（环境工程专业论文）贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究.pdf

贵州大学硕十学位论文 贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 摘要 贵阳大干沟地区岩溶地下水被工业废水污染，地下水中磷、氟含量较高， 超过地下水和地表水国标i i i 类水质标准几十上百倍。通过对大干沟地区近两 年的水文地质调查、勘探和监测工作，分析了研究区岩溶含水系统的含水特性、 地下水的补径排规律和地下水动态特征，由此确定了马鞍山磷石膏堆场 w 岩溶含水单元受磷、氟污染严重，并查明了造成该地区岩溶地下水污染的 污染源为贵州某磷肥厂磷石膏堆场和老污水池。 根据对磷石膏在降水淋溶、浸泡以及自身压实固结作用下，其物理化学、 力学、渗透性等特征，以及废渣中残余物质的淋溶释放机理的分析，建立了其 淋溶释放模型，淋滤液中的磷的浓度与液固比的自然对数呈负相关，在降雨淋 溶作用下磷石膏堆场磷的释放是一个缓慢而持久的过程，对地下水的影响十分 严重，由此得出该磷石膏堆场为长久性的污染源。 岩溶渗漏勘探分析和水质监测结果显示，堆场北面和东面地下水未遭受污 染，而堆场南、西南面岩溶地下水受磷石膏堆场直接渗漏污染，污染途径为岩 溶管道和裂隙渗漏污染。地下水磷、氟污染呈线状分布，岩溶渗漏污染方向为 南西方向，与地下水径流方向一致。受污染地下水通过径流排泄溢出地表后， 造成大干沟和息烽河的污染，使得河水呈现乳白色，严重威胁到乌江波水库水 质及水生生态环境。 由于大干沟地区岩溶含水介质极不均匀，因此选取随机模型中的时间序列 方法对该地区岩溶地下水渗漏污染进行模拟。结果表明该模型较客观地反映了 地下水动态变化规律，模拟精度较高，为岩溶地区渗漏污染预测提供了一种新 的方法。 在此基础上，提出了渗漏污染的防治建议，为解决该地区地下水污染问题 提供了科学的依据。 关键词：岩溶渗漏；磷、氟污染；分析；评价；淋溶释放模型；时问序列；污 染防治；贵阳大干沟 i i i 贵州人学顾i ：学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 a b s t r a c t t h ek a r s tg r o u n d w a t e rw a sb e e np o l l u t e db yi n d u s t r i a ls e w a g ei nd a g a n g o u o fg u i y a n g t h ec o n c e n t r a t i o n so ft h ep h o s p h o r u sa n df l u o r i n ew e r eh i g hi n g r o u n d w a t e r , w h i c hw e r eb e y o n dd o z e n st oh u n d r e d st i m e si nt h es t a n d a r do ft h e t h r e et y p eo fs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e r t h r o u g hh y d r o g e o l o g i c a ls u r v e y , e x p l o r a t i o n ，m o n i t o r i n gi nd a g a n g o ui nr e c e n tt w oy e a r s ，t h ep a p e rh a sa n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ek a r s ta q u i f e rs y s i t e i 玛t h el a wo fr e c h a r g ea n dr u n o f fa n d e x c r e t i o no fg r o u n d w a t e ra n dd y n a m i cp a r a m e t e r so fg r o u n d w a t e ri nt h es t u d ya r e a b a s e do nt h i sa n a l y s i s ，w ef o u n dt h ek a r s tc o n t a i n i n gw a t e rs y s t e mo fm a a n s h a n - - - p h o s p h o g y p s u ms i t e w s - - 9w a sb e e np o l l u t e dv e r ys e r i o u s l yb yp h o s p h o r u sa n d f l u o r i n e t h ec a u s eo fp o l l u t i o nw a sb e e nf o u n d t h ep o l l u t i o ns o u r c e st u r n e do u tt o b ep h o s p h o g y p s u ms i t ea n do l ds e w a g et a n k b a s e do na n a l y s i so ft h ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e p h o s p h o g y p s u ma n dl e a c h i n g t e s to fr e s i d u a l p h o s p h a t ei np h o s p h o g y p s u m , l e a c h i n gm o d e lw a sb e e ne s t a b l i s h e dt h en a t u r a ll o g a r i t h mo ft h ep h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o na n dl i q u i d s o l i dr a t i op r e s e n t e dn e g a t i v ec o r r e l a t i o ni nl e a c h a t e t h e p r o c e s so fr e s i d u a lp h o s p h a t er e l e a s e du n d e rt h er a i n f a l lw a sv e r ys l o wa n dl a s t i n g , w h i c hm a d eg r o u n d w a t e rp o l l u t e ds e r i o u s l y s ot h ep h o s p h o g y p s u ms i t ei sa p e r m a n e n tp o l l u t i o ns o u r c e b a s e do nh y d r o g e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so ft h ek a r s tl e a k a g ea n d t h er e s u l t so fw a t e rm o n i t o r i n gt h ep o l l u t i o no fk a r s tg r o u n d w a t e ra n ds u r f a c ew a t e r w a se v a l u a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r o u n d w a t e rd i dn o ts u f f e rt h ep o l l u t i o n i nt h en o r t ha n de a s to ft h es i t ，b u ti nt h es o u t ha n ds o u t h w e s to ft h es i t ，也ek a r s t g r o u n d w a t e rw a sd i r e c tp o l l u t e db yt h ep h o s p h o g y p s u ms i t e t h ew a y o fl e a k a g e p o l l u t i o ni sk a r s tp i p e l i n ea n df i s s u r e t h eg r o u n d w a t e rp o l l u t i o np r e s e n t e dl i n e a r d i s t r i b u t i o n t h ed i r e c t i o no fk a r s tl e a k a g ep o l l u t i o ni ss o u t h w e s t ，a n dt h es a l r l ea s t h er u n o f fo fg r o u n d w a t e r t h es u r f a c ew a t e ri nd a g a n g o ua n dx i f e n gr i v e rw e r e b e e np o l l u t e db yt h er u n o f fa n de x c r e t i o no fg r o u n d w a t e r , w h i c hm a d et h er i v e r w a t e rs h o wi v o r yw h i t e p o l l u t e dw a t e rp o s e dat h r e a tt ot h ew a t e rq u a l i t ya n d l v 贵州人学硕：l ：学位论文 贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 a q u a t i cb i o l o g i c a le n v i r o n m e n to f w u j i a n g d u r e s e r v o i r t h et i m es e r i e sa n a l y s i sm e t h o di nr a n d o mm o d e lw a sc h o s e nt os i m u l a t et h e k a r s tl e a k a g ep o l l u t i o ni nd a g a n g o ub e c a u s et h ek a r s tw a t e r - b e a r i n gm e d i ai s u n e v e n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm o d e lo b j e c t i v d yr e f l e c tt h el a wo fd y n a m i c c h a n g eo fg r o u n d w a t e ra n dah i g hs i m u l a t i n gp r e c i s i o n , w h i c hw o u l dp r o v i d ea n e w m e t h o df o re v a l u a t i o na n df o r e c a s t i n go f p o l l u t i o no fl e a k a g ei nk a r s ta r e a s o nt h i sb a s i s ，c o n t r o ls u g g e s t i o n sf o rk a r s tl e a k a g ep o l l u t i o na r eg i v e n ，a n da s c i e n t i f i cb a s i sf o rs o l v i n gg r o u n d w a t e rt h ep o l l u t i o ni nt h e 卸懈i sp r o v i d e d k e yw o r d s ：k a r s tl e a k a g e ；p o l l u t i o nb yp h o s p h o r u sa n df l u o r i n e ；a n a l y s i s ； e v a l u a t e ；l e a c h i n gm o d e l ；t h et i m es e r i e s ；c o n t r o lf o rp o l l u t i o n ；g u i y a n g d a g a n g o u v 贵州大学硕二l ：学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 坶师签名：毕日 期：蚴 贵州大学硕：i ：学位论文 贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 i i 论文研究的背景 第一章绪论 地下水作为一种自然资源是构成环境的基本要素，同时又是水循环的重要组 成部分，与人类生活息息相关。人们开发利用地下水，一方面为满足自身需求， 另一方面又在改变和破坏地下水环境的平衡。随着社会经济的发展，人类对地下 水的影响越来越大，产生了一系列的地下水污染等环境问题，其污染范围从点到 面，由浅至深扩散，污染物种类也越来越多，污染程度日益严重( 张云等，2 0 0 4 ) 。 地下水与其周围介质的物理化学作用过程非常复杂，其过程往往十分隐蔽和 缓慢。我们很难直接了解到地下水运动和污染物运移过程，以及含水层水文地质 参数的空间变化，长期以来地下水运动和污染物在时间和空间上的分布特征与规 律这一科学问题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，致使对岩溶地下水污染的研究面临重大的 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，不完全符合渗 透定律( 薛禹群，1 9 8 6 ) ，给水文地质研究工作带了很大的困难。 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( 丁坚平等，1 9 9 8 ) ，主要表现为：对岩溶泉、井的 贵州大学硕 二学位论文 贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 污染，使地下水无法饮用；对水库、湖泊的污染，除对供水水源地产生直接影响 外，严重的会造成水体恶化，鱼类的大量死亡；对山区间河流的污染，影响了水 电站的安全运行，污染治理的技术难度较大。 贵州省是我国岩溶主要三大分布地区之一，对贵州岩溶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 2 论文研究的目的和意义 了解和掌握磷石膏在长期堆放过程中在降雨淋溶和自身固结压实作用下，磷 石膏的物理化学、力学、渗透性等特征，以及磷石膏中磷在降雨淋溶浸泡作用下 的释放规律，对污染源( 贵州某磷石膏堆场) 污染状态作评价。根据水文地质勘 察成果，进行岩溶渗漏类型和渗漏污染评价；运用随机模型中时间序列分析方法， 对地下水中污染物质运移弥散进行模拟预测分析，为大干沟地区渗漏污染治理提 供技术依据。研究结果为岩溶地区工业废渣堆场岩溶渗漏污染评价与防治提供了 一个工程实例。 1 3 地下水预测模型 地下水动态过程包含了影响其变化的各种确定性因素和随机因素的 信息。因此，可将地下水预测模型分为确定性模型和非确定性模型( a p 随机 模型) 两大类( 董志高等，2 0 0 2 ) 。地下水动态预测从研究方法上可分为确 定性方法和非确定性方法，确定性方法包括解析法、数值法、物理模拟法； 非确定性方法有回归分析法、频谱分析法、时问序列法以及随机微分方程 ( a h m e de 1 s h a f i e ，2 0 0 7 ；平建华等，2 0 0 6 ) 。近年来灰色系统理论( 朱长军 等，2 0 0 7 ) 、神经网络理论( g o l o br ，1 9 9 8 ；赵胜利等，2 0 0 2 ；罗定贵等， 2 0 0 3 ) 等在地下水动态预报中都得到了应用。 1 3 1 确定性模型 确定性模型是由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件和边界条 件构成的数学模型，般情况下确定性模型的解能用解析式表示出或者用 数值和物理法进行模拟。据介质的特性，确定性模型可分为连续性模型和 非连续性模型( 董志高等，2 0 0 2 ) 。其中，连续性模型又分为等效连续介质 2 贵州大学硕1 ：学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 模型和双重介质模型；非连续性模型亦可分为网络介质和随机网络介质模 型。 连续性模型假定介质是连续的，从而可借助连续介质理论进行分析。 等效连续介质模型是将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中，从而将裂隙 岩体模拟为具有对称渗透张量的各向异性连续体，该模型突出优点是可以 沿用各向异性连续介质理论进行分析，无论是在理论上还是在解题方法上 均有较为成熟的基础和经验，而且不必知道每条裂隙的确切位置和水力特 性。但等效连续介质模型在地下水动态预测中的应用还存在两方面的困 难，一是裂隙岩体等效渗透张量的确定；二是等效连续介质模型的有效性 不一定能得到保证( 董志高等，2 0 0 2 ) 。 非连续模型根据介质的特性可分为网络介质和随机网络介质模型，网 络介质模型是假定裂隙间的岩体是不透水的，把岩体中的裂隙视为连通的 导水网络系统，地下水运动是通过裂隙组成的网络实现的。据裂隙交汇点 的水量守恒原理来解整个网络系统的水位分布，从而进行地下水动态预 测。随机网络介质模型是近年发展起来的计算机模拟方法，是模拟岩体网 络状裂隙系统的有效方法。其中，最具有代表性的模型是以gb b a e c h e r 和c s l o n g 为代表研制的圆盘裂隙网络模型。可以看出，非连续模型是对 裂隙网络体系中的每条裂隙都加以具体的模拟，并力图得到裂隙体系中各 点的真实渗流状态，具有拟真性好、精度高等优点。但当裂隙较多时，其 工作量相当大。因此，非连续性模型在地下水动态预测中很难得到广泛应 用。 地下水动态预测的确定性模型的求解方法主要有解析法、数值法和物 理模拟法等( 李同斌，1 9 9 5 ) 。解析法是用数学分析方法直接求解数学模 型的方法，其解称为解析解。适用于几何形状规则、边界条件较简单的区 域，由较大的局限性。数值法是在计算机上用离散的方法求解数学模型， 是2 0 世纪6 0 年代后期伴随计算机科学的发展而出现的一种模拟地下水动 态的方法。求得的解称为数值解，为数值的集合，它是数学模型的近似解。 由于数值模拟法可以较好地反映复杂条件下的地下水流状态，具有较高的 仿真度，因此在理论和实际应用方面都发展较快。目前常用的数值法有有 3 贵州大学硕l ：学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 限差分法、有限单元法、边界元法和有限分析法等( 王文科，1 9 9 6 ) 。物 理模拟法主要采用电模拟，其原理是根据渗流场与电场的相似性建立起来 的，根据导电介质的不同，电模拟法又分为连续介质电模拟和非连续介质 电模拟。非连续介质电模拟又叫电网络法，是模拟裂隙水运动较为有效的 方法之一，它由差分原理建立，也可由变分原理建立，由变分原理建立的 网络法可以吸收有限元的优点，使其更能适应复杂的地质和边界条件，对 地下水动态的预测更准确。 确定性模型能比较准确的预测地下水动态变化，特别是对研究区水文 地质条件简单、含水系统较均一的情形更为有效( f r e e z e r a ，1 9 7 5 ) 。但 是，该模型是在许多假设条件基础之上建立起来的，很难真实地模拟实际 复杂的水文地质条件，用它进行地下水动态预测必定存在较大的误差；同 时必需花费大量的人力、物力、财力来获取含水层参数信息( 如渗透系数、 贮水系数等) 以及对含水层系统的识别。 1 3 2 随机模型 地下水动态受多种因素( 如气象、水文、地质、人为因素等) 的影响， 这就决定了地下水动态具有周期性、趋势性和随机性( 平建华等，2 0 0 6 ) 。 然而，我们可借助概率统计理论找出这些不确定性质的规律，建立相应的 随机模型。随机模型包括回归分析、频谱分析、模糊数学、灰色、时间序 列、神经网络和随机微分方程模型等。回归分析在地下水动态预测中比 较成熟、应用比较广泛。依据考虑影响因素的数目及相互间存在的关系可 分为，一元线性回归模型、多元线性回归模型、多元非线性回归模型、逐 步回归模型、自回归模型( a r ) 、自回归滑动平均模型( a r m a ) 等( 董志 高等，2 0 0 2 ) 。回归分析预测地下水动态常常用在水文地质条件复杂或尚未 清楚的地区，通过现有的观测资料，对各种影响因子进行筛选，建立回归 方程。但当预报因子超出回归方程所使用的实际观测范围时，往往要对回 归方程进行外推，且在实际应用中也是随着资料长度的增加，不断地修改 回归方程，这样才能保持原来的预报精度水平，该方法多用子地下水动态 的短期预测。频谱分析用于地下水动态的基本思路是地下水动态曲线是 由大量谐成分与随机成分合成，通过对已取得的一定数量观测数据的分 4 贵州大学硕： ：学位论文贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 析，可得到与该观测数据性质有关的一定的谱参数，利用这些参数又可以 人工再造未来时刻可能出现的有序数列，从而实现地下水动态的中长期预 报( 陈葆仁，1 9 8 8 ) 。应用频谱分析预测地下水动态时，对于所建立的预测 方程，要不断地在实际应用中验证，并随着观测资料序列的增加而不断修正 和完善。当一些随机成分占的比重较大时，其预测结果误差还不十分理想。 模糊数学应用于地下水动态预测的方法主要有模糊控制法和模糊模式识 别法( 朱玉仙，1 9 9 3 ；时光新，1 9 9 9 ) 。模糊控制法是把地下水系统视为一 个模糊系统，得到影响地下水动态变化的因子与地下水动态之间的模糊关 系，将地下水动态预测过程模拟成一个模糊控制过程。当已知系统的输入 因子，通过模糊控制器时，就得到系统的输出一地下水动态。模糊模式识 别法是用根据地下动态与影响因素之间存在的映射关系，采用相关分析法 确定地下水动态的主要影响因素，并分别将已知地下水动态及待预测地下 水动态样本的影响因素作为论域中的两个子集，通过计算，便可进行地下 水位的动态预测。灰色系统预测是把观测数据序列当作随时间变化的灰 色过程，运用时间序列确定微分方程的参数，通过累加生成或累减生成逐 渐使灰色量白化，从而建立相应微分方程解的模型，并做出预报。其建模 的基本思想是从一个时间序列自身出发，采用依次累加的方法来实现由 非线性化为线性，从而弱化序列随机性，增强其规律性。用灰色模型预测 地下水动态，理论可靠，方法简单，对原始数据量的要求不高，但要求数 据总体上为单调较平缓的变化，不能是周期性、突变的变化。它适用于地 下水动态呈单调变化的地区，模型的精度与原始序列数据列中新老成分的 取舍有很大关系。时间序列模型的主要类型有自回归模型( a r ) 、滑动平 均模型( m a ) 、自回归模型滑动平均模型( a r m a ) ，这些模型都要求时间序 列来源于均值不变的平稳过程。在上述3 种基本模型的基础上又发展了多 种模型，如门限模型、自回归滑动平均模型等。而实际观测到的序列往往 含有某种时间稳定增长或衰减的趋势，或含有随时间而周期性变化起伏的 趋势，它们经过差分处理或提取趋势项处理而变化为零均值平稳序列( 唐 仲华，1 9 9 5 ) 。地下水动态预测的神经网络模型主要有b p 神经网络模型 ( 赵胜利等，2 0 0 2 ) 和r b f 神经网络模型( 罗定贵等，2 0 0 3 ) 。人工神经网 5 贵州人学硕1 ：学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 络具有处理非线性、不确定性和随机性等问题的强大功能，用人工神经网 络建立地下水动态预测模型，不但考虑了因变量相互之间的关系，而且预 报因子也可以是多个，即多影响因素的多因子并行预测，而且可以实现时 间序列的多时刻同时预测，扩大了地下水动态预测范围，不足之处是隐含 层神经元个数难以确定。随机微分方程模型，地下水系统中存在着某些 非确定性因素，如源汇项，大气降水入渗或开采等都具有极强的随机性， 边界条件也是在时刻变化的，因此更适合用随机函数来刻画和描述。随机微 分方程能较好地研究、揭示和描述客观事物的一些非确定性交化规律，它 为地下水资源评价和地下水动态预测提供了更为有力的数学工具( 潘宏雨， 1 9 9 8 ) 。近年来随机微分方程模型得到了很快的发展。 1 4 国内外研究现状 时间序列预测是根据现在与过去的随机序列的样本取值，对未来某一 个时刻的随机变量进行估计。时间序列运用比较广泛，如经济领域的年产值、 国民收入、收益率，社会领域的某一地区旅客流量、人口数量、某种病情发病率， 以及自然领域的降雨量、河流流量、地下水水位、太阳黑子等( l a a g u i r r e ，2 0 0 8 ) 。 近二十年来来国内外许多学者探讨了时间序列分析方法在水文地质 计算中的运用( 唐仲华，1 9 9 5 ) ，主要用于对地下水位和泉流量变化规律的 模拟，其计算值与实测值的拟合效果很好( 尚守忠，1 9 8 3 ：周国昌，1 9 9 7 ： 杨忠平，2 0 0 5 ) 。该方法在岩溶地下水渗漏污染方面运用还处于起步阶段。 目前时间序列分析方法在水文地质计算中主要有两类：一是时序分析法在 地下水系统结构和参数辨识方面的运用，二是建立地下水动态模型并进行 预测。 这类模型没有反映地下水流动系统的动力学机制，从而没有表示出系 统各要素之间的动力学关系，在应用上受到了很大限制，但在地下水含水 介质不均匀地区，特别是岩溶地区，由于地下水运动不完全符合地下水动力学条 件，数值模拟方法难以适用，而时间序列方法对系统输入项要求不高，只要有较 长时间的监测资料，就能进行相应的模拟计算，对水文地质参数难以获取的岩溶 地区，该方法可作为地下水污染动态模拟的一种手段。 6 贵州大学硕f ：学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 1 5 研究的内容和技术路线 1 根据对大干沟地区环境水文地质、污染现状和污染源的调查，对污染源 渗漏特性进行分析。 2 根据对磷石膏在降水淋溶、浸泡以及自身压实固结作用下，其物理化学、 力学、渗透性等特征，以及废渣中残余物质的淋溶释放机理的分析，建立其淋溶 释放模型，了解磷石膏的污染特性。 3 进行岩溶渗漏类型、弥散特征分析，以及渗漏污染评价。 4 采用时间序列分析法对岩溶地下水污染进行模拟。 5 提出污染防治治理建议。 本文的技术路线如图1 1 所示。 7 贵州大学硕= i ：学位论文 贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 图1 1 技术路线示意图 f i g 1 1t e c h n o l o g yr o u t es c h e m a t i cd i a g r a m 8 贵州人学硕j ：学位论文贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 第二章贵州岩溶( k a r s t ) 渗漏污染类型 2 1 贵州岩溶( k a r s t ) 发育特征 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 x 1 0 4 l ( i n 2 ，约占全国土地总面积的1 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 z ，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 ) 。 贵州属于典型的岩溶特征区域，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 岩溶水分稚面积也大约为全省面积的五分之一( 鄢贵权等，1 9 9 9 ) 。 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 m 左右，西高东低，并分别向南向北倾斜。全省年均温度1 1 0 1 9 0 之 间，年平均降水量为9 0 0 - 1 5 0 0 衄。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 一- 1 2 0 0 0 m 之间，分布面积为1 2 7 万l 哑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。 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，岩溶水资源坏境十分脆弱，进行贵州岩溶地区地下水渗漏污染预测及防 治研究，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。 2 2 贵州岩溶( k a r s t ) 渗漏污染类型 由于岩溶介质非均匀性，地下水赋存、运移也极不均匀。包气带中落水洞、 9 贵州大学硕：卜学位论文贵阳人干沟地区岩i 窍地下水渗漏污染研究 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。贵州地区岩溶渗漏可分为 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( 丁坚平等，2 0 0 3 ) 。 2 2 i 管道系统渗漏类型 在可溶岩地层裸露的岩溶强发育区，地表岩溶为洼地、落水漏和垂直溶隙， 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。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。水动力弥散特征：岩溶地下水以管道为主，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，出渗 漏污染点，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。 2 2 2 管道裂隙系统渗漏类型 对于岩溶发育中等区，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。 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， 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，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。 2 2 3 孔隙裂隙系统渗漏类型 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。例如娄山关地层自云岩，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。 2 2 4 采空区渗漏类型 在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。 1 0 贵州大学硕上学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 第三章磷石膏污染特征 磷石膏是生产湿法磷酸时产生的工业副产品之一，每生产1 吨磷酸( 以p 2 0 5 计) 要产生4 5 5 0 吨磷石膏( r u t h e r f o r dpm 等，1 9 9 5 ) ，这导致大量的磷石膏 废渣的产生，全球每年排放的磷石膏废渣多达2 亿吨，我国年排放量4 0 0 0 万吨 ( 李滢，2 0 0 7 ) ，仅贵州省每年排放磷石膏就已超过6 0 0 万吨，并且随着市场对 磷化工产品需求的不断扩大，磷石膏废渣排放量每年以1 5 的速度增长。目前， 国内外绝大多数磷化工企业对废渣磷石膏均采用堆放处理，利用率在4 卜一 4 5 ( 李滢，2 0 0 7 ) ，至今在磷石膏利用方面没有重大的突破。 磷石膏的堆放处理，不只占用了大量土地资源，堆场投资、运营成本高，而 且磷石膏具有一定的溶解性，其中富含大量的磷、氟、硫、氯、砷等元素，呈酸 性，p h 值在l 4 5 间( 李滢，2 0 0 7 ) ，长期堆放过程中造成对环境的化学和放 射性污染( a i m a s r ims ，2 0 0 4 ) 。贵州某磷石膏堆场放射性见表3 1 。 2 0 0 6 年上半年国家环保总局首次将磷石膏渣定性为危险废物( 定性超标的 数据是国家危险废物目录中控制的p h 值和无机氟化物浸出浓度 不包括氟化钙】 两项指标，即p h 值5 2 0 ，无机氟化物浸出浓度【不包括氟化钙】5 5 0 毫克升) 。 因此，研究磷石膏的污染特性，了解长期堆放的磷石膏废渣，在降水淋溶、 浸泡以及自身压实固结作用下，其物理化学、力学、渗透性特征，以及废渣中残 余物质的释放机理，对磷石膏堆场的设计和渗漏污染防治方面有着重要的意义。 表3 1 贵州某堆场磷石膏放射性检测 t a b l e3 1 r a d i o a c t i v i t yd e t e c t i o no fp h o s p h o g y p s u mo fas i ti ng u i z h o u 注：据中国石化集团南京设计院( 2 0 0 0 ) 3 1 磷石膏化学成分 磷石膏的主要成分为c a s 0 4 2 4 0 ，含量超过9 0 。贵州某磷石膏堆场磷石 膏主要由s 0 3 、c a o 、s i 0 2 、p 2 0 5 、f e 2 0 3 、f 等化学成分组成，其中含量较高的 贵州人学硕上学位论文 贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 p 2 0 5 、f 是大干沟地区岩溶地下水磷、氟污染的主要来源，磷石膏的化学成分见 表3 2 。 表3 2 磷石膏化学成分( 质量百分比) t a b l e3 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fp h o s p h o g y p s u m 注：据陈永松( 2 0 0 3 ) 3 2 磷石膏物理性质 贵州某堆场磷石膏呈灰白色，密度2 4 4 9 e r a 3 ，含水率2 1 ，容重8 4 9 k g m 3 ， 磷石膏物理指标见表3 3 。 表3 3 某雉场磷石膏物理指标( 性质) t a b l e3 3 p h y s i c a li n d e x e so fp h o s p h o g y p s u m o fas i t 中位粒径1 0 2 2 t t m ，8 p m 以卜占4 9 4 注：据中国石化集团南京设计1 哓( 2 0 0 4 ) 3 3 磷石膏渗透性 磷石膏渗透系数在渗透仪上采用变水头法进行测试。南京水利科学研究院对 多个化肥厂磷石膏渣土工试验结果显示，对不同试样的干密度采用固结试验 l o o k p a 压力，4 0 0 k p a 压力下的干密度，其渗透系数平均值在1 0 r 4c m s 数量级， 表明磷石膏为中等透水性。 与一般的尾矿不同，磷石膏堆场在垂直方向的渗透性大于水平方向的渗透 性。张超等( 2 0 0 7 ) 运用饱和磷石膏溶液代替蒸馏水对磷石膏的渗透系数进行测 定，减少了水在渗透磷石膏过程中溶解一部分磷石膏而造成结果与实际的偏差， 测定结果为垂直方向渗透系数4 6 4 x l o 1 3 8 x 1 0 c m s ，平均值为1 3 x 1 0 4 c m s ， 水平方向渗透系数为1 1 3 x 1 0 。4 3 3 1 1 0 c m s ，平均值为6 0 x l o 5 c m s ，表明磷 石膏层问渗透系数大于水平层内的渗透系数。 同时，磷石膏在长期堆放过程中，在上部废渣荷载作用下，下部磷石膏固 1 2 贵州大学硕士学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 结压实使密度增加，从而导致其渗透系数的减小，即随着磷石膏堆场深度的增 加，磷石膏的渗透系数呈减小的趋势。相关的试验也得出相同结论，见表3 4 。 表3 4 磷石膏的渗透系数、压缩系数与密度之间的关系 t a b l e3 4t h er e l a t i o n s h i po fp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t , c o m p r e s s i b i l i t ya n dd e n s i t yo f p h o s p h o g y p s u m 注：据水利部南京水利科学院( 2 0 0 4 ) 3 4 磷石膏堆场磷、氟含量变化规律 由于贵州某磷石膏堆场建库时未作任何防渗处理，造成周围地表水、地下 水中磷、氟含量严重超标，陈永松等( 2 0 0 3 ) 对该磷石膏堆场剖面上磷、氟含 量作了钻探垂直取样分析，揭示了长期堆放的磷石膏废渣在遭受自然降雨淋溶、 浸泡，以及自身压实和固结作用下，其中对水环境有危害的磷、氟在堆场剖面 上变化的规律。堆场剖面上磷、氟含量见图3 1 、3 2 。 注：据陈永松( 2 0 0 3 ) 说明：t p 、w p 分别为总磷、可溶磷 图3 1 堆场剖面磷的含量 f 嘻3 1 pc o n t e n to f t h es i tp r o f d e 贵州大学硕士学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 注：据陈永松( 2 0 0 3 ) 说明：t f 、w f 分别为总氟、可溶氟 图3 2 堆场剖面氟的含量 f i g 3 2 fc o n t e n to ft h es i tp r o f i l e 分析结果表明该磷石膏堆场剖面上磷、氟含量在局部起伏不定，但总的变 化趋势是：在堆场的上部，磷、氟含量呈上升的变化趋势，在堆场下部，其含 量趋于稳定。在堆场垂直采样剖面上，残磷、氟含量的这种变化趋势，是二水 法湿法制磷酸工艺、雨水的淋滤、浸泡及磷石膏本身的物化特性等因素共同作 用的结果( 陈永松，2 0 0 3 ) 。 3 5 磷石膏中磷的淋溶释放模型 磷石膏的淋溶试验结果表明，在不同试验条件下，磷石膏中的磷都能被有 效地淋溶释放出来，使淋滤液呈酸性( 陈永松，2 0 0 7 ) 。这使得磷石膏在堆放过 程中，在降水淋溶、浸泡作用下，加上磷石膏自身固结压实释水，废渣中磷等 有害污染被淋溶释放，产生的酸性废水对堆场周围地下水、地表水将造成严重 的污染。 结合大干沟地区的实际情况，选取淋溶液p h 值为5 8 的淋溶试验结果，对 磷石膏中磷的淋溶释放过程进行模拟。试验结果见表3 5 ，磷石膏中磷动态淋溶 曲线见图3 3 。 1 4 贵州大学硕r j ：学位论文 贵阳人干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 表3 5 磷石膏动态淋溶试验结果 t a b l e3 5 l e a c h i n gt e s to fp h o s p h o g y p s u m 注：据陈永松( 2 0 0 乃 图3 3 磷石膏动态淋溶曲线 f i g 3 3l e a c h i n gc u r v co fp h o s p h o g y p s u m 通过对试验结果的分析，可见磷石膏中磷被有效的淋溶出来，淋滤液中磷 的浓度随淋溶时间( 淋滤液体积) 的增加呈下降趋势。 从上图可知，磷石膏中磷的淋溶曲线为指数衰减形式，采用数学方法进行 拟和，发现磷浓度与液固比之间符合下列模型： c - - c 。e k l n r 式中：c 一淋滤液中磷的浓度； c o 一淋滤液中磷的初始浓度； k 一淋溶系数； l n r 一液固比的自然对数。 表3 6 列出了磷石膏中磷的淋溶释放模型。从表可以看出，淋滤液中的 1 5 贵州大学硕卜学位论文贵阳大干沟地区岩溶地下水渗漏污染研究 磷浓度与液固比的自然对数呈负相关，且相关性好，该模型能很好地代表磷石 膏中磷的溶出特性。模型中的淋溶系数k 表示磷石膏中磷的衰减速度，k 值越大， 淋滤液中磷的浓度随淋滤液的体积增加而衰减的速度越快，这与上面试验结果 一致。 表3 6 磷石膏淋溶释放模型 t a b l e3 5 l e a c h i n gm o d e lo fp h o s p h o g y p s u m 对该模型进行积分，就可以得到液固比为r 时该污染因子的淋溶释放总量： 眠= f c