裂隙含水層重金屬污染物遷移規(guī)律研究

江建明++曹廣祝+覃榮高

摘要： 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬是找出污染物遷移規(guī)律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段。根據(jù)收集和分析的野外地質(zhì)資料，建立物理砂箱模型，物理實(shí)驗(yàn)觀察污染物運(yùn)移情況；運(yùn)用GMS軟件建立地下水流場(chǎng)模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，對(duì)裂隙水的流場(chǎng)和污染物進(jìn)行了數(shù)值研究，研究發(fā)現(xiàn)裂隙對(duì)重金屬污染物遷移有導(dǎo)向作用，污染物經(jīng)過裂隙會(huì)發(fā)生明顯的拖尾現(xiàn)象。

Abstract： Simulation of solute transport in groundwater is an important means to find out the law of pollutant migration and determine the range of pollution and the concentration distribution of pollutants. According to the geological data collected and analyzed， the physical sand box model was established and the physical experiment was carried out to observe the contaminant transport； By using GMS software to establish the model of groundwater flow and solute transport model， flow field and pollutant of fracture water were studied， the study found that fracture had a guiding effect on the migration of heavy metal pollutants， the pollutants after fracture will obvious tail phenomenon.

關(guān)鍵詞： 裂隙含水層；砂箱實(shí)驗(yàn)；污染物遷移規(guī)律；數(shù)值模擬

Key words： fractured aquifer；sandbox experiment；pollutant transfer law；numerical simulation

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0172-03

0 引言

云南省是一個(gè)礦業(yè)大省，各種礦業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。云南省巖溶裂隙發(fā)育，地層滲入條件好，如果防治不慎重，導(dǎo)致污染物泄露危害人民群眾生命健康安全。20世紀(jì)90年代，陳崇希[1]提出了巖溶管道—裂隙—孔隙三重空隙介質(zhì)地下水流模型，將裂隙概化成平行板[2]。2000年吳吉春等[3]通過研究裂隙分布規(guī)律把含水層概化為均質(zhì)各向異性，對(duì)山西柳林泉裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行了溶質(zhì)運(yùn)移三維數(shù)值模擬。王錦國(guó)[4]介紹了裂隙巖體地下水溶質(zhì)運(yùn)移的多尺度概念模型及其物理和數(shù)學(xué)模擬方法，并探討了模擬尺度與觀測(cè)尺度、預(yù)測(cè)尺度、裂隙介質(zhì)尺度之間的關(guān)系。地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬[5]是找出污染物遷移規(guī)律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段。

1 研究區(qū)基本概況

陸良縣地處云南省的東部，大地構(gòu)造位置在揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)與華南褶皺系結(jié)合部的西南緣，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是現(xiàn)代地形地貌形成、發(fā)展和演變的重要營(yíng)力，使縣域內(nèi)形成高原山地與小型盆地相間的地形地貌特征。研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖溶地貌廣泛分布，主要分布于召夸鎮(zhèn)及其周邊較大的范圍內(nèi)，其他地段也有零星分布。區(qū)內(nèi)巖溶巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r及純灰?guī)r地段。該層呈淺灰、灰白色、隱晶～細(xì)晶致密結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，較堅(jiān)硬，巖體較完整。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖溶地貌廣泛分布，巖體間存在大量裂隙，裂隙傾角約52°或近水平裂隙（圖1）。

2 室內(nèi)砂箱物理實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)野外的勘察結(jié)果，通過砂箱建立物理模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒃谝粋€(gè)長(zhǎng) 800mm ，寬350mm，高550mm的有機(jī)玻璃箱內(nèi)，底板為PVC材質(zhì)。將裂隙概化成平行板，平行和傾斜填充到砂箱中，進(jìn)行砂箱模擬實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與分析

在砂箱內(nèi)填充兩水平平行板，兩板之間用砂填充，中間留有空隙，將其當(dāng)做裂隙，在右側(cè)投放染色劑，水流方向從右至左，進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn)。

平行板水平放置中染色劑在投放處濃度較高，原因可能是平行板作為隔水板塊擋住了染色劑遷移，當(dāng)染色劑運(yùn)移到板塊附近，會(huì)順著兩板間的空隙進(jìn)行優(yōu)勢(shì)通道運(yùn)移，在板的尾端，出現(xiàn)了拖尾現(xiàn)象。傾斜放置中染色劑在投放時(shí)濃度不高，水流作用明顯，染色劑濃度不大，在板的初始端由于染色劑擴(kuò)散范圍較大，分為三部分進(jìn)行，兩平行板的上下是在砂中進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移，速度不快；兩板中間部分由于存在空隙，染色劑運(yùn)移速度比兩邊的都要快，因此在板的末端羽狀物會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。兩實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證板內(nèi)空隙便于溶質(zhì)運(yùn)移。

3 模型運(yùn)用

3.1 模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂隙的發(fā)育及物理實(shí)驗(yàn)，建立了三種模型，分別為水平裂隙模型、傾斜裂隙模型以及混合模型。將模型建立在300m*100m的平面模型中，兩邊的水頭分別設(shè)置為90m、60m，初始水頭為70m，基巖的滲透系數(shù)設(shè)為0.05m/d，裂隙部分滲透系數(shù)為5m/d，污染物鉛初始濃度設(shè)為三類水標(biāo)準(zhǔn)的100倍（5mg/L），模擬時(shí)間為3000天。

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 模型一：水平裂隙中重金屬遷移

投放污染物之后，污染物會(huì)進(jìn)行遷移，污染物的彌散作用會(huì)使污染物在逆水流方向移動(dòng)，直至到達(dá)一定距離之后才消失。由于灰?guī)r的滲透系數(shù)很大，污染物在基巖中進(jìn)行遷移速度很慢，在1300天的時(shí)候才能穿過基巖進(jìn)入水平裂隙（3a）。污染物在水平管道中運(yùn)移很快，在垂直方向上幾乎沒有滲透就通過對(duì)流帶走。水平裂隙的末端就會(huì)出現(xiàn)污染物的滯留，基巖的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于裂隙，末端的羽狀物隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)明顯的增加現(xiàn)象（3b）。

3.2.2 模型二：傾斜裂隙中重金屬遷移

在傾斜裂隙中污染物會(huì)順著裂隙進(jìn)行遷移，此時(shí)裂隙作為優(yōu)勢(shì)流通道，由于污染源距離裂隙較近，污染物到達(dá)裂隙的時(shí)間就會(huì)變短（4a）。污染物沿著裂隙通道進(jìn)行遷移，到達(dá)一定距離之后就被凈化；污染物向裂隙的基巖進(jìn)行滲流，裂隙擴(kuò)大了滲流的范圍，使污染物更易運(yùn)移（4b）。污染物在遷移到第二條裂隙時(shí)，類似第一條裂隙，當(dāng)通過多條裂隙時(shí)候，污染物會(huì)呈現(xiàn)階梯狀的遷移現(xiàn)象（4c）。

3.2.3 模型三：混合裂隙中重金屬遷移

污染物首先在基巖中緩慢滲流到達(dá)裂隙時(shí)有明顯的順流現(xiàn)象，由于第一條裂隙與水平裂隙的不連通，導(dǎo)致遷移阻塞，在水平裂隙初始端出現(xiàn)漏斗狀，污染物會(huì)從漏斗口進(jìn)入水平裂隙（5a）。污染物進(jìn)入水平裂隙后會(huì)快速遷移，在水平裂隙與傾斜裂隙交叉處之前，污染物快速遷移，污染物濃度不高，垂向上滲流作用不強(qiáng)；裂隙交匯處上部的傾斜裂隙由于逆水流方向，污染物并沒有沿裂隙向上運(yùn)移；裂隙交匯處之后，污染物分為兩部分，一部分沿水平裂隙快速遷移至末端處，另一部分則沿裂隙順?biāo)鞣较蛞苿?dòng)，這兩部分在裂隙內(nèi)都會(huì)向基巖作滲透（5b）。隨時(shí)間的推移，污染物在交匯處有些許阻塞，污染羽有隆起現(xiàn)象，是由于水平裂隙的末端不是連通的，此處的污染羽沒有水平裂隙末端的污染羽大，因?yàn)橐徊糠治廴疚镯槂A斜裂隙遷移走了，阻塞作用并沒有末端強(qiáng)烈（5c）。

4 結(jié)論

通過物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果可知，污染物在裂隙含水層運(yùn)移優(yōu)先通過裂隙進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移。裂隙的存在便于溶質(zhì)的擴(kuò)散，在傾斜裂隙含水層中，溶質(zhì)沿著裂隙遷移，并呈現(xiàn)階梯狀。水平裂隙是溶質(zhì)運(yùn)移的快速通道，溶質(zhì)在垂向上的滲透進(jìn)行很慢，除非有阻塞的存在。對(duì)于混合模型溶質(zhì)的遷移是前兩者的結(jié)合，運(yùn)移情況完全符合單個(gè)模型。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳崇希.巖溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介質(zhì)地下水流模型及模擬方法研究[J].地球科學(xué)：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995（4）：361-366.

[2]陳崇希，李國(guó)敏.地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論及模型[M].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1996.

[3]吳吉春，薛禹群，黃海等.山西柳林泉局部區(qū)域溶質(zhì)運(yùn)移二維數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2001（8）：38-43.

[4]王錦國(guó)，周志芳.裂隙巖體地下水溶質(zhì)運(yùn)移的尺度問題 [J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（2）：239-245.

[5]孫旭曙.巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流—溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬[D].西安理工大學(xué)，2010.