基于GMS的廣西平果鋁赤泥堆場(chǎng)巖溶含水層溶質(zhì)運(yùn)移模擬

李珊珊，陸海建，藍(lán)俊康，黎永索

(1.湖南城市學(xué)院 土木學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045；3.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004)

基于GMS的廣西平果鋁赤泥堆場(chǎng)巖溶含水層溶質(zhì)運(yùn)移模擬

李珊珊1，陸海建2，藍(lán)俊康3，黎永索1

(1.湖南城市學(xué)院 土木學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045；3.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004)

廣西平果鋁赤泥堆場(chǎng)在生產(chǎn)氧化鋁時(shí)會(huì)產(chǎn)生堿性比較高的赤泥淋濾液，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽、氟化物、鋁等污染物。赤泥淋慮液下滲到地下水污染比較敏感的巖溶區(qū)會(huì)對(duì)地下水巖溶含水層造成污染。運(yùn)用GMS軟件模擬赤泥淋濾液在巖溶含水系統(tǒng)的運(yùn)移情況，找出污染物的運(yùn)移規(guī)律、來(lái)預(yù)測(cè)赤泥堆場(chǎng)的建設(shè)對(duì)地下含水層的污染，確定污染物的范圍和濃度的分布。模擬結(jié)果表明：堆場(chǎng)離南部的巖溶管道有一定的距離，下滲的赤泥淋濾液不能很快的流入巖溶管道中，污染物主要是在裂隙和孔隙的巖體介質(zhì)中運(yùn)移，主要以分子擴(kuò)散的形式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的速度十分緩慢。污染暈大致呈圓形向四周擴(kuò)散，30 a后擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離才645 m，堆場(chǎng)的建設(shè)不會(huì)對(duì)附近的巖溶含水層造成污染。

GMS；赤泥；巖溶水；污染

廣西平果鋁1#堆場(chǎng)和2#堆場(chǎng)的面積分別為0.6 km2和1.0 km2。平果鋁的赤泥采用的堆放方法是干法堆放。這2個(gè)堆場(chǎng)早在20多年前就建成使用，堆場(chǎng)位于巖容發(fā)育地帶。鋁廠在生產(chǎn)氧化鋁時(shí)會(huì)產(chǎn)生堿性比較高的赤泥淋濾液，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽、氟化物、鋁等污染物。如果赤泥淋慮液下滲到地下水污染比較敏感的巖溶區(qū)時(shí)會(huì)對(duì)地下水巖溶含水層造成污染[2]。為了預(yù)測(cè)下滲的赤泥淋濾液對(duì)巖溶含水層的污染，運(yùn)用GMS軟件模擬赤泥淋濾液在巖溶含水層的運(yùn)移情況，確定污染物在巖溶含水層中的分布，為合理的開(kāi)采利用地下水資源提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)的位置和范圍

廣西平果鋁赤泥堆場(chǎng)位于平果縣平南村，堆場(chǎng)的東側(cè)為新安—果化公路，堆場(chǎng)的西側(cè)與廣昆高速公路相鄰。堆場(chǎng)周圍地勢(shì)比較平坦沒(méi)有形成天然地表分水嶺，在評(píng)價(jià)時(shí)為了得到獨(dú)立的水文地質(zhì)，經(jīng)調(diào)查研究確定，東部以右江作為定水頭邊界，以地表河流為南部東側(cè)邊界，南部西側(cè)以地下河流(巖1溶管道)為邊界。西部和北部分別以地表分水嶺為界?？偯娣e為193.54 km2。如圖1所示。

1.2 研究區(qū)的水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)為碳酸鹽裂隙溶洞水，主要的含水地層有：(1)下三疊統(tǒng)北泗組(T1b)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r；(2)下三疊統(tǒng)羅樓組(T1l)灰?guī)r；(3)下二迭統(tǒng)茅口階(P1m)灰?guī)r；(4)下二迭統(tǒng)棲霞階(P1q)灰?guī)r；(5)上石炭統(tǒng)(C3)白云巖、灰?guī)r。

主要的隔水地層為：(1)第四系殘積、坡積、沖積黏土(Q4)；(2)上第三系(N)泥巖；(3)上二迭統(tǒng)(P2)砂巖、鐵鋁質(zhì)頁(yè)巖及泥巖；(4)中上三疊統(tǒng)平而關(guān)群下段(T2-3p1)的頁(yè)巖、泥灰?guī)r；

圖1 研究區(qū)范圍

2 地下水流場(chǎng)的模擬

2.1 邊界條件

東部邊界：以右江為邊界；

南部邊界：南部東段以西秀流入右江的地表河為界；南部西段以得頂-新民-更桃-古來(lái)-龍邊-西秀地下河為界(巖溶管道)；

西部邊界：以新安與進(jìn)結(jié)鎮(zhèn)之間的地表分水嶺為界；

北部邊界：以玻璃村以北的百布屯北側(cè)的地表分水嶺為界；

2.2 管道的確定及處理方法

根據(jù)野外水文地質(zhì)測(cè)繪資料和物探、鉆探結(jié)果，確定研究區(qū)地下巖溶管道的位置，將巖溶管道的分布情況繪制在GMS模擬底圖相應(yīng)的位置上。在數(shù)值模擬時(shí)運(yùn)用GMS溝渠包計(jì)算巖溶管道的水流量。采用等效水力傳導(dǎo)系數(shù)來(lái)描述巖溶管道的水流[3,4]。

等效水力傳導(dǎo)系數(shù)——地下水流為非達(dá)西流時(shí)也用達(dá)西公式計(jì)算地下水流速。公式如下：

V=KecJ

(1)

式中：V為等效的達(dá)西流速；J為水力梯度；Kec為等效水力傳導(dǎo)系數(shù)。Kec值由(2)式或(3)式求得。

管道中的水流為層流時(shí)

(2)

式中：d為巖溶管道的直徑；μ為流體的粘滯系數(shù)；ρ為流體的密度。

管道中的水流為紊流態(tài)

(3)

式中：μ為管道水流平均流速，f為摩擦系數(shù)。

2.3 數(shù)學(xué)模型

由于地下水不僅存在水平流動(dòng)，還存在垂向流，所以在模擬時(shí)把地下水流看作三維非穩(wěn)定流[4]，其數(shù)學(xué)模型可根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ610-2011)附錄F得[5]：

(4)

式中：h為地下水水頭(m)；Kx，Ky，Kz為x，y，z方向的滲透系數(shù)(m/d)；B1為已知水頭邊界(第一類邊界)；B2為隔水邊界；h1為河流水位(m)；W為源匯項(xiàng)強(qiáng)度(d-1)；Ω滲流區(qū)域；Ms為儲(chǔ)水率(m-1)，取經(jīng)驗(yàn)值0.000 9。

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)的取值

研究區(qū)分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)初值取研究區(qū)水文地質(zhì)普查報(bào)告資料中各地層巖性的水文地質(zhì)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)研究區(qū)內(nèi)41個(gè)監(jiān)測(cè)孔的實(shí)測(cè)水位值及研究區(qū)內(nèi)水井抽水量、泉水流量進(jìn)行反演模擬。

(1) 滲透系數(shù)：研究區(qū)水文地質(zhì)普查報(bào)告提供的各巖層的水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值作為模擬的初值，最后再通過(guò)實(shí)測(cè)水位擬合對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最后的結(jié)果如表1和表2所示，各參數(shù)分區(qū)的位置見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 淺部含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖3 深部含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

(2)降水入滲系數(shù)：根據(jù)研究區(qū)的地形地貌、各地層巖性及富水性、第四系覆蓋層厚度來(lái)劃分，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)各區(qū)賦初值，然后根據(jù)研究區(qū)實(shí)測(cè)水位進(jìn)行擬合調(diào)參得到最終結(jié)果。分區(qū)如表3所示。

(3)水力傳導(dǎo)系數(shù)：根據(jù)巖溶管道的發(fā)育情況，水力傳導(dǎo)系數(shù)初值設(shè)為5～30 m/d，然后通過(guò)實(shí)測(cè)為水位擬合調(diào)參得到終值。

(4) 給水度：研究區(qū)內(nèi)2個(gè)碳酸鹽層(P1m和P1q)的巖溶發(fā)育程度差不多，研究區(qū)內(nèi)的給水度不再分區(qū)，由于這2個(gè)地層巖溶的面溶蝕率的大小，統(tǒng)一取經(jīng)驗(yàn)值0.04。

2.5 空間的離散

本次模擬區(qū)域是一個(gè)不規(guī)則的圖形，考慮到模擬剖分網(wǎng)格的密度對(duì)模擬結(jié)果精確度的影響，對(duì)研究區(qū)的網(wǎng)格剖分如下：平面上共為180行，180列，模擬時(shí)地形高程以2DS散點(diǎn)的方式輸入，地形高程輸入模型后用IDW插值法對(duì)其賦值[6-8]。

2.6 模型的校正

模型經(jīng)過(guò)反演和實(shí)驗(yàn)，調(diào)整各分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)來(lái)擬合各監(jiān)測(cè)孔的實(shí)際測(cè)量水位，使模型達(dá)到最佳的擬合效果，模擬結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)值的誤差在精度要求范圍內(nèi)則可認(rèn)為模擬結(jié)果是正確的，其中5月份水位模擬結(jié)果與5月份實(shí)際測(cè)量結(jié)果的擬合效果如圖4和圖5所示，由此可以看出模擬的擬合效果比較理想。

表1 淺部含水層滲透系數(shù)各分區(qū)值 m/d

表2 深部含水層滲透系數(shù)各分區(qū)值 m/d

表3 降雨入滲系數(shù)分區(qū)值 m/d

圖4 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)GMS模擬的效果圖

圖5 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位的相關(guān)圖

3 溶質(zhì)運(yùn)移模擬

3.1 污染組分模擬方法及有關(guān)參數(shù)

堆場(chǎng)下滲的赤泥林濾液不僅堿性強(qiáng)，并且其中的硫酸鹽、氟化物、鋁等污染組分的濃度也比較高。各組分的污染物的模擬方法和有關(guān)參數(shù)如下：

(1) pH值的模擬方法：按淋濾液pH=13.0、滲漏量為2.229 6×104m3/d的持續(xù)污染源不斷地滲到含水層，然后按彌散方程利用數(shù)值法模擬出流場(chǎng)內(nèi)任何一處、任何時(shí)刻的pH值。為了安全起見(jiàn)，在模擬過(guò)程中，不考慮含水介質(zhì)對(duì)pH的中和作用，僅考慮稀釋作用。

(2)Al3+的模擬方法：對(duì)堆場(chǎng)中的赤泥濾水的水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定Al3+濃度為63 mg/L。計(jì)算時(shí)按淋濾液pH=13.0、Al3+濃度為63 mg/L、滲漏量為2.229 6×104m3/d的持續(xù)污染源來(lái)模擬。雖然含水介質(zhì)中的Fe2O3對(duì)Al3+有一定的吸附量，但考慮到本場(chǎng)地的第四系粘土層較薄，含有的Fe2O3量及其有限，堆場(chǎng)運(yùn)行后短時(shí)間內(nèi)的吸附即可達(dá)到飽和，所以在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，不再考慮吸附作用，僅考慮地下水的稀釋作用和Al3+的化學(xué)沉淀作用。

圖6 OH-在巖溶含水層中分別擴(kuò)散1、15和30a的離子濃度等直線圖

(3)SO42—離子模擬方法：按SO42—濃度為5 109.56 mg/L、滲漏量為2.229 6×104m3/d的持續(xù)污染源來(lái)模擬。

(4)F—離子模擬方法：按濃度值為118.03 mg/L、滲漏量為2.229 6×104m3/d的持續(xù)污染源來(lái)模擬。

圖7 Al3+在巖溶含水層中分別擴(kuò)散1、15和30a的離子濃度等直線圖

3.2 二維水動(dòng)力彌散問(wèn)題數(shù)學(xué)模型

(5)

圖8 SO42-在巖溶含水層中分別擴(kuò)散1、15和30a的離子濃度等直線圖

3.3 水質(zhì)模型的數(shù)據(jù)輸入

基本運(yùn)移子程序包是水質(zhì)模擬中所必須的，選擇的模擬時(shí)段為 2015年12月到2045年12月，采用 30 d 作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。在 Define Specie中輸入污染因子，選擇使用對(duì)流子程序包、彌散子程序包、源匯項(xiàng)子程序包和運(yùn)移觀測(cè)子程序包，以 2015年12月的污染物濃度場(chǎng)為初始濃度場(chǎng)[10,11]。

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749——2006)來(lái)劃分研究區(qū)的污染區(qū)和未污染區(qū)，其中pH、Al3+、SO42-和F-的界限值分別為：由于赤泥林濾液堿性強(qiáng)所以pH界限為8.5(OH-濃度：0.058 mg/L)；Al3+為0.2 mg/L；SO42-為250 mg/L、F-為1.0 mg/L[12]。

4.1 pH模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示：擬建堆場(chǎng)修建后含水層堿液濃度增加，受地下水流場(chǎng)的影響污染物逐漸向東南和東北方向擴(kuò)散。赤泥林濾液到達(dá)巖溶含水層15 a后，堿液污染物朝堆場(chǎng)的東北向擴(kuò)散最遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)距離為586 m；30 a后老堆場(chǎng)停用只剩擬建的新堆場(chǎng)在使用，30 a后污染物的濃度降低，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離才645 m。根據(jù)此模擬結(jié)果可知，赤泥堿液在含水層擴(kuò)散速度慢，堿液擴(kuò)散到右江河至少需要上百年的時(shí)間。堿液模擬結(jié)果如圖6。

圖9 F-在巖溶含水層中分別擴(kuò)散1、15和30a的離子濃度等直線圖

4.2 Al3+模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示：擬建堆場(chǎng)修建后含水層Al3+的濃度增加，受地下水流場(chǎng)的影響污染物逐漸向東南和東北方向擴(kuò)散。Al3+到達(dá)巖溶含水層15 a后，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離為515 m；30 a后老堆場(chǎng)停用只剩擬建的新堆場(chǎng)在使用，30 a后堆場(chǎng)附近Al3+的濃度降低，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離才540 m。根據(jù)此模擬結(jié)果可知，Al3+在含水層擴(kuò)散速度慢，Al3+擴(kuò)散到右江河至少需要上百年的時(shí)間。Al3+模擬結(jié)果如圖7。

4.3 SO42-模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示：擬建堆場(chǎng)修建后含水層SO42-的濃度增加，受地下水流場(chǎng)的影響污染物逐漸向東南和東北方向擴(kuò)散。SO42-到達(dá)巖溶含水層15年后，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離為492 m；30 a后老堆場(chǎng)停用只剩擬建的新堆場(chǎng)在使用，30 a后堆場(chǎng)附近SO42-的濃度降低，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離才527 m。根據(jù)此模擬結(jié)果可知，Al3+在含水層擴(kuò)散速度慢，SO42-擴(kuò)散到右江河至少需要上百年的時(shí)間。SO42-模擬結(jié)果如圖8。

4.4 F-模擬結(jié)果

模擬結(jié)果顯示：擬建堆場(chǎng)修建后含水層F—的濃度增加，受地下水流場(chǎng)的影響污染物逐漸向東南和東北方向擴(kuò)散。F-到達(dá)巖溶含水層15 a后，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離為574 m；30 a后老堆場(chǎng)停用只剩擬建的新堆場(chǎng)在使用，30 a后堆場(chǎng)附近F-的濃度降低，擴(kuò)散帶向東北向擴(kuò)散的最遠(yuǎn)距離才590 m。根據(jù)此模擬結(jié)果可知，F(xiàn)-在含水層擴(kuò)散速度慢，F(xiàn)-擴(kuò)散到右江河至少需要上百年的時(shí)間。F-模擬結(jié)果如圖9。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)本次模擬結(jié)果可以得出，運(yùn)用GMS溝渠包來(lái)模擬巖溶管道水流，等效達(dá)西流速描述巖溶管道流，不僅在理論上是合理的，而且在實(shí)際模擬過(guò)程也是可行的；

(2)堆場(chǎng)的主要污染物(堿液、Al3+、SO42-和F-)主要以分子擴(kuò)散的形式運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散暈大致呈圓型。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，堿液、Al3+、SO42-和F-污染物從堆場(chǎng)下方含水層擴(kuò)散到右江邊界需要上百年時(shí)間。

(3)本次模擬結(jié)果表明，堿液、Al3+、SO42-和F-污染物在巖溶含水層的運(yùn)動(dòng)速度很慢，而且堆場(chǎng)達(dá)到使用年限后將停止使用，并且會(huì)在堆場(chǎng)上方蓋上土工膜，堆場(chǎng)中赤泥淋慮液將通過(guò)防滲層上方預(yù)留的排水管道排出后處理，赤泥淋慮夜將不會(huì)側(cè)漏或者垂直下滲到巖溶含水層。所以堆場(chǎng)中的堿液、Al3+、SO42-和F-污染物不會(huì)對(duì)附近的巖溶含水層造成污染。

[1]杜長(zhǎng)學(xué),彭振斌,陳安,等. 廣西平南赤泥堆場(chǎng)地下水滲流特性試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).2005，16(4):74-78.

[2]劉國(guó)愛(ài)，郝建軍. 山東鋁業(yè)公司第二赤泥堆場(chǎng)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J]. 山東地質(zhì).2000,16(3):30-35.

[3]Reza Ghasemizadeh, Ferdinand Hellweger,Christoph Butscher, et al. Review: Groundwater flow and transport modeling of karst aquifers, with particular reference to the North Coast Limestone aquifer system of Puerto Rico[J].

[4]成建梅,陳崇希.廣西北山巖溶管道-裂隙-孔隙地下水流數(shù)值模擬初探[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).1998,(4):50- 54.

[5]環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境(HJ610-2011).

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[7]Michael G. McDonald, Arlen W. Harbaugh. A modular three- dimensional finite-difference ground- water flow model: U. S. Geological Survey Techniques of Water-Resources Investigations[M]. Washington: united states government printing office. 1988.

[8]Douchko R., Franci G., Wolfgang D. The impact of hydrochemical boundary conditions on the evolution of limestone karst aquifers [J]. Journal of Hydrology, 2003, 276(1-4): 240-253.

[9]王錦國(guó)，周志芳.裂隙巖體溶質(zhì)運(yùn)移模型研究[J].巖土力學(xué).2005，26(2)：270-276. [10]吳吉春，薛禹群.山西柳林泉裂隙發(fā)育區(qū)溶質(zhì)運(yùn)移三維數(shù)值模擬[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)).2000，(6)：728-734.

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[12]生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2006).

Prediction of karst groundwater pollution by red mud stack field in Pingguo contry Guangxi based on GMS simulation

LI Shan-shan1，LU Hai-jian2，Nan jun-kang3，LI yong-suo1

(1.Hunan city university College of civil engineering Yi’yang 41300，China；2.Guangdong Provincial Acaderuy of Environmental Science，GuangZhou 510045，China；3.GuiLin University of Technology，Gui Lin 541004，China)

Red mud stack field in Pingguo contry Guangxi will produce alkaline higher red mud filtrate in the production of alumina, at the same time can produce sulphate, fluoride, aluminum and other pollutants.Red mud filtrate can cause pollution of groundwater in the karst aquifer when infiltrates into groundwarter to pollute more sensitive karst area. GMS software was used to simulate migration of red mud leachate in karst aquifer system, from which found out contamination’ s regular pattern and determined contamination’ s ditribution and concentration. The simulation results showed that there was certain distance from red mud dump to southern karst pipeline,so red mud leachate should take long time to flow into karst pipeline. Contamination migrated mainly with molecular diffusion in rock medium of cracks and pores and the speed of movement was very slow. Contamination spread to the surrounding with circular and the most distance of contamination spread to the northeast is 645m. So the red mud dumps’ construction will have no pollution to the vicinity karst aquifer pollution.

GMS；red mud；karst groundwater；pollution

2016-10-17

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014SK3180)；湖南省教育廳重點(diǎn)課題(15A035)

李珊珊(1990-)，女，湖南桃江人，助教，主要從事水文學(xué)及水資源研究。

P641.2

A

1004-1184(2017)01-0054-05