某巖溶區(qū)固廢渣場地下水污染模擬

彭傳路，陳 舟，竇 智，施佳會, 計(jì)順順

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210000; 2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310014;3.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210000)

0 引言

地下水是工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及居民日常生活重要用水，隨著國家工業(yè)水平的不斷發(fā)展，地下水污染日趨嚴(yán)重。巖溶區(qū)域的污染物遷移規(guī)律和模擬研究由于其介質(zhì)的強(qiáng)烈非均質(zhì)性成為了地下水溶質(zhì)運(yùn)移領(lǐng)域的難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前，針對巖溶地區(qū)的地下水運(yùn)移模擬的模型主要有等效多孔介質(zhì)模型、雙重連續(xù)介質(zhì)模型和離散介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型等。Hartmann等[1]認(rèn)為可以在大尺度研究區(qū)域下使用等效多孔介質(zhì)模型。Michael等[2]對美國某巖溶含水層建立了等效多孔介質(zhì)模型，并取得了良好的效果。Saller等[3]在Putnam的基礎(chǔ)上對某巖溶含水層多孔介質(zhì)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了研究區(qū)雙重介質(zhì)模型。此外，離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型主要解決中小尺度問題，對于裂隙特征難以確定，研究難度較大。由于研究區(qū)尺度較大，將基于等效多孔介質(zhì)模型進(jìn)行相關(guān)模擬。

固廢渣場堆放后，在降雨入滲的條件下會產(chǎn)生滲濾液，滲濾液根據(jù)堆放物種類的不同會產(chǎn)生不同類型的污染物。張?jiān)释さ萚4]對渣場滲濾液進(jìn)行模擬預(yù)測，得出了污染物垂向運(yùn)移深度，并對渣場的使用前景進(jìn)行評估。眭素剛等[5]研究了渣場污染物在非飽和帶中的彌散特性，預(yù)測了污染物對周邊地下水環(huán)境的影響情況。巖溶地區(qū)地表水污染物容易通過巖溶裂隙和落水洞等進(jìn)入地下水含水層，造成地下水污染。目前區(qū)域尺度巖溶區(qū)渣場污染物的地下水環(huán)境影響研究較少[6-7]。因此，有必要開展巖溶區(qū)固廢渣場的地下水環(huán)境影響模擬預(yù)測工作。

研究區(qū)固廢渣場投入使用后產(chǎn)生的淋溶水污染可能會造成地下水環(huán)境的影響，且渣場東部的水庫蓄水后對研究區(qū)滲流場的影響以及渣場可能對水庫水質(zhì)的影響亟需研究。因此，以固廢渣場為研究對象，利用地下水流數(shù)值模擬軟件GMS，建立了研究區(qū)地下水滲流及溶質(zhì)運(yùn)移模型，旨在分析地表水體(水庫)邊界變化對地下水滲流場和溶質(zhì)運(yùn)移場的影響，預(yù)測主要敏感點(diǎn)(水庫)中的污染物輸入通量及質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云貴高原模塊廣西丘陵過渡的斜坡地帶，黔西南交叉斷裂的南側(cè)，西北是興仁向斜，屬于烏蒙山脈東南側(cè)邊緣巖溶化山原區(qū)。四周陡峻，中部平緩，北高南低、東高西低。

研究區(qū)多年平均氣溫15.1℃，極端最高氣溫為34℃，極端最低氣溫為-8.9℃。多年平均降雨量為1200.6mm，雨季5—10月，降雨量993.7mm，占全年降雨量的82.54%，11月至次年4月降雨量206.9mm，占全年降雨量的17.46%，雨量分布不均。

研究區(qū)內(nèi)主要出露二疊系下統(tǒng)至三疊系上統(tǒng)。因三疊系上統(tǒng)賴石科組(T3l)、下統(tǒng)夜郞組第一段(T1y1)和第三段(T1y3)相對隔水地層的存在，根據(jù)可溶巖的巖性特征及出露位置，區(qū)內(nèi)大致可分為以弱巖溶含水透水、中等巖溶含水透水和強(qiáng)巖溶含水透水3個水文地質(zhì)單元。其中，弱巖溶含水透水巖組由三疊系中統(tǒng)楊柳井組第一段(T2y1)、關(guān)嶺組第一段(T2g1)、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第二段(T1yn2)及夜郎組第二段(T1y2)組成，以薄層白云巖、泥質(zhì)白云巖、粘土巖、粉砂巖為主。中等巖溶含水透水巖組以三疊系中統(tǒng)楊柳井組第二段(T2y2)、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第四段(T1yn4)組成，以中厚層—塊狀白云巖、灰質(zhì)白云巖、角礫狀白云巖為主。強(qiáng)巖溶含水透水巖組為三疊系中統(tǒng)竹桿坡(T2z)和關(guān)嶺組第二段(T2g2)、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段、第三段(T1yn1、T1yn3)組成，以灰?guī)r為主。

渣場的庫盆內(nèi)大部分區(qū)域有覆蓋層分布，且以黃色中密—密實(shí)的粘土為主，粘土內(nèi)地下水主要為毛細(xì)管水，接受大氣降水補(bǔ)給，向下伏基巖排泄；下伏基巖為三疊中統(tǒng)楊柳井組第一段(T2y1)，巖性以薄層白云巖夾泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖、瘤狀灰?guī)r為主，為弱巖溶含水透水巖組，地下水以風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水為主，賦藏于構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙內(nèi)，水量較小，接受大氣降水和上部覆蓋層中孔隙水或毛細(xì)管水補(bǔ)給；庫區(qū)地形為一近北西—南東向展布的寬緩溶蝕、剝蝕斜谷，谷內(nèi)大部分地下水和地表水均向南東側(cè)蘇家河排泄。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 含水層結(jié)構(gòu)

研究區(qū)地下水的主要類型為巖溶裂隙水。為了更好的區(qū)分巖性沿垂直方向上的變化，將模型劃分為四層：第一層為第四系松散層沉積物；其余三層分別為強(qiáng)巖溶含水透水巖組、中等巖溶含水透水巖組和弱巖溶含水透水巖組(圖1)。

其中擬建渣場位于三疊系中統(tǒng)楊柳井組第一段(T2y1)弱含水透水水文地質(zhì)單元內(nèi)。區(qū)域地下水流方向自西北向東南。

2.2 模型邊界設(shè)置

模型邊界設(shè)置為：研究區(qū)東側(cè)深切的蘇家河、西側(cè)的魯溝河、南部的卡子河與北側(cè)深切的馬路河為定水頭邊界條件；研究區(qū)西北側(cè)僅出露一口流量較小的泉點(diǎn)，定為流量邊界(圖1)。研究區(qū)上部潛水面邊界接受大氣降水入滲補(bǔ)給，為補(bǔ)給邊界；根據(jù)鉆孔資料，高程在1 100m左右的垂向滲流量較小，因此，將高程1 100m的底部邊界定為隔水邊界(圖2)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Figure 1 Hydrogeological map of study area

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面Figure 2 Study area hydrogeological sections

3 地下水流數(shù)值模擬

3.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，研究區(qū)巖溶含水層含水介質(zhì)以裂隙為主，地下水流符合達(dá)西定律。將研究區(qū)地下水概化為非均質(zhì)、各向同性的穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)?？捎萌缦挛⒎址匠痰亩ń鈫栴}來描述：

3.2 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

在線性彌散定律和質(zhì)量守恒定律的基礎(chǔ)上建立溶質(zhì)在三維地下水流中的求解數(shù)學(xué)方程如下：

式中：n為介質(zhì)孔隙度；C為組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·L-1；t為時間，d；Dij為水動力彌散系數(shù)張量，m2·d-1；vi為地下水滲流速度張量，m·d-1；Ω為滲流區(qū)域；C0為已知質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布；B1為通量邊界；qs為源和匯，1·d-1；Cs為源和匯水流中組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg·L-1。

3.3 時空離散及求解方法

模型將模擬區(qū)在垂向上共分為4層，平面上分為40 000個網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)51 005個。其中，整個模擬區(qū)域有17 951個效單元格。利用GMS中的地下水流模塊Modflow和溶質(zhì)運(yùn)移模塊MT3D建立地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型耦合模型。

3.4 地下水流模型的識別和校正

采用2017年12月統(tǒng)測的研究區(qū)26個鉆孔水位，通過Kriging插值法獲得地下水初始流場。首先，利用GMS軟件的PEST功能對三維地下水?dāng)?shù)值模型進(jìn)行自動識別校正，然后采用“試錯法”對三維地質(zhì)模型進(jìn)行反復(fù)識別。經(jīng)過多次參數(shù)的反復(fù)識別，使得模擬的流場和實(shí)際地下水流場較好的擬合。研究區(qū)在模型中添加觀測孔模塊和相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，生成的測孔水位條形校核結(jié)果綠色部分表示模擬誤差小于0.8m，占鉆孔總數(shù)84.6%；橙色表示誤差小于0.6m，占鉆孔總數(shù)15.4%。地下水流場擬合情況可見圖3。初始水文地質(zhì)參數(shù)取值參考研究區(qū)前期抽水試驗(yàn)及水文地質(zhì)勘察結(jié)果。模型校正后研究區(qū)滲透系數(shù)取值見表1，降雨入滲系數(shù)和孔隙度取值見表2。

表1 主要地層對應(yīng)的滲透系數(shù)Table 1 Main strata corresponding permeability coefficients

模型縱向彌散度根據(jù)Xu和Eckstein[15]得出的彌散度與觀測尺度的非線性關(guān)系：

?L=0.83×(lgLs)2.414=0.83×(lg1 500)2.414

=13.51m

式中：?L為縱向彌散度；Ls為觀測尺度，m?？v向彌散系數(shù)為橫向及垂向彌散系數(shù)的十倍。

表2 不同巖性對應(yīng)的降雨入滲系數(shù)和孔隙度Table 2 Different lithologic characters corresponding rainfall infiltration coefficients and porosities

4 地下水中污染物擴(kuò)散范圍模擬預(yù)測

4.1 水庫蓄水前后地下水滲流場對比

研究區(qū)東側(cè)和南側(cè)的河流屬于擬建的美女山水庫庫區(qū)，水庫蓄水前后研究區(qū)的地下水滲流場見圖3和圖4。

對比水庫蓄水前后地下水流場可知，蓄水后研究區(qū)的地下水水位整體升高，地下水水位變化幅度與所處位置有關(guān)，研究區(qū)東南側(cè)(靠近水庫庫區(qū)邊緣)的地下水水位升高了67m，研究區(qū)西北側(cè)和北側(cè)(水庫庫區(qū)之外)的地下水水位變化較小。渣場區(qū)的地下水水位升高了24m?？傮w上研究區(qū)東部地下水向東南方運(yùn)移，蘇家河為最低排泄基準(zhǔn)面；西部地下水向西南方向運(yùn)移，魯溝河為最低排泄基準(zhǔn)面。

4.2 滲漏情景及源質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定

研究區(qū)東部的蘇家河為飲用水源地，因此在蘇家河設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)S1(圖1)，以預(yù)測污染物運(yùn)移對河流的影響。在已經(jīng)建立的地下水滲流模型的基礎(chǔ)上，利用GMS軟件的MT3D模塊對地下水中污染物遷移模擬預(yù)測。

正常工況下，污染物污染地下水的可能性很小。預(yù)測模擬主要是針對非正常工況下，渣場和調(diào)節(jié)池可能發(fā)生泄漏,污染物作為點(diǎn)源污染隨地下水發(fā)生遷移。從偏安全的角度，渣場底部防滲系統(tǒng)破壞率取10%。本文所建立的模型將上述污染源以點(diǎn)源形式設(shè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)邊界，并按實(shí)際污染源位置進(jìn)行概化。在模擬污染物遷移分布的同時，不考慮吸附作用和化學(xué)反應(yīng)的影響，考慮對流和彌散作用的影響。根據(jù)固體廢物浸出液檢測結(jié)果，選擇了氟化物作為模擬因子，設(shè)置渣場包氣帶下邊界的氟化物的最大源質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.1mg/L。

圖3 水庫蓄水前的地下水流場及擬合Figure 3 Groundwater flow field and fitting before reservoir impoundment

圖4 水庫蓄水后地下水流場Figure 4 Groundwater flow field after reservoir impoundment

4.3 固廢渣場滲漏預(yù)測及分析

為預(yù)測渣場區(qū)和調(diào)節(jié)池滲漏時污染物運(yùn)移分布，分別模擬并繪出了污染物氟化物在水庫蓄水前后，在滲漏持續(xù)5a、20a、30a后的遷移分布情況。水庫蓄水前可見圖5，在渣場發(fā)生滲漏5a、20a、30a時，氟化物在地下水中水平方向的最大遷移范圍分別是0.163、0.354和0.732km2。以研究區(qū)渣場為滲漏起始點(diǎn)，在水庫蓄水前，模擬時間為5a、20a、30a時氟化物以污染源為中心向四周擴(kuò)散，水平方向最大遷移距離分別為512.3、682.6和1 026.4m；垂直方向氟化物在地下水中的最大遷移距離分別為162.3、278.5和288.2m。

水庫蓄水后可見圖6，在渣場發(fā)生滲漏5、20、30a時，氟化物在地下水中的水平方向最大遷移范圍分別是0.121、0.332和0.781km2。以研究區(qū)渣場為滲漏起始點(diǎn)，在水庫蓄水后，模擬時間為5、20、30a時氟化物以污染源為中心向四周擴(kuò)散，氟化物水平方向最大遷移距離分別為423.3、631.5和1 003.9m；垂直方向氟化物在地下水中最大遷移距離分別為148.5、225.1和263.1m。

由圖5和圖6可知，平面上渣場區(qū)氟化物主要向研究區(qū)東北向遷移，呈扇狀分布，氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)由中心到邊緣逐漸減小，并且氟化物在水庫蓄水前和蓄水后都可遷移至東部美女山水庫；垂向上氟化物的運(yùn)移深度不斷增加，污染源區(qū)氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷升高。在渣場發(fā)生滲漏5、20、30a時，水平方向上氟化物在地下水中最大遷移距離和最大遷移范圍比水庫蓄水后大；垂直方向上，水庫蓄水前氟化物在地下水中遷移距離比水庫蓄水后大。

S1監(jiān)測點(diǎn)氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化趨勢可見圖7。研究區(qū)在水庫蓄水前后，渣場發(fā)生滲漏時，氟化物向渣場東南方向遷移至蘇家河。由圖7可知，水庫蓄水前，氟化物經(jīng)過8 400d由渣場向東南方向遷移至蘇家河，氟化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.090mg/L，河流氟化物的質(zhì)量通量為240.011 kg/d；水庫蓄水后，氟化物經(jīng)過8 600d由渣場向東南方向遷移至蘇家河，氟化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.082mg/L，輸入河流氟化物的質(zhì)量通量為145.488 kg/d。此外，水庫蓄水前后S1監(jiān)測點(diǎn)處最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.34mg/L和3.17mg/L。所以水庫蓄水前渣場發(fā)生滲漏對河流的污染程度比水庫蓄水后要大。參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(氟化物三類水的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是1.0mg/L)，在模擬時間段內(nèi)，S1監(jiān)測點(diǎn)氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)值高于限值。

圖5 水庫蓄水前渣場發(fā)生滲漏時氟化物遷移分布Figure 5 Waste dump leakage fluoride migration and distributions before reservoir impoundment

圖6 水庫蓄水后渣場發(fā)生滲漏時氟化物遷移分布Figure 6 Waste dump leakage fluoride migration and distributions after reservoir impoundment

圖7 監(jiān)測點(diǎn)氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化趨勢Figure 7 Monitoring point fluoride mass fraction time variation trend

5 結(jié)論

(1)針對研究區(qū)的水文地質(zhì)特征及地表水體邊界變化的情況，基于GMS建立了巖溶區(qū)固廢渣場受地下水和地表水相互作用的滲流場模型和污染物遷移的數(shù)值模型。在參數(shù)的識別和模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，預(yù)測了固廢渣場可能發(fā)生的滲漏對地下水環(huán)境和周圍敏感點(diǎn)的影響。渣場發(fā)生滲漏后30a，在監(jiān)測點(diǎn)S1處可以檢測到污染物。

(2)水庫蓄水后的地下水水位比蓄水前抬升了27m。水庫蓄水前渣場滲漏造成的地下水污染程度和對地表水體的污染物輸入通量比水庫蓄水后產(chǎn)生的影響大，分析其原因?yàn)榈乇硭w水位的抬升降低了研究區(qū)的地下水力梯度，從而降低了地下水滲流速度及污染物的輸入通量。