任宇澤，田國林，錢　偉

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

?

京能十堰電廠灰場地下水氟化物運移規(guī)律研究

任宇澤，田國林，錢偉

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

[摘要]通過對研究區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，建立田畈灰場的水文地質(zhì)概念模型。選用灰渣溶濾后產(chǎn)生的F-作為模擬因子，利用地下水模擬軟件Visual MODFLOW對研究區(qū)地下水中的F-的運移進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對地下水中的F-污染的范圍和程度進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明：氟化物在地下水中的運移方向與地下水水流方向基本一致，氟化物濃度隨著遷移距離的增大而減小。為灰場地下水環(huán)境污染防治提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]地下水；數(shù)值模擬；溶質(zhì)運移；氟化物；灰場

1研究區(qū)水文地質(zhì)概況

京能十堰熱電廠廠址位于十堰市西北部的張灣區(qū)紅衛(wèi)街辦石橋村，距十堰市中心約5.6 km。田畈灰場位于廠址西北邊面1.5 km處，占地面積約2.2 km2?；覉鰠^(qū)域地下水含水層主要為第四系孔隙水含水層及基巖裂隙含水層。第四系孔隙水含水層中的孔隙潛水，水位埋深為1.7 m左右，隨天氣、季節(jié)變化明顯，7、8月份埋深最小。地下水水化學(xué)類型以HCO3-Na-Ca型為主；基巖裂隙含水層巖性以片巖為主，裂隙水主要分布于溝谷周圍斜坡與山體地區(qū)，水量較貧乏。區(qū)內(nèi)地下潛水主要受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給，基巖裂隙水主要受大氣降水、地表水及第四系孔隙潛水補(bǔ)給，地下水沿裂隙匯集流動，其方向基本上與地形坡度一致，最后流入低洼的溝谷形成潛流或被人工鑿井開采。

2數(shù)值模擬

2.1研究區(qū)邊界及數(shù)學(xué)模型

研究區(qū)范圍主要為馮家灣溝溝谷匯流區(qū)域，根據(jù)前述的地質(zhì)水文地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)出露的地層主要為中元古界武當(dāng)山群(Pt2wd)中高壓變質(zhì)巖地層、新生界第四系松散層等，根據(jù)各地層巖性、抽水試驗、滲水試驗等結(jié)果，區(qū)內(nèi)滲透介質(zhì)可概化為多孔介質(zhì)，為非均質(zhì)各項同性介質(zhì)。大地坐標(biāo)X=473 520-476 750，Y=3 616 620-3 620 020 m，平面面積6.469 km2，底部邊界取 區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，在研究區(qū)上游河流入口處存在地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，進(jìn)入到含水層中的水，總體順地勢由西向東部馮家灣溝谷匯流，最終由研究區(qū)東南部邊界側(cè)向徑流排出，主要排泄方式為向東部馮家灣溝及支溝的側(cè)向徑流排泄。在標(biāo)高235 m處，頂部邊界取在地表?？紤]到本次主要為模擬污染物在地下水中的遷移，對地下水天然流動形態(tài)擾動小，可將研究區(qū)內(nèi)上游溝谷流入研究區(qū)部分概化為側(cè)向定流量徑流補(bǔ)給邊界；下游流出研究區(qū)部分概化為定水頭邊界；研究區(qū)周邊其他邊界為各河流間的分水嶺，可將這些邊界概化為第二類零流量邊界；對于計算區(qū)底部邊界，考慮到深部地層結(jié)構(gòu)完整、透水性差的特點，可概化為隔水底板。對于計算區(qū)頂部邊界，在該處發(fā)生著大氣降水入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)排泄等，可概化為潛水面邊界。研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型示意圖見圖1。

區(qū)內(nèi)地下水運動符合達(dá)西定律，且三維特征顯著，地下水的非穩(wěn)定流運動問題可用下述的三維滲流數(shù)學(xué)模型來描述：

式中：H為水頭(m)；K為滲透系數(shù)(m/d)；W為降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度(m2/d)；μ為給水度；Ω滲流區(qū)；A1為滲流區(qū)西部側(cè)向徑流補(bǔ)給邊界面；A2為滲流區(qū)北部零流量邊界面；A3為滲流區(qū)東部側(cè)向徑流排泄邊界面；A4為滲流區(qū)東南部零流量邊界面；A5為滲流區(qū)南部零流量邊界面；A6為潛水面邊界；A7為隔水底板邊界；n為各邊界面的外法線方向；H0為滲流區(qū)初始流場(m)；

上述的滲流數(shù)學(xué)模型，可用有限差分法進(jìn)行求解。即在對滲流區(qū)進(jìn)行適當(dāng)剖分的基礎(chǔ)上，把微分方程及邊界條件中的微商用差商來代替，從而將微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程組的求解問題。

2.2研究區(qū)網(wǎng)格劃分

根據(jù)本區(qū)滲透介質(zhì)分布、支溝發(fā)育等特點，為了盡可能真實地反映不同地貌部位及不同巖層中地下水的滲流狀況，根據(jù)實際情況，采用規(guī)則長方體單元對研究區(qū)進(jìn)行了較細(xì)致的剖分。其中在水平面上采用間距為10 m等間距正交網(wǎng)格將研究區(qū)剖分為340行、323列(見圖2)。剖分時按照這三類含水層在空間上的分布，將研究區(qū)在垂向上剖分為3層，分別與這三類含水層相對應(yīng)。通過上述的剖分，共剖分出了109 820個單元，其中活動單元64 750個，代表平面實際面積6.469 km2。

圖2　研究區(qū)網(wǎng)格剖分圖

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)歷年來的有關(guān)井孔資料，并結(jié)合出露情來獲取各分層標(biāo)高，結(jié)合對區(qū)域地層分布規(guī)律的認(rèn)識，對資料不足區(qū)域進(jìn)行控制性插值，得到區(qū)內(nèi)各層的底部標(biāo)高離散點數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上采用Kriging插值方法[5]生成模型各層底板標(biāo)高網(wǎng)格。按照研究區(qū)邊界將區(qū)外的數(shù)據(jù)進(jìn)行白化，即獲得研究區(qū)三維幾何模型。

2.3污染物質(zhì)影響途徑及濃度確定

2.3.1影響途徑

事故工況設(shè)置如下：人工防滲層出現(xiàn)破損，灰場內(nèi)的滲濾液會通過防滲層滲流進(jìn)入地下水，從而造成影響。

為定量評價可能的地下水影響，選取如下場景進(jìn)行預(yù)測評價：灰場設(shè)置了人工防滲層，但灰場中部人工防滲層總計出現(xiàn)4 400 m2的破損，灰水通過裂口滲入地下水中。

2.3.2污染物濃度確定

通過類比其他電廠灰渣浸溶試驗以及灰場淋濾液成份分析，可以確定灰水的特征污染物主要為氟化物，低氟和高氟煤灰渣淋濾溶液，氟化物濃度一般在1.0～10.0 mg/L之間，因此本次預(yù)測氟化物濃度為10.0 mg/L。

人工防滲層出現(xiàn)破損時，灰水的滲入量采用如下公式計算：

Q0=α×F×P

式中：Q0為入滲量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)；F為渣場破損滲水面積，m2；P為降水量，mm/n。

灰場庫區(qū)防滲膜下為粉質(zhì)粘土和粘土互層，根據(jù)現(xiàn)場入滲試驗，入滲系數(shù)為1.314，入滲面積為400 m2，降水量為880.6 mm/n，計算得出Q0=1.268 m3/d。項目灰場區(qū)域特征污染物濃度見表1。

表1　灰場污染源濃度一覽表

圖3　側(cè)向徑流斷面位置圖

2.4模型參數(shù)的確定

在前述的三維幾何模型基礎(chǔ)上，添加上研究區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)內(nèi)容便可建立起研究區(qū)三維水文地質(zhì)模型。

根據(jù)研究區(qū)地貌圖，并結(jié)合不同地貌單元大氣降水入滲系數(shù)的取值，確定出研究區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，區(qū)內(nèi)溝谷區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.25，基巖山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.18。

研究區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量發(fā)生在馮家灣溝上游流入研究區(qū)邊界，可分段采用達(dá)西定律計算，各側(cè)向徑流斷面位置見下圖，計算結(jié)果見表。

表2　邊界側(cè)向徑流補(bǔ)給量計算成果表

由計算結(jié)果可知，研究區(qū)通過馮家灣溝上游斷面產(chǎn)生的側(cè)向徑流補(bǔ)給總量為51.618 m3/d。

地下水水流模型中水文地質(zhì)參數(shù)滲透系數(shù)K和給水度μ值主要根據(jù)環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查過程中抽水試驗計算得出的結(jié)果，并結(jié)合巖性特征和經(jīng)驗值給定初始值，確定模型第一層滲透系數(shù)分區(qū)，溝谷區(qū)滲透系數(shù)為1.314，山區(qū)為0.1，通過模型模擬調(diào)試，最終獲得模擬所需的水文地質(zhì)參數(shù)。

表3　研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)表

2.5溶質(zhì)運移模型

為了預(yù)測事故工況條件下污染物非穩(wěn)定運移的趨勢，在前述所建立的穩(wěn)定流數(shù)值模型基礎(chǔ)上，引入時間變量，并對各參數(shù)分區(qū)進(jìn)行給水度、有效孔隙率、縱向彌散度等參數(shù)賦值，以建立事故工況條件下污染物遷移非穩(wěn)定運動趨勢預(yù)報模型，采用MT3DMS進(jìn)行數(shù)值模擬。MT3DMS不但可以同時模擬地下水中多種污染物組份的物理遷移過程(包括對流、彌散、吸附等)，而且可以模擬組份在運移過程中發(fā)生的簡單生物和化學(xué)反應(yīng)。

對于污染物在地下水中的遷移，在不考慮污染物在含水層中的交換、吸附、生物化學(xué)反應(yīng)等作用時，地下水中污染物質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：αijmn為含水層彌散度(m)；VmVn分別為m和n方向上的速度分量(m/d)；C為含水層中污染物的濃度(mg/L)；n含水層有效孔隙率；xi空間坐標(biāo)變量(m)；t為時間(d)；C'為源匯項中污染物的濃度(mg/L)；W為面狀源匯項強(qiáng)度(m3/(d.m2))；Vi為地下水滲流速度(m/d)。

由于該電廠及灰場設(shè)計服務(wù)年限為20 a，因此預(yù)測模型地下水預(yù)測時間為20 a。初始流場采用多年平均穩(wěn)定地下水流場。預(yù)測模型中根據(jù)污染物滲漏特征劃分應(yīng)力期。

3灰場地下水環(huán)境影響分析評價

灰場人工防滲層出現(xiàn)破損情況下各 因子的影響范圍、超標(biāo)范圍和最大運移距離見表4，各因子的運移圖見圖4。

根據(jù)收集的資料以及野外試驗調(diào)查數(shù)據(jù)，用Visual MODFLOW建立地下水三維非穩(wěn)定滲流模型和地下水溶質(zhì)運移模型，由預(yù)測模擬結(jié)果可以看出，在灰場人工防滲層出現(xiàn)破損情況下，污染物在地下水中向下游遷移，影響范圍逐漸增大，污染物濃度逐漸降低。事故發(fā)生后100 d，地下水中氟化物濃度超標(biāo)范圍為2 042 m2，影響范圍為5 454 m2，污染物離開灰場邊界100 m，距最近地下水敏感點402 m。事故發(fā)生1 000 d，地下水中氟化物濃度超標(biāo)范圍為2 826 m2，影響范圍為11 450 m2，污染物離開灰場邊界156 m，距最近地下水敏感點370 m。事故發(fā)生7 300 d，地下水中氟化物濃度超標(biāo)范圍為2 908 m2，影響范圍為12 376 m2，污染物離灰場邊界158 m，距最近地下水敏感點366 m。

表4　灰場人工防滲層出現(xiàn)破損情況下的預(yù)測結(jié)果

圖4 　灰場人工防滲層破損情況下第7 300 d的污染物運移

4結(jié)語

(1)事故工況下，第7 300天，地下水中氟化物濃度超標(biāo)范圍為2 908 m2，影響范圍為12 376 m2，污染物離灰場邊界158 m，距最近地下水敏感點366 m。有關(guān)部門必須對周圍地下水氟化物濃度及其他可能的污染物進(jìn)行定期監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)超標(biāo)，立即采取相應(yīng)的措施。

(2)由于沿途地層巖土的阻滯和地下水的稀釋作用，隨著時間的推移，雖然氟化物運移范圍擴(kuò)大，但氟化物的濃度卻隨著運移距離的增加而減小。

(3)本次模擬未考慮地層巖土對氟化物的吸附作用、離子交換及化學(xué)反應(yīng)等因素，這樣會增大污染風(fēng)險。就模擬數(shù)據(jù)分析來看，氟化物擴(kuò)散面積不會很大，在擴(kuò)散區(qū)濃度也較低，因此即便是考慮了上述條件，污染程度也將會更小。

參考文獻(xiàn)

[1]張建軍.某尾礦庫污染物遷移的數(shù)值模擬研究[D]. 西安理工大學(xué)出版社.2007:1-17.

[2]謝世杰,張強(qiáng),馮浩然.遷安某礦區(qū)尾礦庫地下水氟化物遷移模擬預(yù)測[J].甘肅水利水電技術(shù).2013, 49(3):4-6.

[3]尉鵬翔.Visual Modflow在地下水污染物運移模擬中的應(yīng)用[J].水資源保護(hù).2011, 27(4):19-21.

[4]馮潔.可視化地下水?dāng)?shù)值模擬軟件(VISUAL MODFLOW)在國內(nèi)的應(yīng)用[J].地下水.2013, 35(4):34-36.

[5]劉世翔, 胡艷飛, 閆清華，等.專家克里金插值法在空間插值中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與資源.2011, 20(4):292-294.

[6]薛禹群, 謝春紅. 地下水?dāng)?shù)值模擬[M].科學(xué)出版社.2007.

Research of Fluorides Transportation Period of Ash Field in Jingnengshiyan Power Plant

REN Yu-ze，TIAN Guo-lin，QIANWei

(School of Environmental Science and Engineering, Chang’ an University, Xi’an710054, China)

Abstract:The conceptual model of hydrogeology is developed based on analyzing the hydrogeological condition in the study area. Choose F- of ash after leached as a simulation factor, then numerical simulation study of the migration of F- in the groundwater using by the Visual MODFLOW groundwater simulation software, predicted the scope and entent of F- in the ground water pollution. The results indicate that fluoride migration direction is consistent with groundwater flow direction, and fluoride concentration decreases with the increase of the migration distance. Simulation results can provide the basis for the groundwater environmental pollution prevention for pollution area.

Key words:Groundwater；numerical simulation；solute transport；fluoride；ash field

[收稿日期]2015-08-17

[作者簡介]任宇澤(1992-)，男，山西河津人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水流數(shù)值模擬。

[中圖分類號]P641.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0009-03