曲线，选择最佳的模型算法 及数据预处理方案，并与一维解析解法所求结果进行对比，实现了人工神经网 络对堆场岩溶渗漏污染的预测，在岩溶地下水污染预测中属于初次应用 通过m a t l a b 神经网络模型模拟预测结果说明，利用人工神经网络对岩溶 地区地下水溶质运移进行模拟和预测是可行的它只需要根据系统的输入、输 出数据建立各个变量之间的关系，而完全不追究其内在的机理。m a = na b 神经 网络所建立的堆场岩溶渗漏污染预测模型，减少了地质条件较复杂地区的地下 水动力弥散参数的求解困难和代表性差等问题，有效简化了岩溶地区地下水溶 质运移的过程，为堆场岩溶渗漏污染的防治提供了可靠的依据。 关键词：岩溶：渗漏污染预测；一维解析解法；m a t l a b ；神经网络；b p 网络 i l l 贵，l f 大学硕士学位论文 摆纪碡石膏堆场岩溶渗漏污染预测 a b s t r a c t w i t ht h es p 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 e g e t t i n gm 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 a mi n d u s t r ya n d p h o s p h o r u sc 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 - h i e hp r o d u c e m u c hw 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 e rs e e pt h r o u g h t 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 r r e s o u r c e so fk a r s ta t e a 。 t h ep a p e ra n a l y s e st h eg e o l o g ya n dg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n to ft h e a r d e a l i t es i t e b a s e do ne v a l u a t i n ga n da n a l y z i n gt h ek a r s tg r o u n d w a t e r l e a k a g eo ft h es l a gy a r d ，e s t a b l i s h i n gam o d e lo fp r e d i c t i n gt h ek r a s t g r o u n d w a t e rs e e p a g ew i t hb pn e u r a ln e t w o r ks y s t e mw i t hn n t o o lo fn e u r a l n e t w o r kt o o lb o xi nm a t l a b t h em o d e li se s t i b l i s h e db a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a i n f a i i q u a n t i t yo fs e e p a g ea n dp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h es i t eo fs e e p a g e ， a d o p t i n gt w ot y p e so fb a c k p r o p a g a t i o na l g o r i t h m , t h a ta r er e s i l i e n t b a c k p r o p a g a t i o na n dv a r i 曲l el e a r n l i n gr a t eb a c k p r o p a g a t i o n , a n dt w o m e a n so f d a t ap r e p r o c e s s i n g c h e s s et h eb e s tm o d l eb ya d j u s t i n gp a r a m e t e r o fm o d e l sc o n t i n u a l l y a tl a s tc o m p a r e dw i t h1 一dm a t h e m a t i c a lm o d e lt o r e l i z et h ef e a s i b i l i t yo ft h e b p n e u r a ln e t w o r k sm o d e l i nk a r s t g r o u n d w a t e r t h eb pn e u r a ln e t w o r km o d e li so n l yw i t ha r te y et ot h er e l a t i o n s h i p o fd a t a si m p o r ta n do u t p o r t ，b u tn e g l e c t i n gt h ei n h e r e n tm e c h a n i s m t h e r e f o r et h em o d e ls i m p l i f yt h ep r o c e s so fm o v m e n to fg r o u n d w a t e ri n k a r s ta r e 8 i to f f e r sr e a s o n sf o rc o n t r o l i n gk a r s tg r 伽n d l ，a t e rl e a k a g e o ft h es l a gy a r d k e yw o r d s ：k r a s t ：t h ep r e d i c t i o no fg r o u n d w a t e rl e a k a g e ；卜d m a t h e m a t i c a lm o d e l ：乩盯l a b ：b pn e u r a ln e t w o r k 贵州大学硕士学位论文 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 第一章绪论 1 1 岩溶( k r a s t ) 概述 我国是世界上岩溶最发育的国家之一，岩溶分布较广泛，类型较多。全国 岩溶面积约3 3 4 x1 0 4 k i n 2 ，约占全国土地总面积的l 3 ，其裸露面积为9 0 7 x 1 0 4 k m 2 ( 雒征等，2 0 0 5 ) 。岩溶地质工作者根据我国岩溶发育规律、发育程度、 组合类型和形态等，将我国岩溶划分为北方岩溶、南方岩溶、西部岩溶三大类， 秦岭、淮河以北的为北方岩溶区，出露面积为1 5 1 0 4 k i n 2 ，占全国岩溶出露面 积的l 6 ；以贵州为中心的云南、四川、广西、湖南、湖北和重庆等省区市构成 了西南岩溶区，位于长江和珠江流域的上游，是世界上最大的岩溶裸露连片区， 面积约6 2 万k m 2 ( 中国科学院学部，2 0 0 3 ) 。 。 贵州是西南岩溶区典型的喀斯特区域，是我国碳酸盐岩石分布的主要地区 之一贵州位于长江和珠江两大分水岭地段，为云贵高原的组成部分，平均海 拔1 0 0 0 m 左右，西高东低，并分别向南向北倾斜( 鄢贵权等，1 9 9 3 ) 全省平 均温度l l 1 9 之间，年平均降水量为9 0 0 1 5 0 0 m m 。贵州全境除东部以外， 寒武系至三叠系的碳酸盐岩分布广泛，总厚度在3 0 0 0 1 2 0 0 0 m 之间，分布面 积为1 2 7 万k m 2 ，占全省总面积的7 2 ，岩溶十分发育，岩溶分布面积超过全 省面积的2 3 ，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，占全省面积的1 ，3 ；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1 ，5 ；碳酸盐岩及碎屑盐岩裂隙岩溶水分布面积也大约为全省面积的l 5 ( 鄢贵权等，1 9 9 3 ) 。 1 2 论文研究背景 地下水流动与污染物运移是一个复杂的水动力弥散过程，也就是说我们不 能够直接观察到地下水和污染物在哪几流，以多快的速度流动，以及含水层水 文地质参数的空间变化。而实际上，人们在开始的时候仅仅知道可能的污染源 ( 例如垃圾场，工业废水排放点，农药或化肥的面上污染等等) 和在井水、泉 水或观测井中检测出的污染物。我们最想知道的是地下水和污染物在地下的空 纨； ll，： 产 j * 贵州大学硕士学位论文 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 间分布，地下水和污染物自补给区或污染源能否运动到达开采区、目标区或到 达开采区、目标区的时间，开采量和污染物运移与地下水水位的关系，以及其 随着时间的变化动态。为了达到这样的目标，科学工作者进行了大量的野外勘 察和研究，以期掌握地下水流动和污染物在时间和空间上的分布特征与规律。 而长期以来这一科学问题仍然无法得到满意的解决其中的主要原因之一是含 水层结构的非均质性及其参数的不确定性。因为人们只能根据有限的地质和水 文地质勘探资料来分析和研究含水层系统，并发现利用传统的描述均质含水层 系统的理论来分析通过不同的钻孔进行的抽水试验所得到的参数不同。水文地 质学界一直在寻求一种能够更合理描述含水介质非均质以及系统参数分布的理 论与方法。 由于岩溶环境的复杂性、多重性，致使对岩溶地下水的研究面临重大的困 难。岩溶地下水最基本的特征是含水介质的不均匀性，因为岩溶地下水是在不 同规模、不同形状，并具有不同组合及连通程度的地表、地下岩溶形态中储存 和运动，因而受地质、地形、气候及其综合反映的水动力条件所制约岩溶含 水介质中的水流，具有裂隙流与管道流并存；层流与紊流并存；线性流与非线 性流并存；连续流与孤立水体并存的特性介于岩溶地下水的这种特性，不完 全符合地下水动力学条件，给水文地质研究工作带了很大的困难。 目前，随着工业、农业的不断发展，城市人口增加，排污量和工业废渣量 逐步加大，地下水的污染日趋严重，不仅给城市供水造成了困难，还影响到某 些工业产品的质量，并造成能源的浪费。在岩溶山区建立工业废渣库，特别是 在裸露型和半裸露型地区，由于运行和保护处理不当，产生严重的岩溶渗漏污 染问题，如赤泥库岩溶污染问题造成的碱污染；磷石膏库岩溶渗漏造成的磷污 染；盐泥库岩溶渗漏造成的硫酸盐污染等( 丁坚平等，1 9 9 8 ) 污染问题十分严 重，主要表现为：l 、对岩溶泉、井的污染，使地下水无法引用；2 、对水库、 湖泊的污染，除对供水水源地产生直接影响外，严重的会造成鱼类的大量死亡； 3 、对山区间河流的污染，影响了水电站的安全运行；4 、污染治理的技术难度 较大。因此全面分析工业废渣库引起的渗漏污染形式，污染特征及引起的污染 效应，进行污染预测和评价，是岩溶水资源环境保护和污染治理的迫切任务( 丁 坚平等，1 9 9 7 ) 。、 2 f 产ll， 贵州大学硕士学位论文摆纪礴石膏堆场岩溶渗漏污染预测 1 3 论文研究的耳的和意义 本文研究的目的在于通过对岩溶地下水渗漏污染情况的研究，运用新的、 简便的方法和手段，对岩溶地质条件复杂地区，地下水中物质运移的规律进行 模拟和预测，为岩溶水资源的保护和治理起到一定的实际作用。 对岩溶地区地下水渗漏污染进行研究，首先重视了环境污染问题。水环境 问题是人类2 l 世纪面临的重大问题之一，尤其是在岩溶山区，岩溶水系统的抗 污染能力差，岩溶水资源环境十分脆弱，极易受到污染，影响了社会工业的发 展和人类的居住生活。其次，由于岩溶地区地质条件非常复杂，一般的地下水 污染模型不适合这类地区，而本文提出的利用m a t l a b 神经网络建立的岩溶地 下水渗漏污染模型，不仅减少地下水动力弥散有关参数的求解，并且有效地简 化了岩溶地区地下水溶质运移的过程。因此对贵州岩溶地区进行工业废渣库引 起的岩溶渗漏问题，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 具有指导和实际的意义 1 4 摆纪磷石膏堆场概况 瓮福磷肥厂于1 9 9 9 年建成投产，总投资3 7 1 2 亿元，是我国大型磷肥生产 企业，年产磷酸7 0 万吨，磷铵1 6 8 万吨，排放磷石膏3 3 6 万吨，采用管道将磷 石膏输送到磷肥厂以东约3 1 0 n 的堆场，堆场位于马场坪镇北东方向约2 公里处。 排放的废水是以磷石膏为主的多种类、多成分的浆液状废渣，废渣排放量大， 成分复杂，污染性严重( 如照片1 ，2 所示) 堆场位于三叠系青岩组碳酸盐岩 地层中，地质构造较为复杂，岩溶发育，存在岩溶渗漏，造成对周边地下水和 浪坝河的污染，并导致下游重安江和清水江的污染。 照片1 瓮福磷肥厂磷石膏堆场捧浆 照片2 瓮福磷肥厂磷石膏堆场 3 气f j 一 。 筏 善 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 1 5 国内外研究现状 目前，世界各国对地下水污染问题都十分重视，在研究地下水污染物运移 的过程中，新的理论和技术不断的演变和发展，从过去的解析解法发展到数值 解，通过数值模拟，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( 丁坚平等，2 0 0 3 ) 。 地下水数值模拟是基于地下水系统概念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，从而深化了对地下水系统特性 的认识( 丁继红等，2 0 0 2 ) 。自8 0 年代初，地下水系统的数值模拟技术在我国 逐渐得到发展。二十多年来，随着计算机和数值方法的发展数值模拟逐渐取代 传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段， 而且发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有范畴，成为模拟水文地质过 程、发生、发展演变规律的主要方法( 薛禹群等，1 9 9 9 ) 。 国外，在地下水研究中应用数学模型早在上个世纪初已开始，但把数学模 型应用于地下水水质模拟研究则是在六十年代以后。美国在这一领域上发展尤 为迅猛，其中研究最早的是美国学s e h r o e d e r 等研制的。地质填埋场水力学评价 模型”即h e l p 模型( 1 9 8 4 年) ，该模型抓住了垃圾填埋场中垃圾渗虑液量的 大小是对地质环境影响程度的关键因素，给出了不同结构组合下垃圾填埋场中 垃圾渗虑液量的估算方法。目前，世界上已有很多国家开展了次项目的研究， 建立了预测性的地下水质模型在理论方面，解析法、有限差分法、有限元法、 边界元法、有限分析数值法等都在地下水定量计算与评价中得到了广泛的应用。 现在地下水水质模型方面的计算机软件也日益增多，应用日趋广泛。 国内，地下水污染问题日益突出，而地下水质模拟起步比较晚。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 ) e v e n d e rh a j d e 分类中的所有 模型，即预报模型( 包括水流模型、热量运移模型、变形模型、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 0 j 贵州大学硕士学位论文 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 最新的计算机实验方法，将模拟方法和最优化法结合，制定系统中的最佳组合 方式 1 6 研究内容及技术路线 本文以摆纪磷石膏堆场为研究对象。运用m a t l a b 神经网络对其磷石膏渗 漏污染地下水预测进行数值模拟，该网络模型着眼于输入的激发所产生的输出 响应，而不管含水层内部结构及水流动态，将其视为一个“黑箱0 建立了地下 水渗漏污染预测的模型，了解了该地区的地下水流动和污染物在时间和空间上 的分布特征规律，为预防磷石膏堆场渗漏污染地下水系统提供了分析依据。本 论文研究的主要内容主要包括：利用m a t l a b 的b p 神经网络建立摆纪磷石膏 堆场岩溶地下水渗漏污染预测模型，通过观测资料对模型进行校正与检验，并 与一维解析解法对堆场的渗漏污染预测结果进行对比，实现该堆场岩溶渗漏污 染的预测。本文的技术路线如图1 1 所示。 5 摹 亡 毒 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 图1 一l技术路线示意图 6 f 毒 6 ： 一 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 第二章摆纪磷石膏堆场环境地质条件分析 2 1 气象 摆纪磷石膏堆场交通位置如图2 1 所示 调查区属于亚热带季风气候，具有温和湿润，夏无酷署冬无严寒的特点。 多年平均气温达1 4 7 ，最高气温3 6 4 1 2 ，最低气温- 8 8 1 2 ；相对湿度一般为 8 0 左右；多年平均降雨量为1 1 7 6 n u n ，最高年降雨量为1 4 0 3 m m ，最低年降雨 量7 9 3 5 m m ；多年平均蒸发量为1 1 4 7 9 r a m ，历年最高蒸发量1 2 6 1 4 r a m ，历年 最低蒸发量1 0 2 0 5 m m 降雨集中于4 月中旬到9 月，占年降雨量的7 4 8 7 ， 1 0 月到翌年4 月上旬为早季。旱季最小降雨量为7 3 1 n u n ( 四个月之和) ，雨季 最高降雨量为1 2 7 4 2 m m ( 八个月之和) 。 2 2 水文 福泉县属于长江流域，县内东南部的河流属沅江水系，西北的河流属乌江 水系。马场坪堆场区属沅江水系，主要有阿里堡河、鱼梁河、浪坝河等三条河 流( 见福泉县水系分布图2 - 2 ) 。 阿里堡河又称米汤河或石板河，发源于瓮羊水库，经过甘粑哨及马场坪堆 场的西南汇入鱼梁江，全长约l o k m ，主要用于农田灌溉。 鱼梁江是福泉县主要的一条河流，由西南黄丝流入县境，自南面北流经堆 场西部，至三江口同后河、围阴河汇合后折向东，最后汇入翁马河，向下于姐 妹岩进入黄平境内。工作区内长约1 6 k m ，落差1 8 0 m ，平均坡降1 1 2 。沿途 汇入的一级支流除阿里堡河、沙河、围阴河外，还有平堡河、皮冷河、浪坝河 等。 。 浪坝河指三江口至毛栗树河段，常水位7 8 4 7 8 6 m 。据福泉县水文站资料， 枯水期平均流量2 9 m 3 s ，洪峰达7 2 4 8 8m 3 s 以上，为摆纪堆场地下水的排泄基 准面。 一 7 ，lj。 堡型查兰堡主兰垡丝苎 堡丝堡互! 苎堑墨整望塑堡銎翌塑 !苎!兰!三5 ( 公里 图2 1 摆纪堆场交通位置图 8 贵州大学硬士学位论文摆纪群石膏堆场岩溶渗漏污染预测 2 1 2 ( 公里) 图2 2 福泉县水系分布图 9 ，t i 贵州大学硕士学位论文 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 2 3 地形地貌 堆场四周区域属于低中山区，主要由岩溶峰丛洼地、溶丘洼地、侵蚀谷地 等多种地貌组成，山势主要呈近南向北展布与构造线基本一致阿里堡河、鱼 梁江、浪坝河依次从堆场的南、西、北流过，呈大半圆形绕过场区外围，场区 东面为毛栗树峰丛洼地，因此区域上为四周低洼，中间高耸的河问地块。摆纪 堆场位于该河间地块的东南，为一剥蚀溶蚀山间谷地。山顶标高一般为1 0 3 0 1 0 5 0 m ，最高峰顶为上摆纪坡山峰，标高为1 0 6 4 m ，谷地底部标高一般为8 9 0 9 0 0 m 。 。 l 、峰丛洼地：主要分布于测区的东北，在测区的南部和西南也有少量的分 布。发育于法郎组、青岩组二段、关岭组以及长兴组的石灰岩上，是地下水、 地表水沿灰岩节理和裂隙等各种软弱部分不均匀岩溶作用的结果。峰顶标高多 数为1 0 0 0 1 0 6 0 m 左右，与底部洼地高差4 0 8 0 m 。峰体呈缓圆锥状。峰丛洼 地内，溶洞、落水洞、岩溶洼地发育。摆纪堆场为一向南东分岔的不对称的裤 衩形洼地，洼地底部发育有落水洞群。 2 、侵蚀谷地：分布于测区中部的马场堡城关堡一带，呈北北西向展布。由 青岩组一段页岩、泥岩及其冲洪积松散沉积构成，谷地宽敞，起伏平缓。 3 、溶丘洼地：分布于测区西部坪山至马场坪一带，基岩为大冶组、安顺组 的灰岩和白云岩。以溶丘为主，溶丘顶面标高一般为9 0 0 9 3 0 m ，洼地底部标 高8 6 0 8 9 0 m ，相对高度4 0 6 0 m ，一般l o 3 0 m ，溶丘呈圆台状，顶部比较平 缓。 4 、溶丘谷地：主要分布在测区西北三江1 3 至五里桥一带河流两侧。 2 4 地层岩性 据磷石膏堆场详勘报告，堆场内除西部有少量的上二迭统地层外，主要为 三迭系中下统地层，第四系呈另量分布除二迭系与三迭系地层为断层接触外， 三迭系各组、段地层均为整合接触( 见表2 1 ) 地层总体呈南北向，展布与 山势方向一致。各地层从老到新简述如下： ( 一) 二迭系上统长兴组( p 2c ) 分布在测区西部洒金桥断层以西，岩性为灰、深灰色中厚层、厚层含燧石 结核细晶灰岩，上部局部夹劣质煤层。测区内未见底，顶部因断层作用缺失， 1 0 贵州大学硕士学位论文 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 与上覆三迭系大冶组，安顺组及关岭组均里断层接触，出露厚层 l o o m 。 ( 二) 二迭系下统 l 、大冶组( t 。d ) ：分布在测区西南部洒金桥断层东侧的石板河羊场坪一 马场坪火车站一带。岩性为涛灰、灰色薄板奖细晶灰岩。因断层作用该组地层 下部缺失，出露厚层 l o o m 。靠近断层带附近，岩石牵引揉皱明显 2 、安顺组( t 。8 ) ：分布在测区西南的坪山一沙井一羊基堡一大庄一带。岩 性主要为灰、浅灰色厚层块状细晶白云岩夹薄层泥质白云岩，岩石节理发育， 风化后里白云砂，是良好的建筑用砂材料。厚度5 0 1 5 0 m ( 三) 三迭系中统 l 、青岩组( t 2 q ) ：出露于堆场中南部的大路坪一马场堡一下摆纪一城关堡 一向家桥一木老冲一千榜一带。岩石相变明显，相交线东起熊家院，西至坪山 上，呈近东西向分布根据岩性特征自下而上分为三段。 ( 1 ) 青岩组一段( t 2 q 1 ) ：岩性为灰绿、黄绿色页岩、泥岩夹少量薄层、中 厚层泥质灰岩。地层呈向南突出的弧形展布，是摆纪堆场外围半封闭的良好隔 水层，该层向北延伸熊家院一上乐岗一下乐岗一带相变为关岭组灰色厚层块状 灰岩，厚度4 8 0 m 。 ( 2 ) 青岩组二段( t 2 q 2 ) ：位于青岩组一段东北侧，北起大路坪向南径大坡 坪、冲口塘、摆纪坡、梅子坳、大自岩呈向南凸出的弧形展布。岩性主要为灰 色厚层块状细晶灰岩夹薄层、中厚层的细晶灰岩和少量的泥质灰岩。岩石坚硬、 基岩裸露、石芽、溶沟、溶槽、溶洞、落水洞发育。厚8 4 5 5 m 。 ( 3 ) 青岩组三段( t 2 q 3 ) ：分布于青岩组二段东北侧，岩性为紫红色、灰绿 色页岩、泥岩，局部夹泥质粉砂岩和泥质灰岩。厚7 4 5 5 m 。 2 、关岭组( t ：g ) ：分布于堆场北部相交线以北的金鸡山、豆腐桥、道塘、 雷家山一带，层位相当于相变以南的青岩组一段和青岩组二段。岩性主要为灰 色厚层块状细晶灰岩和细晶白云岩，岩石坚硬、基岩裸露、石芽，溶沟、溶槽、 溶洞、落水洞发育。 3 、法郎组( t 2 f ) ：分布堆场东部的鸭草坝电站、独田、鞍甲坪、下摆朗一 带。根据岩性组合特征分为两段，第一段又分为两个亚段。 ( 1 ) 法郎组一段下亚段( t ：f “) ：下部为灰色、黄灰色薄层灰岩，泥质灰 岩，上部为灰色薄层瘤状灰岩、泥质灰岩，厚1 0 2 8 4 m 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 ( 2 ) 法郎组二段( t 。f 2 ) ；岩性为灰色厚层块状中厚层和薄层细晶灰岩，岩 石坚硬、岩溶洼地、落水洞发育，厚度 1 0 0 m 4 、第四系( q ) ：大片全覆盖的第四系主要分布在堆场的中南部沙井一马场堡一 城关堡一茶叶山一带的侵蚀谷地中，岩性主要为灰黑色的耕植土和红粘土，最 大厚度约1 0 m 。此外在堆场内还有零星分布。 表2 一l调查区地层岩性表 地层厚度 系统地层名称岩性，她貌及地质特征 代号 ( - ) 第四系q o 一1 0 灰黑色耕植土及砖红色粘土、亚粘土。 浅灰色厚层块状细晶灰岩，地貌呈高台 二 t 2 ， 1 0 0地，基岩裸露，岩石坚硬，溶洞落水洞发 段 法育，为岩溶裂隙一管道水强含水岩组。 上上部为灰色薄层瘤状灰岩，中下部为灰色 由 郎亚t 2 f h 1 0 2 8 - 段 4 薄层细晶灰岩尖泯质灰岩，地貌星高台地 和斜坡，为岩溶裂隙水中等含水岩组。 = 组 段下 中上部为紫红色页岩、泥岩、泥质粉砂岩， 亚t 2 f 1 47 2 4 1底部为黄褐色中厚层砂岩，为裂隙水弱含 段 水岩组，地貌为斜坡 紫红色页岩，泥岩夹灰色薄层泥质灰岩， 三段伽5 7 4 5 5 地貌上为缓坡，为相对隔水层( 调查区内 青上隔水层) 。 迭 灰色厚层块状夹中厚 灰色厚层块状细 岩 ，_ 层薄层细晶灰岩，溶 晶灰岩褐细晶白 统 关耐 8 4 5 5 洞、落水洞发育，为 段云岩，溶洞、落水 组 岭 岩溶裂隙管道水强 组 含水岩组 洞发育，为岩溶裂 一萤绿色页岩泥岩，为 隙一管道水强含 系 t 对 4 8 0 水岩组 段调查区内下隔水层。 5 0 一1 0 灰色厚层块状细晶白云岩，局部夹薄层泥 下安顺组 t a 质细晶白云岩，表层风化严重，风化后呈 o 白云砂，为岩溶裂隙水中等含水岩组。 统 涛灰色薄板状细晶灰岩，因断层作用底部 大冶组 t d 1 0 0 缺失为岩溶裂隙水中等含水岩组。 上 深灰色厚层含大燧石结核细晶灰岩因断 二迭系长兴组 p c 1 0 0 层作用顶部缺失，为岩溶裂隙水中等含水 统 岩组。 1 2 贵州大学硕士学位论文 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 2 5 地质构造 根据贵州区域地质志，调查区在区域上构造单元属于扬子准地台，黔南台 陷，贵定南北向构造变形区内的都匀复向斜北端。 调查区内地质构造总体比较简单，褶皱表现为一向斜构造( 马场坪向斜) ， 向斜西翼较完整，东翼多半延出图外，向斜走向n n e _ - s s w ，开阔对称，两翼地 层倾角较缓，一般2 0 。3 0 4 。核部地层为法郎组二段厚层块状灰岩，两翼依 次为法郎组一段和青岩组。安顺组和大冶组仅在向斜西翼出露。向斜轴线北起 浪坝河右岸的河坎泉( s 。) ，向南西至鞍甲坪枢纽卯起，枢纽倾向n e l 5 。，倾 角5 。1 5 。由于枢纽向南西卯起，向斜转折端地层呈向南西凸出的弧形弯 曲。拟建的摆纪堆场位于靠近该向斜南西转折端的北西侧。较大规模的断层仅 在调查区西部见到一条一洒金桥断层，断层走向近南北，南起团坝山，向北 径杨柳枰、北石坡、三度切过鱼梁江，经兴山坪切过围阻河后延出图外，调查 区内长7 5 k m 。断层，面向东倾，倾角约8 0 。断层下盘为上二迭统的长兴组 灰岩；断层上盘由南至北依次为三迭系大冶组灰岩、安顺组白云岩、关岭组灰 岩和白云岩等。断层性质为一高角度的正断层。由于该断层作用，使上二迭统 的大隆组硅质岩，长兴组的顶部及三迭系下统大冶组的下部地层缺失( 见附图 1 - - 区域水文地质图) 2 6 岩溶 堆场区域属于裸露型岩溶山区，受大气降水的直接补给岩溶发育规律受 地层岩性、地下水、地质构造及地形地貌等多种因素控制。根据摆纪磷石膏堆 场详勘报告，描述如下： 2 6 1 地层岩性是控制岩性发育的主导因素 堆场岩溶发育的强弱受岩性控制极为明显，从强到弱的依次顺序大体为： 灰岩一白云岩一自云岩夹泥质白云岩一含燧石团灰岩一含泥质灰岩一泥灰岩。 岩溶最为发育的灰岩、白云岩常构成强含水层，如t 2 9 、l f 、t 2 q 2 。岩溶较为发 育的白云岩夹泥质白云岩、含燧石团块灰岩、含泥质灰岩、泥灰岩常构成中等 含水层。如p 2 c 、t 。d 、t 。8 、t 2 f ” 岩溶发育的砂岩常构成弱含水层，如t 2 f l - 1 。起阻水作用的泥岩、页岩常构 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 成相对隔水层，如t 万、t = q 3 。 2 6 2 岩溶发育受地质构造的控制 地质构造不仅控制岩溶的发育程度，而且还控制岩溶发育的深度和方向 如测区东部为一宽缓向斜，轴向为n n e 向，使核部的岩溶地下水具有向轴部汇 流的特点，并沿纵张裂隙向n n e 方向径流，补给s 。河坎泉，s 。为该岩溶地下水 的总出口，排入浪坝河 2 6 3 岩溶发育受地形地貌的影响 由于地壳间歇性的抬升，使调查区具有层状岩溶地貌的特点，致使岩溶发 育随时问而演变发展，导致由水平方向垂直方向上的差异性。例如堆场附近的 独田至摆郎一带，表现为高台地，标高为1 0 0 0 m 左右。地下水以垂直渗透为主， 遇相对隔水层的阻隔，溢出地表成泉。例如，s 3 双眼井，位于上下台地的过流 带，标高9 4 5 m ，5 月流量0 7 5 l s ，终年不干，发育于浅灰色薄一中厚层瘤状 泥灰岩中。堆场一带表现为低台地地貌，地下水以水平作用为主，长距离向北 径流，向浪坝河排泄。 在岩性、构造、地貌、水文及水文地质条件等众多因素综合作用下，本区 的岩溶发育见下列特征： i 、受地层岩性控制，岩溶发育具有明显的分区性，可溶岩越纯则岩溶越 发育，其岩溶形态发育规模越大，厚层块状可溶岩多呈石林地貌，在堆场坝址 附近特别典型。 2 、岩溶发育在水平面展布上受地形地貌的制约，在缓坡地带和正地形部 位多呈水平岩溶形态为主，在洼地、谷地及负地形部位多以垂直岩溶形态为主。 3 、在构造运动作用下，本区岩溶发育在垂向上里明显的分带性，在测区 内9 8 0 1 0 0 0 m 标高以上呈水平岩溶形态为主、在8 5 0 9 8 0 m 标高范围内一般多 以垂直的落水洞、竖井等岩溶形态为主；在8 5 0 m 标高以下的当地岩溶发育下限 多以水平溶洞及岩溶管道等岩溶形态为主 2 7 地震 据中国地震动参数区划图( 6 8 1 8 3 0 6 - - - 2 0 0 1 ，1 ：4 0 0 万) ，区内地震运动 峰值加速度为0 0 5 9 ，地震运动反应谱特征周期为0 3 5 s ，地震基本烈度为6 度 1 4 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 第三章摆纪磷石膏堆场渗漏性分析及评价 堆场出露岩性主要以碳酸盐岩中的灰岩和白云岩为主，其次为碎屑岩中的 砂岩、泥岩和页岩。地下水类型主要以岩溶裂隙一管道水、岩溶裂隙水为主， 其次为基岩裂隙水、风化裂隙水、松散沉积物孔隙水。根据堆场的各层位的含 水介质特征以及所处的地质构造部位，划分出堆场的相对含水岩组和相对隔水 层，根据含水岩组和隔水层的分布特点划分出堆场的三大地下水系，并对堆场 的渗漏情况进行分析和评价。 3 1 含水岩组与隔水层岩组的划分 3 1 1 含水岩组 1 、长兴组( p 2 c ) 岩溶裂隙水中等含水岩组 该含水岩组主要岩性为灰、灰黑色灰岩，以及含燧石团块灰岩，贮水空间 以裂隙为主，泉点较少，流量也不大，地下水流向由南至北。 - 2 、大冶组( t 。d ) 岩溶裂隙水中等含水岩组 该含水岩组因t , d 与p 2 c 为断层接触，故未见p , d 和t l d 下段岩性，岩层多 北断层牵引、揉皱。主要岩性为灰、浅灰色薄板状一中厚层状灰岩，白云质灰 岩，层面裂隙发育，倾角较小，地下水主要是层面裂隙顺层补给，泉点流量较 小，主要为岩溶层面裂隙水，地下水流向由南至北。 3 、安顺组( t ，a ) 岩溶裂隙水中等含水岩组 该含水岩组主要岩性为浅灰色、粉红色中厚一厚层状细晶白云岩，偶夹薄 层灰岩及页岩，表层风化严重，多呈褐黑色，显刀砍状，层理不清，已风化成 白云砂和强度极低的白云岩团块。贮水空间以浅层裂隙水为主，泉水分布较少， 流量不大，大多小于1 l s 。据河坎附近的z 钻孔揭露，孔口标高8 8 0 m ，孔深 2 6 2 3 4 m ，静水位0 7 5 e ，含水层渗透系数0 8x 1 0 。c m s 。 4 、青岩组二段( t 2 q 2 ) 岩溶裂隙一管道水强含水层 该含水岩组，主要岩性为浅灰色中厚层、厚层细晶灰岩，呈条带状展布 地貌形态为峰丛洼地、槽谷、溶沟、溶槽，以及呈串珠状发育的溶洞和落水洞， 岩层大都裸露地表，大气降水可直接补给地下水，岩溶裂隙一管道十分发育， 地下水集中径流特征明显，含水性极不均匀，个别泉点流量可达2 0l s ，经地 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 下水连通试验资料证明，地下水流向由南至北，排入北部的浪坝河。 5 、关岭组( t ：g ) 岩溶裂隙一管道水强含水层岩组 该含水岩组，主要岩性为浅灰色中厚层一厚层状细晶白云岩，浅灰色中厚 层状细晶灰岩和泥质灰岩等。地貌多为河谷边岸岩溶地貌的峰丛山地、洼地、 漏斗、落水洞、石林、石芽、溶沟、溶槽，岩溶裂隙一管道十分发育，地下水 集中径流特征明显，地下水流向由南至北，含水性极不均匀。个别泉点流量较 大，如豆腐桥泉流量为2 5l s 。为多个岩溶洼地和落水洞地下水的集中排泄点。 6 、法郎组一段下亚段( t ：f “) 裂隙水弱含水岩组 该含水岩组，呈条带状展布。主要岩性为紫红色中厚层细砂岩夹泥、页岩、 地貌多表现为斜坡缓坡，地水贮存砂岩的基岩裂隙之中，泉点稀少、流量小、 大都在0 0 1l s 左右 7 、法郎组一段上亚段( t 。f “) 岩溶裂隙水中等含水岩组 该含水岩组里条带状分布，主要岩性为浅灰白色薄一中厚层含泥质灰岩， 瘤状泥灰岩，金连状和球状风化明显地貌多表现为陡坡和斜坡。地下水多贮 存在层面裂隙和构造裂隙中，顺层流动特征明显，总体流向为由南至北，泉点 一般流量在0 5l s 左右，最大流向可达4 7l s 、 8 、法郎组二段( t 2 f ) 岩溶裂隙一管道水强含水岩组 该含水岩组主要岩性为浅灰色、灰白色中厚层一厚层状细晶灰岩。地貌多 表现为高台地，台地上多发育岩溶荒漠、岩溶洼地、落水洞、溶沟、溶槽、石 芽。地表露头较少。据物探资料，岩溶裂隙一管道多发育在9 1 8 m 以下的深度。 据z k 9 号钻孔资料，孔深3 6 m ，水位3 1 4 3 m ，钻进过程中，孔内一直严重漏水， 钻穿t 2 f 2 岩层后，在t z f l 岩层才见地下水位，压水试验计算结果，渗透系数为 5 4 1 7l s 。地下水主要沿向斜轴自南西向北东流动，s 1 6 河坎泉为该区的总出 口。 3 1 2 相对隔水层 ，1 、青岩组一段( t d ) 相对隔水层 该相对隔水层主要岩性为紫红色泥岩、页岩、偶夹泥灰岩，其上局部被第 四纪沉积物覆盖，出露的厚度和宽度都较大，起着明显的隔水作用，构成分隔 地下水的边界，有时虽然在泥灰岩中出露小泉，但流量小，多在0 0 2l s 左右， 1 6 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 有的还是季节泉。 2 、青岩组三段( t 汀) 相对隔水层 该相对隔水层主要岩性为紫红、灰黄、灰绿色、页岩、泥岩、偶夹紫红色 中厚层砂岩。地貌多表现为缓坡、陡坡和洼地。呈迢带状展布，起着明显的隔 水作用，构成分隔地下水的边界。 3 2 地下水系的划分 由于测区具有含水层组与相对隔水层相间分布的特点，西部深切的鱼梁江 和北部深切的浪坝河又构成该区的岩溶排泄基准面，这就控制着地下水按区域 性发育。为此，该区域地下水可划分为三大地下水系，即沙井地下水系、摆纪 地下水系和独田地下水系( 图3 一1 ) 图3 - - 1 调查区地下水系划分示意图 l 、沙田地下水系 位于测区西部，发育于t 2 9 岩溶裂隙管道水强含水岩组中。地下水沿向 斜轴向西西南方向流，途经y 册落水洞，于k 落水洞出，初给石板河与摆纪 地下水有厚度巨大的t 2 q 1 相对隔水层阻隔，它们之间无地下水力联系，堆场的 渗漏水不会补给给沙井地下水系 2 、摆纪地下水系 位于测区中部，发育于t 2 q 1 岩溶裂隙管道水强含水岩组中地下水自南 向北迳流，于s 。泉群出口，初给浪坝河。沿途经摆纪堆场中的l 、y 5 y 。落水 1 7 堡型奎堂塑主竺垡堡塞 摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 洞，野猫洞，y i 、y 。、k 、y ，落水洞。两侧有相对隔水层的阻隔，成为独立的 地下水系。由于堆场建立于摆纪一带，该地下水系成了评价堆场渗漏量重要的 部分。， 3 、独田地下水系 位于测区东部，发育于t 。f 2 岩溶裂隙管道水强含水岩组中。受向斜地质 构造控制，地下水沿向斜轴向北北东方向汇流，主要水系途经独田s 。泉，y 。落 水洞，毫子坡，y 。、y 。y 。落水洞，于s 。河坎泉出，站给浪坝河，与摆纪地下 水系的隔水边界是t z 9 3 相对隔水层 3 3 堆场渗漏性分析及评价 3 3 1 堆场运行前渗漏性分析及评价 堆场库首为t 蚂2 浅灰色中厚层灰岩，库区及库尾大面积出露t ：q 3 紫红色泥、 页岩夹砂岩。补给库区的有s 。、s 。、s h 、s 。泉，渗漏点有h 、y 、y ，落水洞河 y 5 落水洞群 ， s 。：双眼并下降泉，位于上摆纪5 0 。4 0 0 m 处，x = 5 8 0 0 ，y = 4 8 6 2 ，标高9 4 5 m 。 发育于t 2 f ”浅灰色薄一中厚层链状泥灰岩中，链状风化明显泉分别由路两旁 的泉眼流出，故得名两眼井，为一小型断层接触泉，断层破碎带通过南侧泉， 断层产状1 7 5 。z 6 5 。北侧泉有一大节理通过，产状2 8 8 。z 6 9 。，宽3 a m ， 无充填。岩层产状7 1 。2 4 。，产状较稳定为摆纪一带的主要灌溉水源，供 摆纪及行人饮用。水清质好，无色透明1 9 9 2 年5 月8 日三角堰测流流量 0 7 5 w s ，2 0 0 5 年4 月所测流量为1 2l s 。泉水终年不干，属岩溶地区较稳定 泉。 s 。：下摆纪碾房边下降泉，位于下摆纪s e e 2 0 0 m 处，x = 5 7 5 7y = 4 8 7 6 ， 标高8 9 5 m 。发育于t 2 9 3 紫红色泥灰岩中，水质良好，气温2 8 ，水温1 9 c 。供 下摆纪饮用，以及上、下摆纪的田土灌溉，无污染。1 9 9 2 5 6 三角堰测流流量 0 0 1 6 l s ，泉水终年不干，q 枯为0 o l l s ，q 洪为2 5 1 l s ，平期流量为0 0 2 l s ， 动态较稳定。 s u , 盐井湾下降泉，位于下摆纪e 1 6 0 m 处，x - 5 7 7 0 ，y = 4 8 7 9 ，标高9 0 3 m 。 发育于t ：f “紫红色砂岩与t 2 9 3 紫红色页岩交界处。泉水清澈见底，水质好，气 温2 8 ，水温1 8 ，泉水流处后，分两股水流入沟，1 9 9 2 5 6 三角堰测流流 贵州大学硕士学位论文摆纪磷石膏堆场岩溶渗漏污染预测 时0 2 5 l s ，泉水中年不干，q 枯为0 0 5 l s ，q 洪为2 6 l s ，平期流量为0 i l s ， 供上、下摆纪的田土灌溉，无污染。 s 。：摆纪下库下降泉，位于上摆纪南水库东侧，x = 5 7 8 9 ，y = 4 8 0 9 ，标高 8 9 0 m 。发育于t ：f ”浅灰色薄一中后层泥质灰岩与t ：f “紫色红色砂岩、砂质泥 岩交界线。水质较好，供上摆纪引用，并己成为库，无污染。1 9 9 2 6 2 0 三角 堰测流量0 2 5 l s ，终年不干，q 枯为0 i l s ，q 洪为3 5 l s ，平期流量为0 2 l s 。 经调查，认为该堆场废水不会向邻近的沙田地下水系和独田地下水系渗漏。 沙田地下水系虽然处于低处，但因为它们之间有厚度达4 8 0 m 的，稳定连续的 t 2 9 1 相对隔水层存在，隔阻了地下水的水力联系，无渗漏发生。东侧的独田地下 水系处于高处的高台地，它们之间有稳定连续的、厚度达7 5 m 的t 2 9 3 相对隔水 层存在，故无渗漏发生。综合分析认为唯一的渗漏途径是通过堆场内渗漏落水 洞，沿摆纪地下水系顺t 岔强含水岩组向北渗漏，于s “周家湾泉群排出，补给 浪坝河。堆场内的主要渗漏落水洞有： l ：摆纪槽谷落水洞，位于摆纪s e i o o m 处的油菜田旁的水沟地，x = 5 7 4 3 ， y = 4 8 7 4 ，标高8 7