裂隙含水層重金屬污染物遷移規律研究

江建明++曹廣祝+覃榮高

摘要： 地下水溶質運移模擬是找出污染物遷移規律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段。根據收集和分析的野外地質資料，建立物理砂箱模型，物理實驗觀察污染物運移情況；運用GMS軟件建立地下水流場模型和溶質運移模型，對裂隙水的流場和污染物進行了數值研究，研究發現裂隙對重金屬污染物遷移有導向作用，污染物經過裂隙會發生明顯的拖尾現象。

Abstract： Simulation of solute transport in groundwater is an important means to find out the law of pollutant migration and determine the range of pollution and the concentration distribution of pollutants. According to the geological data collected and analyzed， the physical sand box model was established and the physical experiment was carried out to observe the contaminant transport； By using GMS software to establish the model of groundwater flow and solute transport model， flow field and pollutant of fracture water were studied， the study found that fracture had a guiding effect on the migration of heavy metal pollutants， the pollutants after fracture will obvious tail phenomenon.

關鍵詞： 裂隙含水層；砂箱實驗；污染物遷移規律；數值模擬

Key words： fractured aquifer；sandbox experiment；pollutant transfer law；numerical simulation

中圖分類號：X523 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0172-03

0 引言

云南省是一個礦業大省，各種礦業廢棄物對環境產生嚴重污染。云南省巖溶裂隙發育，地層滲入條件好，如果防治不慎重，導致污染物泄露危害人民群眾生命健康安全。20世紀90年代，陳崇希[1]提出了巖溶管道—裂隙—孔隙三重空隙介質地下水流模型，將裂隙概化成平行板[2]。2000年吳吉春等[3]通過研究裂隙分布規律把含水層概化為均質各向異性，對山西柳林泉裂隙發育區進行了溶質運移三維數值模擬。王錦國[4]介紹了裂隙巖體地下水溶質運移的多尺度概念模型及其物理和數學模擬方法，并探討了模擬尺度與觀測尺度、預測尺度、裂隙介質尺度之間的關系。地下水溶質運移模擬[5]是找出污染物遷移規律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段。

1 研究區基本概況

陸良縣地處云南省的東部，大地構造位置在揚子準地臺與華南褶皺系結合部的西南緣，新構造運動是現代地形地貌形成、發展和演變的重要營力，使縣域內形成高原山地與小型盆地相間的地形地貌特征。研究區內碳酸鹽巖巖溶地貌廣泛分布，主要分布于召夸鎮及其周邊較大的范圍內，其他地段也有零星分布。區內巖溶巖性主要為白云質灰巖及純灰巖地段。該層呈淺灰、灰白色、隱晶～細晶致密結構，中厚層狀構造，較堅硬，巖體較完整。區內碳酸鹽巖巖溶地貌廣泛分布，巖體間存在大量裂隙，裂隙傾角約52°或近水平裂隙（圖1）。

2 室內砂箱物理實驗

2.1 實驗裝置

根據野外的勘察結果，通過砂箱建立物理模型，實驗模型建立在一個長 800mm ，寬350mm，高550mm的有機玻璃箱內，底板為PVC材質。將裂隙概化成平行板，平行和傾斜填充到砂箱中，進行砂箱模擬實驗。

2.2 實驗現象與分析

在砂箱內填充兩水平平行板，兩板之間用砂填充，中間留有空隙，將其當做裂隙，在右側投放染色劑，水流方向從右至左，進行物理模擬實驗。

平行板水平放置中染色劑在投放處濃度較高，原因可能是平行板作為隔水板塊擋住了染色劑遷移，當染色劑運移到板塊附近，會順著兩板間的空隙進行優勢通道運移，在板的尾端，出現了拖尾現象。傾斜放置中染色劑在投放時濃度不高，水流作用明顯，染色劑濃度不大，在板的初始端由于染色劑擴散范圍較大，分為三部分進行，兩平行板的上下是在砂中進行溶質運移，速度不快；兩板中間部分由于存在空隙，染色劑運移速度比兩邊的都要快，因此在板的末端羽狀物會出現拖尾現象。兩實驗均驗證板內空隙便于溶質運移。

3 模型運用

3.1 模型建立

根據現場裂隙的發育及物理實驗，建立了三種模型，分別為水平裂隙模型、傾斜裂隙模型以及混合模型。將模型建立在300m*100m的平面模型中，兩邊的水頭分別設置為90m、60m，初始水頭為70m，基巖的滲透系數設為0.05m/d，裂隙部分滲透系數為5m/d，污染物鉛初始濃度設為三類水標準的100倍（5mg/L），模擬時間為3000天。

3.2 模擬結果與分析

3.2.1 模型一：水平裂隙中重金屬遷移

投放污染物之后，污染物會進行遷移，污染物的彌散作用會使污染物在逆水流方向移動，直至到達一定距離之后才消失。由于灰巖的滲透系數很大，污染物在基巖中進行遷移速度很慢，在1300天的時候才能穿過基巖進入水平裂隙（3a）。污染物在水平管道中運移很快，在垂直方向上幾乎沒有滲透就通過對流帶走。水平裂隙的末端就會出現污染物的滯留，基巖的滲透系數遠大于裂隙，末端的羽狀物隨著時間的增加出現明顯的增加現象（3b）。

3.2.2 模型二：傾斜裂隙中重金屬遷移

在傾斜裂隙中污染物會順著裂隙進行遷移，此時裂隙作為優勢流通道，由于污染源距離裂隙較近，污染物到達裂隙的時間就會變短（4a）。污染物沿著裂隙通道進行遷移，到達一定距離之后就被凈化；污染物向裂隙的基巖進行滲流，裂隙擴大了滲流的范圍，使污染物更易運移（4b）。污染物在遷移到第二條裂隙時，類似第一條裂隙，當通過多條裂隙時候，污染物會呈現階梯狀的遷移現象（4c）。

3.2.3 模型三：混合裂隙中重金屬遷移

污染物首先在基巖中緩慢滲流到達裂隙時有明顯的順流現象，由于第一條裂隙與水平裂隙的不連通，導致遷移阻塞，在水平裂隙初始端出現漏斗狀，污染物會從漏斗口進入水平裂隙（5a）。污染物進入水平裂隙后會快速遷移，在水平裂隙與傾斜裂隙交叉處之前，污染物快速遷移，污染物濃度不高，垂向上滲流作用不強；裂隙交匯處上部的傾斜裂隙由于逆水流方向，污染物并沒有沿裂隙向上運移；裂隙交匯處之后，污染物分為兩部分，一部分沿水平裂隙快速遷移至末端處，另一部分則沿裂隙順水流方向移動，這兩部分在裂隙內都會向基巖作滲透（5b）。隨時間的推移，污染物在交匯處有些許阻塞，污染羽有隆起現象，是由于水平裂隙的末端不是連通的，此處的污染羽沒有水平裂隙末端的污染羽大，因為一部分污染物順傾斜裂隙遷移走了，阻塞作用并沒有末端強烈（5c）。

4 結論

通過物理實驗和數值模擬結果可知，污染物在裂隙含水層運移優先通過裂隙進行溶質運移。裂隙的存在便于溶質的擴散，在傾斜裂隙含水層中，溶質沿著裂隙遷移，并呈現階梯狀。水平裂隙是溶質運移的快速通道，溶質在垂向上的滲透進行很慢，除非有阻塞的存在。對于混合模型溶質的遷移是前兩者的結合，運移情況完全符合單個模型。

參考文獻：

[1]陳崇希.巖溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介質地下水流模型及模擬方法研究[J].地球科學：中國地質大學學報，1995（4）：361-366.

[2]陳崇希，李國敏.地下水溶質運移理論及模型[M].中國地質大學出版社，1996.

[3]吳吉春，薛禹群，黃海等.山西柳林泉局部區域溶質運移二維數值模擬[J].水利學報，2001（8）：38-43.

[4]王錦國，周志芳.裂隙巖體地下水溶質運移的尺度問題 [J]. 水科學進展，2002，13（2）：239-245.

[5]孫旭曙.巖體裂隙網絡滲流—溶質運移數值模擬[D].西安理工大學，2010.