弥散试验数值模拟模型在地下水环境预测的应用探究

８０　西部探矿工程　２０１７年第１２期　弥散试验数值模拟模型在地下水环境预测的应用探究　李朝长　，黄燕　（安徽省核工业勘查技术总院，安徽芜湖２４１０００）　

摘要：在收集水文地质资料基础上，开展了详细的现场勘察、现场试验和水文地质条件分析，掌握　了评价区环境水文地质条件。地下水环境影响预测采用水流模块耦合模块对评价去进行模拟，将模　拟区概化为非均质各项异性、空间二维结构非稳定地下水水流和水质模型。通过建立地下水数值模　型，设置可能出现的事故情景，针对正常工况的情景分别模拟和预测对地下水环境的影响。　关键词：弥散试验；地下水环境；地下水水流和水质模型　中图分类号：ＴＫ１２４文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０１７）１２—００８０—０４　

１地形地貌及地下水赋存条件　场区地势南高、北低，南部属低岗丘陵地区，北部为平　地湖泊河流。区内地下水的形成与分布受多种因素控制，　其中以岩性为基础，构造和地貌起控制作用，气象、水文是　影响地下水形成的重要因素。西部分布有碳酸盐类岩石，　岩溶较为发育，为地下水的赋存和运移提供了条件；中部　第四系之下为变质岩类岩石，裂隙不发育，含水较贫乏，唯　风化带含有较丰富的风化裂隙水；东部第四系之下，广泛　分布中生代“红层”含水贫乏。本区构造以断裂主要为北　西西向及北北东—北东向２组，以压扭性为主，多被充填　愈合，一般富水ｌ生较差。部分张性、张扭ｌ生富水性稍强。　２地下水类型　（１）松散岩类孔隙水：浅层孔隙含水岩组分布于一　级阶地及河漫滩地区。含水层厚度４～２４．３６ｍ，水量中　等一丰富，单井涌水量３４８．１９－－－１０６１．７１ｔ／ｄ。直接受大　气降水的补给，与河水存在互补关系。深层孑Ｌ隙含水　岩组分布于堆积平原区，含水层岩性以亚砂土、粗中砂　及砂砾石层为主，南部主要为半胶结泥灰岩。其上覆　盖２０￣７０ｍ厚的亚粘土，将其与浅层孔隙含水岩组隔　开，从而形成了具双层地质结构的地下水（图１）。　（２）碎屑岩类裂隙、孔隙水：由红层裂隙含水岩组　及碎屑岩裂隙、孔隙含水岩组组成。２个含水岩组水量　小于ｌＯＯｍ。／ｄ。　（３）碳酸盐岩类裂隙岩溶水：单井涌水量３４５．４３～　４４１．６８ｔ／ｄ，富水性中等。　（４）变质岩类裂隙水：均为第四系所覆盖，裂隙不　发育或被充填愈合。一般富水性贫乏，上部风化层富　水性稍好。　２．１地下水动态特征　（１）天然状态下地下水特征分析：天然状态下，区　内基岩风化带地下水接受西南部区域地下水侧向补给　后，地下水自西南向东北径流，由于基岩风化带透水性　较差，地下水侧向运动受阻，径流缓慢，基岩风化裂隙　水通过“天窗”向中、下更新统托顶越流补给第四系深　层地下水，第四系深层地下水通过垂向越流补给浅层　地下水，同时，第四系浅层地下水接受大气降水人渗补　给、地表水渗漏补给并达到相对稳定状态，天然状态　下，基岩裂隙水水头、第四系深层孔隙水水头、第四系　浅层孔隙水水头趋于一致，据地质详勘报告，基岩地下　水位埋深８－－－１４ｍ，在附近矿山小规模开采深层水的情　况下，基岩地下水头略低于第四系浅层水头。天然状　态下构造裂隙带主要表现为储水功能，在矿山开采条　件下该裂隙带则成为矿坑地下水运移和汇聚的通道。　（２）地下水动态变化特征：天然状态下，地下水动态　为降水一蒸发型。矿山长期排水，成为地下水主要排泄　项，影响地下水位动态变化的主要因素为大气降水量和　矿山排水量。在垂向上，不同深度地下水受这２个因素　影响程度不同。第四系浅部地下水主要受降水量、蒸发　量变化影响，丰水期比枯水期水头上升０．０６～１．３６ｍ，第　四系深部地下水主要受降水量、矿坑排水量影响，枯水　期与丰水期相比水头有升有降，水头变幅一Ｏ．７９～　１．０１ｍ，深部基岩地下水主要受矿坑排水量影响，水头缓　

收稿日期：２０１７—０４—１１修回日期：２０１７—０４—１２　第一作者简介：李朝长（１９６４一），男（汉族），江西修水人，注册岩土工程师，现从事水文地质、工程地质与环境地质工作。　２０１７年第１２期　西部探矿工程　８１　５０　０　－５０　

Ｎ　

图１区域第四系水文地质剖面图　１．粘土；２．含钙粘土；３．含砾粘土；４．亚砾粘土；５．淤泥质亚粘土；　６．亚砂土；７．含砾亚砂土；８．中粗砂；９．泥灰岩；１０．基岩　

慢下降。地下水动态变化特征反映了地下水系统内在　规律：第一，第四系水垂向越流补给矿坑水的同时，还接　受大气降水人渗、密布的地表水体渗漏等源源不断地补　给，并且第四系接受人渗补给量大于其垂向越流补给矿　坑水量，因此矿坑水无法疏干；第二，矿坑排水首先消耗　地下水静储量，随着时间的推移，地下水静储量逐渐减　少，矿坑排水逐渐减小，最终排水量趋于基本不变，此时　矿坑排水量等于区域地下水对矿坑水的垂向越流补给　量和侧向补给量，由于第四系厚大弱含水体的垂向越流　补给缓慢，达到相对稳定状态需要漫长的过程。　０　．５ｌ　一１０Ｏ　－１５０　－２００　—２５Ｏ　一３００　（３）地层：根据岩土工程勘察报告，场区内的地层　自上而下为：　①人工堆积层（Ｑ４　）。　②第四系坡洪积层（Ｑ４　邮　）粘土：黄褐一棕黄色，含　少量铁锰质结核，普遍分布。　③寒武系灰岩：全一强风化灰岩：灰黄色，为粉质粘　土含少量碎石。普遍分布于灰岩顶部。　２．２地下水水位调查　现场地下水资料调查，附近浅层地下水埋深较浅　（表１），一般在２～６ｍ之间。　

表１　地下水水位（水质）调查点基本信息统计表　

３地下水环境影响预测效果　３．１地下水水流模型　根据区内的水文地质条件，模拟区范围确定面积　

为１１．４５ｋｉｎ２。地下水系统概化为，第四系潜水含水层、　岩溶含水层。场区范围内，潜水含水层厚度相对较大，　在１４￣２６ｍ之间。通过开展第四系野外调查，并结合　８２　西部探矿工程　２０１７年第１２期　模拟区的地形等高线，水文孑Ｌ的地层及观ｉ贝０水位情况，　绘制了模拟区第四系孑Ｌ隙含水层初始流场等值线图（图　２、图３），地下水流方向整体由西北向东南方向流动。因　模拟区地下水开采规模较小，地下水天然水力坡度较　小，地下水流场较为平缓，渗流基本符合达西定律，水流　各要素随时间变化，为非稳定流。为此，将模拟区地下　水流概化成非均质各向异性非稳定二维地下水流系统。　３．２数值模拟模型　

—＝＝厂区道路　——厂区范围　——模拟区范围　

——岩溶水等水位线　１０００ｍ　

图２　第四系孔隙水地下水等水位线圈　根据水文地质概念模型及含水层水力性质，将模　拟区地下水流概化成非均质各向异性非稳定地下水流　系统，并建立相应的数学模型。　水文地质参数：根据抽水试验资料及其水文地质　条件，经模型识别得到模拟区的参数取值如表２所示。　

一厂区道路　——厂区范围　

——模拟区范围　

——岩溶水等水位线　

图３　岩溶含水层地下水等水位线图　表２模拟区参数取值　

３．３模型条件的概化及弥散度的确定　本次模型将污染源以点源、面源等形式设定浓度　边界，污染源位置按实际设计概化。在模拟污染物扩　散时，不考虑吸附作用、化学反应等因素，重点考虑了　对流、弥散作用。初始浓度值的确定参照水质监测结　果确定（表３）。本次模拟过程中，潜水含水层和承压含　水层取弥散度参数值取值分别为１Ｏ、３Ｏ。　４预测效果　

表３　酚氰废水处理站处理前后水质　

４．１情景１　本情景假定酚氰废水处理站发生泄漏。挥发酚污　染物作为面源污染随地下水发生迁移。正常工况下挥　发酚污染物上边界的浓度通量取为７００ｍｇ／Ｌ。　预测结果：将含水层参数、初始条件和边界条件带　入水质模型。利用ＭＯＤＦＬＯＷ和ＭＴ３Ｄ软件，运行　水流和水质模型，得到挥发酚类污染物运移的预报结　果，分别给出了在污水处理系统泄漏到达饱和带１年、５　年、１０年后污染物在水平和垂向上的运移范围（表４）。　分析不同时间的污染物运移范围可知，污染物挥发酚　

在模拟期内平面上主要向下游扩散，范围相对较小（外　包线为Ⅲ类水标准限值０．００２ｍｇ／Ｌ），第１０年末水平方　向最大扩散距离为６Ｏｍ，中心点浓度为２５ｍｇ／Ｌ，污染　物停止排放后，中心点浓度随水流方向下移，十年末约　下移７．０ｍ。从垂向上的运移情况分析，在水动力条件　作用下对厂区内的潜水含水层地下水会产生影响，即　在不进行防渗的情况下，挥发酚浓度较高，渗漏污染运　移距离较长，渗漏污染对潜水水质影响较大，但在第十　年末未进入承压含水层，将不会对承压含水层的水质　造成影响。　２０１７年第１２期　西部探矿工程　８３　４．２情景２　氰化物类污染物作为面源污染随地下水发生迁　移。正常工况下氰化物类污染物上边界的浓度通量取　为２０ｍｇ／ｃｍ。。　预测结果：将含水层参数、初始条件和边界条件带　人水质模型。利用ＭＯＤＦＬＯＷ和ＭＴ３Ｄ软件，联合　运行水流和水质模型，得到氰化物类污染物运移的预　报结果，分别给出了在污水处理系统泄漏到达饱和带１　年、５年、ｌＯ年后污染物在水平和垂向上的运移范围（表　５）。分析不同时间的污染物运移范围可知，污染物氰　化物在模拟期内平面上主要向四周扩散，范围相对较　小（外包线为Ⅲ类水标准限值０．０５ｍｇ／Ｌ），第１０年末水　平方向最大扩散距离为２５ｍ，中心点浓度为８ｍｇ／Ｌ，在　水流作用下，下移４．２ｍ。在水动力条件作用下对厂区　内的潜水含水层地下水会产生影响。综上表明，在不　进行防渗的情况下，渗漏污染运移距离较长，渗漏污染　对潜水水质影响较大，但随着污染物的稀释等，垂向上　超过Ⅲ类水标准的距离在减小。　

表５　污染物模拟期内运移距离及浓度随时间变化　

５几点体会　（１）通过搜集水文地质资料，开展了详细的现场勘　察、现场试验和水文地质条件分析，掌握了评价区环境　水文地质条件。地下水环境影响预测采用水流模块耦　合模块对评价去进行模拟，将模拟区概化为非均质各　项异性、空间二维结构非稳定地下水水流和水质模型。　（２）建立地下水数值模型，设置可能出现的事故情　景，针对正常工况的情景分别模拟和预测对地下水环　境的影响。预测结果表明：正常工况下，渗漏的污染　物，仅在水动力条件作用下对厂区内的潜水含水层地　下水会产生影响。即在不进行防渗的情况下，渗漏污　染运移距离较长，但泄漏后污染物不会进入承压含水　层。在水动力条件作用下对厂区内的潜水含水层地下　水会产生影响，但随着污染物的稀释与扩散，浓度又逐　渐降低。　（３）依据可能泄漏至地面区域污染物的性质和方　式，可划分为重点污染防治区、一般污染防治区和非污　染防治区。为了及时准确的掌握项目区地下水水质变　

化状况，建立地下水监控体系，及时发现地下水水质污　染，及时控制。一旦出现地下水污染事故，立即启动应　急预案和应急处置办法，控制地下水污染。　

参考文献：　…１　ＧＢ／Ｔ　５０１２３—１９９９土工试验方法标准（２００８版）【Ｍ】．北京：中　国计划出版社，１９９９．　［２】陈崇希，李国敏．地下水溶质运移理论及模型［Ｍ】．武汉：中国　地质大学出版社，１９９６．　［３】丁佳．银川地区潜水含水层弥散参数试验确定方法研究［Ｄ］．　长安大学硕士学位论文，２０１０．　［４］郑西来，钱会．地下水含水介质的弥散度确定［Ｊ】．地球科学与　环境学报，１９９８，２０（４１：３３－３６．　【５】蒋学敏，邵景力，张兆吉，等．地下水水动力弥散系数的野外　试验研究——以内蒙古某矿区为例【Ｊ］．干旱区资源与环境，　２０１３，２７（１０）：１７６—１８０．　［６］６　苏贺，康卫东，曹珍珍，朱亮，等．潜水含水层水动力弥散试　验研究［Ｊ】．水土保持通报，２０１４，３４（２）：８３—８５．　【７】刘岩磊，王庆来．不同流场情况地下水弥散试验方法分析［Ｊ］．　地下水，２０１４，３６（２）：１０－１３．