云南陸良危險廢物填埋場污染物滲濾液遷移規(guī)律研究

王仁敏+曹廣祝

摘要： 如何準確模擬工業(yè)危險廢物填埋場污染物遷移規(guī)律關乎周邊群眾生產、生活安全，目前使用廣泛的地下水數(shù)值模擬軟件對于巖溶區(qū)孔隙-裂隙-管道三重介質模擬具有較大的困難，文章將場區(qū)內的巖溶管道概化為河流，使用GMS中Modflow、MT3D、排水溝模塊對工業(yè)危險廢物填埋場的水位、污染羽的分布情況進行模擬，模擬結果表明污染物在孔隙-裂隙-管道三重介質中，巖溶管道對于污染物的遷移有較大的影響，污染羽在巖溶管道處明顯發(fā)生拖尾現(xiàn)象。

Abstract： The accuracy of contamination simulation in hazardous landfill site is important for nearby people's safety of health and production. However， the usage of groundwater numeral simulation software has many difficulties in conduit-fissure-pore media. In this passage， karst conduits are summarized by drains and use Modflow， MT3D， drain modules to simulate the field of landfill site. Then， get the distribution diagram of water heads and contaminant plumes. The result shows that the contamination in conduit-fissure-pore media is strongly influenced by karst conduit， the contaminant plumes have trailing phenomenon in the place of conduit.

關鍵詞： 危險廢物填埋場；巖溶管道；污染物遷移規(guī)律；數(shù)值模擬

Key words： hazardous waste landfill site；karst conduit；contamination transfer law；numeral simulation

中圖分類號：X513；P642.25 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0089-03

0 引言

云南是一個礦業(yè)大省，礦業(yè)的發(fā)展一方面帶動了云南經濟發(fā)展，另一方面由于礦產的冶煉，產生的廢渣以及廢渣滲濾液對環(huán)境的污染也十分嚴重。不同于其他地區(qū)的危險廢物填埋場場地，云南由于有大范圍的巖溶區(qū)出露，填埋場的選址可能無法避免地選擇巖溶區(qū)，研究巖溶場地中污染物滲濾液遷移規(guī)律對于周邊人民群眾的生命健康安全具有重要的意義。

巖溶區(qū)的水頭分布規(guī)律以及污染物遷移規(guī)律不僅僅與孔隙、裂隙有關，巖溶管道也是很重要的因素之一。地下水在滲流過程中會優(yōu)先沿著巖溶管道快速流動，而現(xiàn)階段所有數(shù)值模擬軟件因使用的是流網相關理論，故無法直接模擬巖溶管道的水頭分布情況以及污染物遷移情況。對于巖溶管道的模擬方法，國內外進行相關研究，大致可以分為兩種方法，多孔介質等效法和排水溝等效法。

20世紀90年代，以陳崇希為主的學者提出了多孔介質等效法[1]，將巖溶管道等效為滲透系數(shù)較大的條帶狀含水層。經驗證[2]，該方法在流速較低、雷諾數(shù)低于10的情況下具有較高的精確度，然而當雷諾數(shù)超過一定臨界值時，模擬精度將大幅度下降。

2004年，肖斌提出了河流、排水溝等效法。當流速較快時，雷諾數(shù)大于10時，將巖溶管道概化為河流或排水溝更加符合真實情況[3]。

因為巖溶管道的水頭模擬存在困難，所以模擬在巖溶管道模型中的污染物遷移規(guī)律是國內外研究的空白。根據(jù)前人的工作成果，可以將巖溶管道概化為排水溝，繪制場區(qū)等水頭線圖，基于該等水頭線圖模擬場區(qū)污染物遷移規(guī)律，從而為評價該危險廢物填埋場對周邊環(huán)境污染情況，為下一步工程建設提供指導建議。

1 場區(qū)水文地質情況

陸良縣位于云南省東部，居南盤江上游，區(qū)域上屬珠江流域南盤江水系。南盤江自北東的響水壩水庫流經陸良壩子后，向南西流到縣外，在本縣的支流分別向北、向南呈樹枝狀展布，在壩區(qū)內則呈網格狀分布（圖1）。陸良縣召夸鎮(zhèn)位于陸良縣南部，擬建陸良縣工業(yè)固體廢棄物集中安全處置工程場地處于召夸鎮(zhèn)西北方向約2.5km處的清水塘山西北側峰林谷地發(fā)育的山地丘陵區(qū)。根據(jù)2014年《云南省陸良縣地質災害及區(qū)劃報告》[4]，陸良縣屬于典型的亞熱帶高原季風型冬干夏濕氣候區(qū)，年降雨量578.7～1334.3mm，降水量主要集中在5～8月（圖1）。場地內出露的主要地層由新至老為：第四系（Qp）、第三系（N2）、石炭系下統(tǒng)大唐階上司段（C1ds）、石炭系下統(tǒng)大唐階萬壽山段（C1dw）、泥盆系上統(tǒng)一打得群（D3i）、泥盆系上統(tǒng)曲靖組（D2q）、泥盆系中統(tǒng)?？诮M（D2h）、元古界牛頭山組（Ptn）、元古界昆陽群組（Pt1hs）。第四系、第三系以砂、黏土、礫石為主，石炭系、泥盆系地層以灰?guī)r、白云巖為主，巖溶管道發(fā)育。

場區(qū)類華夏系構造體系之背斜、向斜與斷裂交錯發(fā)育，區(qū)內構造以楊梅山復背斜“隆起區(qū)”為主導。楊梅山復背斜呈北東35°方向延伸，寬約10公里，其軸部位于召夸、楊梅山、中寨一帶，向東北為陸良上第三系盆地所覆蓋，區(qū)內長30公里以上，軸部由昆陽群組（Pt1hs）地層和牛頭山組（Ptna、Ptnb、Ptnc）地層構成，兩翼主要由曲靖組（D2q）地層和一打得群組（D3i）地層構成；其間褶皺緊密，軸部復雜是滇東長期隆起的一部分。擬建項目位于華夏系構造體系之楊梅山復背斜西翼上的召夸西北方向清水塘山一帶，處于兩條性質不明的、呈南北向發(fā)育的次一級斷裂構造之間。（圖2）

測區(qū)內碳酸鹽巖巖溶地貌廣泛分布，主要分布于擬建項目所在區(qū)及其周邊較大的范圍內，其他地段也有零星分布。

2 模擬方法

本次模擬采用GMS地下水模擬系統(tǒng)（Groundwater Modeling System）軟件 [5]，主要使用到的模塊為Modflow、MT3DS、排水溝模塊。使用GMS中排水溝模塊概化巖溶管道，西側、西北側、北側及南側均為隔水邊界，東側為定流量邊界。根據(jù)施工鉆孔穩(wěn)定水位及泉點出露位置高程，其他部位根據(jù)地形形態(tài)特征插值推測，采用克里金插值方法獲得模擬區(qū)地下水等水位線。（圖3）

2.1 管道概化

式中，Qn為排水溝排水量；Kn為排水溝底部滲透系數(shù)；An為排水溝面積；Dn為排水溝底部厚度；hn為地下水水位標高。

2.2 數(shù)學模型

3 模擬結果（圖4～圖8）

4 結果與討論

根據(jù)實驗結果可以知道，污染羽的遷移方式受到巖溶管道的影響較大，從第2000天（圖6）開始，巖溶管道附近的污染羽出現(xiàn)了明顯的拖尾現(xiàn)象，隨著時間的推移，這個現(xiàn)象更加明顯，從以至于達到7200天時（圖8），巖溶管道已經成為污染物擴散最快的部分。

相比傳統(tǒng)的多孔介質等效法模擬巖溶區(qū)管道流，多孔介質等效由于采用的是達西定律，流速相比排水溝概化的管道是較慢的，不會在巖溶管道附近出現(xiàn)明顯的拖尾現(xiàn)象。而實際情況下，管道流的流速明顯大于滲流速度，管道流中污染物遷移速度明顯快于多孔介質滲透。在極端情況下，巖溶管道是污染物遷移最主要的介質。使用將巖溶管道概化為排水溝的方法更加符合實際情況。

根據(jù)模擬結果可以知道，擬建場地由于巖溶管道極為發(fā)育，多孔介質污染物彌散速度遠遠低于巖溶管道污染物遷移速度，由于巖溶管道存在探測困難，深部巖溶管道無法使用現(xiàn)有物探手段獲得，故地下水污染風險相比只有多孔介質滲流的情況下大很多，所以在設計危險廢物填埋場時，應盡可能避開巖溶管道發(fā)育地區(qū)。

參考文獻：

[1]CHENG J M， CHEN C X. An integrated linear/non-linear flow model for the conduit-fissure-pore media in the karst triple void aquifer system [J]. Environmental Geology， 2005， 47（2）： 163-74.

[2]成建梅，陳崇希.廣西北山巖溶管道一裂隙一孔隙地下水流數(shù)值模擬初探[J].水文地質工程地質，1998（4）：50.

[3]肖斌，許模，曾科，等.基于Modflow的巖溶管道概化與模擬探討[J].地下水，2014，36（1）.

[4]云南省國土資源廳，2014.

[5]易立新，徐鶴.地下水數(shù)值模擬：GMS應用基礎與實例[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2010.