李 凱,簡(jiǎn)文彬,周倍銳

(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福建福州 350108;2.福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所,福建福州 350108)

某廠區(qū)防滲工程地下水?dāng)?shù)值模擬

李 凱1,2,簡(jiǎn)文彬1,2,周倍銳1,2

(1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福建福州 350108;2.福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所,福建福州 350108)

根據(jù)某廠區(qū)的水文地質(zhì)條件,在建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,運(yùn)用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件對(duì)該廠區(qū)地下水的滲流規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析,并運(yùn)用其跟蹤模擬子模塊對(duì)該廠區(qū)地下水的水質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行了粒子示蹤模擬。通過(guò)研究區(qū)埋設(shè)的孔隙水壓力計(jì)測(cè)試成果的驗(yàn)證,該模型模擬結(jié)果與廠區(qū)地下水滲流場(chǎng)的實(shí)際情況較為吻合,即廠區(qū)地下水會(huì)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(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè),及污染物運(yùn)移途徑研究,可以為廠區(qū)的防滲工程提供可靠依據(jù)。

有限差分法;地下水;滲流場(chǎng);數(shù)學(xué)模型;數(shù)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(chǎn)過(guò)程中會(huì)形成大量的廢水,處置不當(dāng)形成滲漏會(huì)造成對(duì)地下水、地表水的嚴(yán)重污染,原材料及成品的堆存不當(dāng)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(zhì)條件的基礎(chǔ)上,建立研究區(qū)水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型,利用有限差分?jǐn)?shù)值軟件及其跟蹤模擬子模塊建立研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型,模擬出廠區(qū)地下水滲流場(chǎng)的特征,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)所埋設(shè)的孔隙水壓力計(jì)測(cè)得的相關(guān)資料及其處理結(jié)果,驗(yàn)證了模型用于廠區(qū)地下水動(dòng)態(tài)模擬和預(yù)測(cè)及污染物運(yùn)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(jù)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

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

場(chǎng)區(qū)的匯水面積約1.0 km2。根據(jù)場(chǎng)地地層分布情況,場(chǎng)地內(nèi)地下水可劃分為四個(gè)水質(zhì)地質(zhì)單元,即上層滯水含水單元、松散巖類孔隙水含水單元、風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙水含水單元、基巖構(gòu)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(bǔ)給來(lái)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(nèi),含水層主要為粉質(zhì)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(bǔ)給來(lái)源受側(cè)向地下水的補(bǔ)給和河水下滲補(bǔ)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(biāo)高與地形形態(tài)大致相同。

風(fēng)化殼網(wǎng)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(qiáng)風(fēng)化巖層內(nèi),賦存于殘坡積砂質(zhì)粘性土及強(qiáng)風(fēng)化巖網(wǎng)狀孔隙、裂隙中,接受大氣降水和基巖裂隙水補(bǔ)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(gòu)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(gòu)造裂隙,具半承壓性,場(chǎng)地內(nèi)未見(jiàn)該層地下水位涌出。主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給,大多數(shù)地段構(gòu)造裂隙水量一般較小,富水性差,水量貧乏,在構(gòu)造帶導(dǎo)水向內(nèi)透水性較強(qiáng),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(dú)立的自然邊界,因而可確定廠區(qū)為相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。廠區(qū)整平后的標(biāo)高與梅壩溪水庫(kù)庫(kù)水面高差約20 m～30 m,總體上來(lái)說(shuō),一般上部的貯水量相對(duì)較少,其主要受大氣降水及廠區(qū)生活、生產(chǎn)的棄水補(bǔ)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(cè)向補(bǔ)給。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及水文試驗(yàn)結(jié)果:廠區(qū)內(nèi)相對(duì)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(cè)相對(duì)地勢(shì)較高,南側(cè)地勢(shì)相對(duì)較低,出露的地層巖性多為殘、坡積土層,全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,下部為中風(fēng)化花崗巖,導(dǎo)水性總體上較差。研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面圖

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)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(duì)實(shí)際水文地質(zhì)條件加以概化,建立水文地質(zhì)概念模型。根據(jù)該區(qū)的水文地質(zhì)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(bǔ)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(jù)勘察資料,鉆孔揭示深度范圍內(nèi),沒(méi)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(jù)區(qū)內(nèi)含水層類型、巖性、厚度和滲透性等,將含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化為非均質(zhì)各項(xiàng)同性 ,地下水在其中流動(dòng)符合達(dá)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(bǔ)給的潛水含水層非均質(zhì)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(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)上述水文地質(zhì)模型的概化,可以建立與其相對(duì)應(yīng)的地下水流數(shù)學(xué)模型,其微分方程如下[2-3]:

式中:D為滲流計(jì)算域;K為沿x,y坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)(m/d);h為點(diǎn)(x,y)在t時(shí)刻水頭值(m);h0為含水層的初始水頭(m);f為不同時(shí)刻的河水位(m);μs為潛水含水層貯水系數(shù);t為時(shí)間(d);W為源匯項(xiàng)(m/d);Kn為邊界法線方向的滲透系數(shù)(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(wǎng)格劃分

本文采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬的建模和運(yùn)算。計(jì)算模型覆蓋整個(gè)廠區(qū)并包含廠區(qū)西南側(cè)和南側(cè)的梅壩溪,網(wǎng)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(jì)1 080 km2,在對(duì)河流地段進(jìn)行網(wǎng)格加密后,網(wǎng)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(biāo)高、層底標(biāo)高)均從模擬區(qū)內(nèi)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(jì)算單位選用軟件自定的缺省值[4]。

2.4 參數(shù)選取

模型所涉及參數(shù)主要包括滲透系數(shù)、多年平均降雨量(降雨強(qiáng)度)及降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)、多年平均蒸發(fā)量等重要指標(biāo),以及貯水率、給水度等重要參數(shù)。本次計(jì)算充分應(yīng)用了大量勘探資料中壓水、抽水試驗(yàn)成果,首先對(duì)廠區(qū)的滲透系數(shù)取各測(cè)點(diǎn)的平均值,并對(duì)各個(gè)方向上的滲透系數(shù)進(jìn)行了初步選取,然后通過(guò)模型識(shí)別與校正后,最終確定參數(shù)[5]如表1、表2。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

表2 河流邊界參數(shù)

2.5 粒子跟蹤

水質(zhì)點(diǎn)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(shù)量的示蹤水質(zhì)點(diǎn)定義在地下水系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū),水質(zhì)點(diǎn)由補(bǔ)給區(qū)示蹤移動(dòng)至排泄區(qū),而向后示蹤則是將一定數(shù)量的示蹤水質(zhì)點(diǎn)定義在地下水系統(tǒng)排泄區(qū)或排泄點(diǎn),水質(zhì)點(diǎn)由排泄區(qū)或排泄點(diǎn)反向示蹤追溯到補(bǔ)給區(qū)后停止[6]。因此,水質(zhì)點(diǎn)向前示蹤最后停止的位置,就是污染物最后運(yùn)移的位置。本文取廠區(qū)電解車間為研究區(qū),在其中設(shè)置了5個(gè)向前示蹤粒子,進(jìn)行污染物粒子示蹤模擬。

2.6 模型識(shí)別及驗(yàn)證

在建立空間物理模型以后,首先要進(jìn)行初始滲流場(chǎng)的擬合,對(duì)初始水位以及各個(gè)參數(shù)進(jìn)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(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)及其處理成果,對(duì)本模型進(jìn)行識(shí)別及驗(yàn)證。地下水水位標(biāo)高等值線比較如圖2、圖3所示。

圖2 場(chǎng)區(qū)實(shí)測(cè)地下水水位等值線圖(水位標(biāo)高:m)

圖3 模擬地下水水位等值線圖(水位標(biāo)高:m)

將模擬地下水水位等值線圖與Surfer8.0所繪實(shí)測(cè)地下水水位等值線圖[7]對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),兩者擬合比較好,說(shuō)明所建立的水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型是基本正確的,邊界條件概化、水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項(xiàng)的確定都是比較合理的,所建立的模型較為真實(shí)地反映了模擬區(qū)地下水系統(tǒng)的特征,仿真性強(qiáng)[8],可以用于該廠區(qū)地下水滲流變化規(guī)律的分析和預(yù)測(cè)。

3 模型應(yīng)用

3.1 滲流分析

廠區(qū)模擬地下水滲流場(chǎng)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(chǎng)等值線示意圖(水位標(biāo)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(xiàn)由小到大再逐漸變小的規(guī)律。由此可知,地下水主要通過(guò)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(gè)向前示蹤粒子,MODPATH程序?qū)⒆粉欉@些粒子經(jīng)過(guò)地下水系統(tǒng)的路徑。示蹤粒子隨時(shí)間運(yùn)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(shí)間標(biāo)志以決定一個(gè)粒子到達(dá)某一目的地的時(shí)間長(zhǎng)度。

由圖5、圖6可知,在3 650 d內(nèi),第1個(gè)粒子正在向西南方向的梅壩溪中運(yùn)移,第5個(gè)示蹤粒子在廠區(qū)向東北方向運(yùn)移;在7 300 d內(nèi),第1個(gè)粒子已經(jīng)運(yùn)移到西南部的梅壩溪中,第5個(gè)粒子已經(jīng)運(yùn)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(yùn)移。

因此,在目前的水文地質(zhì)條件下,未進(jìn)行防滲設(shè)施設(shè)置時(shí),廠區(qū)電解車間的污染物將會(huì)分別向廠區(qū)東北部和西北部運(yùn)移,20 a之內(nèi)會(huì)到達(dá)廠區(qū)西北部的梅壩溪上游及東北部的下道湖溪,對(duì)溪水直接造成污染。

圖5 粒子運(yùn)移10 a示蹤示意圖

圖6 粒子運(yùn)移20 a示蹤示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型是正確的,所選取的參數(shù)、計(jì)算的源匯項(xiàng)及設(shè)定的邊界條件都是基本合理的,符合該廠區(qū)的實(shí)際情況,可用于廠區(qū)滲流場(chǎng)分析、地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的研究及污染物隨時(shí)間運(yùn)移情況的預(yù)測(cè)。

(2)由模擬地下水滲流場(chǎng)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(zhì)條件下,未進(jìn)行防滲設(shè)施設(shè)置時(shí),廠區(qū)西北部的電解車間附近的污染物將會(huì)向東北部的下道湖溪和西北部的梅壩溪運(yùn)移,20 a之內(nèi)會(huì)直接對(duì)溪水造成污染。建議結(jié)合水文地質(zhì)勘察結(jié)果和實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn),在廠區(qū)的相應(yīng)段設(shè)置防滲帷幕或構(gòu)筑防滲墻等設(shè)施,以防滲漏污水對(duì)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?yàn)閹r土工程與地質(zhì)工程。

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