某廠區(qū)防滲工程地下水數值模擬

李 凱,簡文彬,周倍銳

(1.福州大學環(huán)境與資源學院,福建福州 350108;2.福州大學巖土工程與工程地質研究所,福建福州 350108)

某廠區(qū)防滲工程地下水數值模擬

李 凱1,2,簡文彬1,2,周倍銳1,2

(1.福州大學環(huán)境與資源學院,福建福州 350108;2.福州大學巖土工程與工程地質研究所,福建福州 350108)

根據某廠區(qū)的水文地質條件,在建立水文地質數學模型的基礎上,運用有限差分數值計算軟件對該廠區(qū)地下水的滲流規(guī)律進行數值分析,并運用其跟蹤模擬子模塊對該廠區(qū)地下水的水質點進行了粒子示蹤模擬。通過研究區(qū)埋設的孔隙水壓力計測試成果的驗證,該模型模擬結果與廠區(qū)地下水滲流場的實際情況較為吻合,即廠區(qū)地下水會從西北部地區(qū)向西南部和南部的梅壩溪及東北部的下道湖溪滲流。模型可用于該廠區(qū)地下水動態(tài)模擬和預測,及污染物運移途徑研究,可以為廠區(qū)的防滲工程提供可靠依據。

有限差分法;地下水;滲流場;數學模型;數值模擬

0 引 言

研究區(qū)為某一廠區(qū),總占地面積約600 km2,廠區(qū)生產過程中會形成大量的廢水,處置不當形成滲漏會造成對地下水、地表水的嚴重污染,原材料及成品的堆存不當也可能造成土壤污染。因此需要采取防滲帷幕等措施,隔離地下水與可能的廢水的水力聯(lián)系。

本文在概化了研究區(qū)的水文地質條件的基礎上,建立研究區(qū)水文地質數學模型,利用有限差分數值軟件及其跟蹤模擬子模塊建立研究區(qū)地下水數值模型,模擬出廠區(qū)地下水滲流場的特征,并通過現場所埋設的孔隙水壓力計測得的相關資料及其處理結果,驗證了模型用于廠區(qū)地下水動態(tài)模擬和預測及污染物運移途徑研究的合理性與正確性。研究成果可為研究區(qū)的防滲工程提供重要的依據。

1 研究區(qū)水文地質條件

本場區(qū)屬中切割低山區(qū),原始地形地勢呈北高南低的大體趨勢,最高海拔約684.34 m,原始地形最低侵蝕基面標高約610 m,最大高差約75 m?，F場地已平整成梯狀,整平標高為641.38 m～628.91 m,由北向南呈梯狀展布。

場區(qū)的匯水面積約1.0 km2。根據場地地層分布情況,場地內地下水可劃分為四個水質地質單元,即上層滯水含水單元、松散巖類孔隙水含水單元、風化殼網狀裂隙水含水單元、基巖構造裂隙水含水單元等四種。

上層滯水含水單元:含水層主要為素填土①層,屬弱透水層,富水性差,水量貧乏,其補給來源主要受大氣降水。其地下水靜止水位埋深一般為1.00 m～5.00 m,水位起伏較大。

松散巖類孔隙水含水單元:主要分布沖洪積區(qū)及山間洼地內,含水層主要為粉質粘土②層,以潛水為主,屬弱透水層,富水性一般較差,水量較貧乏,其補給來源受側向地下水的補給和河水下滲補給。其地下水靜止水位埋深一般為0.50m～2.00 m。地下水水位標高與地形形態(tài)大致相同。

風化殼網狀裂隙水含水單元:主要分布于第四系更新統(tǒng)殘坡積層或強風化巖層內,賦存于殘坡積砂質粘性土及強風化巖網狀孔隙、裂隙中,接受大氣降水和基巖裂隙水補給,一般向河谷方向排泄。透水性較差,富水性差,地下水位及涌水量受大氣降水季節(jié)控制明顯,變化大,水位埋深一般2.0 m～10.0 m,多為潛水,局部為微承壓水。

基巖構造裂隙水含水單元:主要賦存于基巖中,含水層為基巖中的各種構造裂隙,具半承壓性,場地內未見該層地下水位涌出。主要接受大氣降水入滲補給,大多數地段構造裂隙水量一般較小,富水性差,水量貧乏,在構造帶導水向內透水性較強,水量豐富,具微承壓。

廠區(qū)地下水逕流方向受地貌控制明顯,四周分別被梅壩溪和下道湖溪分割,形成獨立的自然邊界,因而可確定廠區(qū)為相對獨立的水文地質單元。廠區(qū)整平后的標高與梅壩溪水庫庫水面高差約20 m～30 m,總體上來說,一般上部的貯水量相對較少,其主要受大氣降水及廠區(qū)生活、生產的棄水補給,而中下部的貯水量豐富,受大氣降水、上部地下水的下滲及河水的側向補給。

根據地質調查及水文試驗結果:廠區(qū)內相對富水性區(qū)域主要分布廠區(qū)的西北角及東北角一帶。廠區(qū)的北側相對地勢較高,南側地勢相對較低,出露的地層巖性多為殘、坡積土層,全～強風化花崗巖,下部為中風化花崗巖,導水性總體上較差。研究區(qū)典型水文地質剖面圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)典型水文地質剖面圖

2 地下水數值模擬

2.1 水文地質模型的概化

為建立研究區(qū)的地下水流模擬模型,首先要對實際水文地質條件加以概化,建立水文地質概念模型。根據該區(qū)的水文地質條件,廠區(qū)西北部及東部邊界屬于山區(qū),在山谷易形成匯水區(qū),是模擬區(qū)的補給區(qū),概化為給定水頭邊界;東北部為下道湖溪,概化為河流邊界;南部及西南部為梅壩溪,溪水與地下水水力聯(lián)系密切,因此將其作為河流邊界或第一類邊界處理。根據勘察資料,鉆孔揭示深度范圍內,沒有連續(xù)的隔水層,因此,除局部地下水為微承壓,地下水整體不存在承壓含水層,故將含水層在垂向上概化為1層,即第四系潛水含水層。根據區(qū)內含水層類型、巖性、厚度和滲透性等,將含水層內部結構概化為非均質各項同性 ,地下水在其中流動符合達西定律。綜上所述,將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為有入滲補給的潛水含水層非均質各向同性二維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[1]。

2.2 地下水滲流數學模型的建立

根據上述水文地質模型的概化,可以建立與其相對應的地下水流數學模型,其微分方程如下[2-3]:

式中:D為滲流計算域;K為沿x,y坐標軸方向的滲透系數(m/d);h為點(x,y)在t時刻水頭值(m);h0為含水層的初始水頭(m);f為不同時刻的河水位(m);μs為潛水含水層貯水系數;t為時間(d);W為源匯項(m/d);Kn為邊界法線方向的滲透系數(m/d);Γ1為第一類邊界;Γ2為第二類邊界;q為滲流區(qū)第二類邊界上的單位面積流量(m3/d);n為邊界的外法線方向。

2.3 模擬區(qū)域及網格劃分

本文采用有限差分數值計算方法進行地下水流數值模擬的建模和運算。計算模型覆蓋整個廠區(qū)并包含廠區(qū)西南側和南側的梅壩溪,網格劃分范圍為南北方向900m,東西方向1 200 m,模型空間范圍共計1 080 km2,在對河流地段進行網格加密后,網格劃分密度為58行、30列和1層潛水含水層,所有分層界限(層頂標高、層底標高)均從模擬區(qū)內平面圖及剖面圖等勘探資料中提取。未加密單元的面積為900 m2(30 m×30 m),加密的河流單元面積為450 m2(30 m×15 m),計算單位選用軟件自定的缺省值[4]。

2.4 參數選取

模型所涉及參數主要包括滲透系數、多年平均降雨量(降雨強度)及降雨入滲補給系數、多年平均蒸發(fā)量等重要指標,以及貯水率、給水度等重要參數。本次計算充分應用了大量勘探資料中壓水、抽水試驗成果,首先對廠區(qū)的滲透系數取各測點的平均值,并對各個方向上的滲透系數進行了初步選取,然后通過模型識別與校正后,最終確定參數[5]如表1、表2。

表1 模型計算參數

表2 河流邊界參數

2.5 粒子跟蹤

水質點示蹤可劃分為向前和向后2種方法。所謂向前示蹤就是指將一定數量的示蹤水質點定義在地下水系統(tǒng)補給區(qū),水質點由補給區(qū)示蹤移動至排泄區(qū),而向后示蹤則是將一定數量的示蹤水質點定義在地下水系統(tǒng)排泄區(qū)或排泄點,水質點由排泄區(qū)或排泄點反向示蹤追溯到補給區(qū)后停止[6]。因此,水質點向前示蹤最后停止的位置,就是污染物最后運移的位置。本文取廠區(qū)電解車間為研究區(qū),在其中設置了5個向前示蹤粒子,進行污染物粒子示蹤模擬。

2.6 模型識別及驗證

在建立空間物理模型以后,首先要進行初始滲流場的擬合,對初始水位以及各個參數進行校正。本文利用2011年8月13日至2011年9月20日的孔隙水壓力計觀測數據及其處理成果,對本模型進行識別及驗證。地下水水位標高等值線比較如圖2、圖3所示。

圖2 場區(qū)實測地下水水位等值線圖(水位標高:m)

圖3 模擬地下水水位等值線圖(水位標高:m)

將模擬地下水水位等值線圖與Surfer8.0所繪實測地下水水位等值線圖[7]對比可以發(fā)現,兩者擬合比較好,說明所建立的水文地質數學模型是基本正確的,邊界條件概化、水文地質參數及源匯項的確定都是比較合理的,所建立的模型較為真實地反映了模擬區(qū)地下水系統(tǒng)的特征,仿真性強[8],可以用于該廠區(qū)地下水滲流變化規(guī)律的分析和預測。

3 模型應用

3.1 滲流分析

廠區(qū)模擬地下水滲流場如圖4所示,圖中有方向的箭頭,表示了水流的大小和方向,模擬區(qū)平均滲流速度1.9×10-6m/s,最大滲流速度2.8×10-6m/s。

圖4 地下水滲流場等值線示意圖(水位標高:m)

由圖4可知,廠區(qū)西北部地下水水位最高,中部次之,東北部、西南部及南部水位較低,地下水以西北部匯水區(qū)為中心向四周滲流,廠區(qū)的東北部、西南部和南部為主要滲流方向,滲流速度較大,滲流速度整體呈現由小到大再逐漸變小的規(guī)律。由此可知,地下水主要通過含水層向西南部和南部的梅壩溪及東北部的下道湖溪排泄。

3.2 粒子示蹤

在電解車間研究區(qū)指定的5個向前示蹤粒子,MODPATH程序將追蹤這些粒子經過地下水系統(tǒng)的路徑。示蹤粒子隨時間運移情況如圖5、圖6所示,圖中有方向箭頭所組成的跡線,不僅表示了水流方向,也可以作為時間標志以決定一個粒子到達某一目的地的時間長度。

由圖5、圖6可知,在3 650 d內,第1個粒子正在向西南方向的梅壩溪中運移,第5個示蹤粒子在廠區(qū)向東北方向運移;在7 300 d內,第1個粒子已經運移到西南部的梅壩溪中,第5個粒子已經運移到東北部的下道湖溪中,第3、4示蹤粒子正在向正東方向運移。

因此,在目前的水文地質條件下,未進行防滲設施設置時,廠區(qū)電解車間的污染物將會分別向廠區(qū)東北部和西北部運移,20 a之內會到達廠區(qū)西北部的梅壩溪上游及東北部的下道湖溪,對溪水直接造成污染。

圖5 粒子運移10 a示蹤示意圖

圖6 粒子運移20 a示蹤示意圖

4 結 語

(1)本文所建立的水文地質概念模型和數學模型是正確的,所選取的參數、計算的源匯項及設定的邊界條件都是基本合理的,符合該廠區(qū)的實際情況,可用于廠區(qū)滲流場分析、地下水動態(tài)變化規(guī)律的研究及污染物隨時間運移情況的預測。

(2)由模擬地下水滲流場可知,廠區(qū)西北部地下水水位最高,中部次之,東北部、西南部及南部水位較低,地下水以西北部匯水區(qū)為中心向西南部和南部的梅壩溪及東北部的下道湖溪滲流。

(3)在廠區(qū)目前的水文地質條件下,未進行防滲設施設置時,廠區(qū)西北部的電解車間附近的污染物將會向東北部的下道湖溪和西北部的梅壩溪運移,20 a之內會直接對溪水造成污染。建議結合水文地質勘察結果和實際的工程經驗,在廠區(qū)的相應段設置防滲帷幕或構筑防滲墻等設施,以防滲漏污水對地下水、梅壩溪和下道湖溪水環(huán)境造成污染。

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Numerical Simulation for Groundwater in Seepage Control Project of a Mining Factory

LI Kai1,2,JIAN Wen-bin1,2,ZHOU Bei-rui1,2
(1.College of Environment and Resources,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China;2.Institute of Geotechnics and Engineering Geology,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian350108,China)

According to the hydrogeological conditionsof a mining factory,and on the basis of the establishment of hydrogeological mathematical model,the numerical analysis model of the groundwater of the area is established by using the finite difference software for numerical calculation,and the sub-module is also used to trace and simulate the groundwater particles.The model is verified by the relevant data recorded by the pore water pressure meter.The simulation results from the model are in good agreement with the actual situation,that is,the groundwater of thismining factory would flow from the northwest area to Meiba Creek in the south and southwest area,and to Xiadaohu Creek in the northeast area.The model could be used for the dynamic simulation and forecasting of the groundwater in the factory,and for the research of the transport pathway of pollutants,at the same time,it could also be used to provide reliable bases for the seepage control project in the factory.

finite difference method;groundwater;seepage field;mathematical model;numerical simulation

TU753

A

1672—1144(2012)01—0078—05

2011-11-09

2011-12-25

李 凱(1988—),男(漢族),山西臨汾人,碩士研究生,研究方向為巖土工程與地質工程。

簡文彬(1963—),男(漢族),福建永定人,教授,博導,主要從事巖土工程與地質工程方面的教學與科研工作。