危廢渣庫(kù)高濃度氟化物在非均質(zhì)含水層中的遷移模擬分析

由明宇，曹廣祝，覃榮高

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

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危廢渣庫(kù)高濃度氟化物在非均質(zhì)含水層中的遷移模擬分析

由明宇，曹廣祝，覃榮高

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

近年來(lái)，隨著水電鋁技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際先進(jìn)水平的400ka系列鋁電解槽工藝技術(shù)已成為水電鋁項(xiàng)目的核心技術(shù)。水電鋁項(xiàng)目中電解槽渣含有大量氟化物，是典型的危險(xiǎn)廢物，危廢渣庫(kù)防滲及泄漏問(wèn)題成為了地下水污染防治及保護(hù)的重點(diǎn)。本文以某水電鋁廠區(qū)危廢渣庫(kù)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)為例，通過(guò)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查及分析基礎(chǔ)上，建立研究區(qū)滲流模型及污染物遷移模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)定不同情景并模擬不同防滲條件下危廢渣庫(kù)泄漏的污染羽狀物遷移情況。研究結(jié)果表明高濃度氟化物遷移方向及擴(kuò)散面積主要受含水層非均質(zhì)性、危廢渣庫(kù)泄漏持續(xù)時(shí)間及防滲效果等因素的影響。

危廢渣庫(kù)；溶質(zhì)運(yùn)移；污染物；數(shù)值模擬

云南素有有色金屬王國(guó)之稱(chēng)，在礦產(chǎn)種類(lèi)和總量上居全國(guó)前列，然而在礦產(chǎn)資源開(kāi)采和冶煉加工過(guò)程中產(chǎn)生的危廢污染物也成了近幾十年來(lái)首要關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題。一些冶煉和火電類(lèi)項(xiàng)目中產(chǎn)生的工業(yè)廢水等往往不經(jīng)過(guò)處理直接排放，產(chǎn)生的固體廢物棄渣往往含有大量的重金屬污染物和高濃度氟化物等，在雨水的作用下重金屬離子等會(huì)在土壤中富集，并隨地下水流動(dòng)，從而造成土壤和地下水的大面積或區(qū)域性的污染。然對(duì)于土壤修復(fù)地下水的復(fù)原往往需要的代價(jià)是沉重的，尤其是在一些選廠和冶煉廠的危廢渣庫(kù)區(qū)，當(dāng)其防滲措施和效果未做或達(dá)不到要求時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的污染。通過(guò)對(duì)廠區(qū)可能產(chǎn)生的情景預(yù)設(shè)并數(shù)值模擬分析，從而采取有效的預(yù)防措施以減少污染滲漏對(duì)區(qū)域甚至更大范圍的污染。本文主要從情景預(yù)設(shè)和模擬分析可能產(chǎn)生的影響的角度出發(fā)，模擬尾礦庫(kù)氟化物滲漏的影響范圍和污染濃度遷移。

地下水流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值模擬[1,2]的基本過(guò)程包括建立水文地質(zhì)概念模型[3]、建立計(jì)算區(qū)數(shù)學(xué)模型[4]、從空間和時(shí)間上對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散、數(shù)學(xué)模型的識(shí)別、數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證，最后就是用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型進(jìn)行模擬和預(yù)報(bào)[5]。水文地質(zhì)概念模型的概化，就是在水文地質(zhì)調(diào)查和勘探的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，正確概化出一個(gè)適合研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，概化的內(nèi)容包括計(jì)算區(qū)范圍、邊界條件、含水層介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和含水層的水力特征等[6]。然后根據(jù)概化后的水文地質(zhì)模型，建立概化模型的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型能夠真實(shí)刻畫(huà)計(jì)算區(qū)實(shí)際地下水流在數(shù)量、空間和時(shí)間上關(guān)系[7]。滲流問(wèn)題[8]的數(shù)學(xué)模型通常由滲流偏微分方程及其定解條件構(gòu)成，其中定界條件又包括邊界條件和初始條件[9]。由于建立的滲流數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，一般情況下都要借助于計(jì)算機(jī)用數(shù)值法求解。由于數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解計(jì)算量大，根據(jù)不同數(shù)值方法，國(guó)外編制了不同的數(shù)值計(jì)算及模擬軟件，主要有MODFLOW、visual MODFLOW、FEFLOW[10]和GMS等[11-14]。這些國(guó)際流行的地下水流模擬軟件，可以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)點(diǎn)的向前、向后示蹤流線模擬[15]、計(jì)算出三維[16]流線分布和任意時(shí)間段水質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)位置、進(jìn)行任意水域的水均衡[17]研究。本文結(jié)合云南某電解鋁項(xiàng)目危廢渣庫(kù)水文地質(zhì)條件特征，通過(guò)數(shù)值模擬方法分析危廢渣庫(kù)高濃度氟化物污染羽狀物在非均質(zhì)含水層中的遷移演化規(guī)律，為此類(lèi)含水層地下水污染防治提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于云南省昭通市，研究區(qū)內(nèi)地層主要為砂巖和白云巖。從含水層系統(tǒng)來(lái)看，研究區(qū)為相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給之后向四周滲流，通過(guò)地表季節(jié)性河流溝谷及基巖裂隙向四周排泄，形成一個(gè)類(lèi)似孤島模型(圖1)。該項(xiàng)目為水電鋁項(xiàng)目，區(qū)內(nèi)的污染點(diǎn)為危廢渣庫(kù)區(qū)，位于研究區(qū)內(nèi)的東北側(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)調(diào)查及區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料顯示，場(chǎng)址內(nèi)其上覆有較薄的第四系坡殘積(Q4dl+el)土層，土體裂隙間含少量的上層滯水及孔隙水，該層厚度約為0.50～5 m，其下則為紅崖坡組(D2h)細(xì)粒砂巖、石英砂巖巖組和泥盆系中統(tǒng)曲靖組(D2q)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖巖組，該巖組堅(jiān)硬、性脆，巖溶發(fā)育，深部巖體則主要受構(gòu)造體系控制，多以溶隙及構(gòu)造裂隙發(fā)育為主，場(chǎng)地內(nèi)地下水的運(yùn)動(dòng)方向嚴(yán)格受構(gòu)造的控制，地下水的運(yùn)動(dòng)方向基本上與構(gòu)造線發(fā)育方向一致；巖溶含水層透水性強(qiáng)，勘察過(guò)程中為揭露巖溶含水層水位，是整個(gè)擬建項(xiàng)目區(qū)下伏主要含水層組。含水巖基巖巖組主要為曲靖組(D2q)碳酸鹽巖。根據(jù)勘察資料顯示，在鉆探深度范圍內(nèi)鉆孔中均未觀測(cè)到穩(wěn)定地下水位，一般水位埋深位于砂巖含水層內(nèi)30～40 m，水量極小。擬建危廢渣庫(kù)區(qū)內(nèi)砂巖裂隙水地下水水位埋深介于20.0～30.0 m之間，無(wú)承壓性。

圖1　工程區(qū)地形地貌圖

危廢渣庫(kù)庫(kù)區(qū)地表出露地層主要為第四系耕植土(Q4ml)和含礫粘土(Q4el+dl)，厚度變化大，0.5～1.5 m；下伏泥盆系中統(tǒng)紅崖坡組(D2h)石英砂巖和曲靖組(D2q)白云巖，節(jié)理裂隙較不發(fā)育，連通性差。研究區(qū)主要構(gòu)造為北東向壓扭性褶皺和斷裂，次為南北向壓性褶皺和斷裂，北西向張性斷裂規(guī)模小。北東向褶皺構(gòu)造發(fā)育，是本區(qū)的主要賦水構(gòu)造，它對(duì)區(qū)域地下水的分布、埋藏和運(yùn)動(dòng)起著主導(dǎo)作用。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)資料，鉆孔范圍內(nèi)地下水水位埋深平均為35 m，巖土體完整性好，分布總體較均勻，場(chǎng)區(qū)出露的巖溶塌陷坑和地下巖溶暗河天窗等天然防滲薄弱帶，使得地下水防污性能總體較差，含水層易受污染，包氣帶防污性能弱。但廢渣庫(kù)庫(kù)區(qū)無(wú)巖溶發(fā)育跡象。

滲濾液主要污染物指標(biāo)有氟化物和pH值兩類(lèi)，由于氟化物濃度高，為1 080 mg/L，屬危險(xiǎn)廢物類(lèi)型。項(xiàng)目固體廢物主要是電解槽大修渣，電解槽大修渣中主要組成有廢炭塊、耐火材料、沉積層等其他廢料等。據(jù)同類(lèi)鋁廠實(shí)測(cè)結(jié)果，電解槽大修渣各組分中除底部保溫磚外，其余各組分浸出液中氟化物濃度均超過(guò)100 mg/L，混合樣浸出液氟化物濃度高達(dá)1 080 mg/L以上，大大超過(guò)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》[18]中的100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)值，屬危險(xiǎn)固體廢物。廢渣混合樣浸出液pH值為10.50，扎糊浸出液pH值最高，為11.68。

2　情景設(shè)定及模擬預(yù)測(cè)

2.1計(jì)算單元格的剖分

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀[19]，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。將研究區(qū)在平面上剖分成200×200 的矩形網(wǎng)格單元，廠區(qū)進(jìn)行了加密處理，垂向上為1 層，模型頂部高程為地表標(biāo)高，底部至潛水底板。有效計(jì)算單元為23144個(gè)，無(wú)效計(jì)算單元為16 856個(gè)，共計(jì)40 000個(gè)。其平面剖分網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2　研究區(qū)平面網(wǎng)格剖分及邊界條件

2.2模擬范圍及邊界條件和初始條件

本次研究區(qū)邊界條件主要是基于已有調(diào)查數(shù)據(jù)，將項(xiàng)目區(qū)邊界結(jié)合調(diào)查結(jié)果，圈定模擬區(qū)范圍如圖2所示，將項(xiàng)目用地區(qū)概化為一個(gè)孤島模型，地下水從中間往四周流動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，而模擬區(qū)范圍內(nèi)溝谷則用GMS中的排水溝模型進(jìn)行概化，四周的邊界定為定流量邊界。

初始條件主要包括初始水頭值和初始濃度，本次研究區(qū)地下水初始水頭根據(jù)施工鉆孔穩(wěn)定水位及泉點(diǎn)出露位置高程，其他部位根據(jù)地形形態(tài)特征插值推測(cè)，采用克里金插值方法獲得模擬區(qū)地下水等水位線如圖3 所示，該水頭值也用做模擬計(jì)算的初始水頭值。而初始濃度本次主要采用項(xiàng)目提供的氟化物源強(qiáng)濃度進(jìn)行計(jì)算[20]，源強(qiáng)氟化物濃度為1 080 mg/L，主要在危廢渣庫(kù)部位分布(圖3)。

圖3　模型初始水頭分布圖

2.3模型參數(shù)確定及時(shí)間離散

2.3.1滲透系數(shù)的確定

根據(jù)上述區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查以及已有研究，以及結(jié)合本次調(diào)查及部分試驗(yàn)結(jié)果取模擬區(qū)滲透系數(shù)均值為1 m/d進(jìn)行模擬，其中考慮到了含水層的非均質(zhì)性，采樣蒙特卡洛隨機(jī)模擬的方法生成非均質(zhì)滲透系數(shù)場(chǎng)，同時(shí)結(jié)合本次水文地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工程區(qū)揭露及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖層傾角較大，走向近于北東南西向，再加上考慮模擬區(qū)地下水滲透系數(shù)是非均質(zhì)性，因此利用HYDROGEN.EXE程序生成隨機(jī)滲透系數(shù)場(chǎng)時(shí)考慮了各向異性，對(duì)數(shù)滲透系數(shù)(LnK)服從指數(shù)分布，均值為-0.5，方差為1，縱橫向相關(guān)長(zhǎng)度分別為20 m和100 m，各向異性率為5，生成后將各向異性非均質(zhì)滲透系數(shù)場(chǎng)按照巖層走向方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得主方向與走向一致，生成滲透系數(shù)場(chǎng)如圖4所示。

圖4　模擬區(qū)滲透系數(shù)場(chǎng)分布圖

2.3.2彌散度的確定

1)彌散度的確定地質(zhì)介質(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移主要受滲透系數(shù)在空間上變化的制約，即地質(zhì)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)影響。這一空間上變化影響到地下水流速，從而影響到溶質(zhì)的對(duì)流與彌散。通?？障督橘|(zhì)中的彌散度隨著溶質(zhì)運(yùn)移距離的增加而加大，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為水動(dòng)力彌散尺度效應(yīng)[21]。其具體表現(xiàn)為：野外彌散試驗(yàn)所求出的彌散度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在實(shí)驗(yàn)室所測(cè)出的值，相差可達(dá)4～5個(gè)數(shù)量級(jí)[22]；即使是同一含水層，溶質(zhì)運(yùn)移距離越大，所計(jì)算出的彌散度也越大[23]。越來(lái)越多的室內(nèi)外彌散試驗(yàn)不斷地證實(shí)了空隙介質(zhì)中水動(dòng)力彌散尺度效應(yīng)的存在[22]。

許多研究者都曾用類(lèi)似的圖說(shuō)明水動(dòng)力彌散的尺度效應(yīng)。Geihar等[24](1992)將59 個(gè)不同現(xiàn)場(chǎng)所獲得的彌散度按含水層類(lèi)型、水力學(xué)特征、地下水流動(dòng)狀態(tài)、觀測(cè)網(wǎng)類(lèi)別、示蹤劑類(lèi)型、數(shù)據(jù)的獲取方法、水質(zhì)模型的尺度等整理后，對(duì)彌散度增大的規(guī)律進(jìn)行了討論。成建梅[25](2002 年)收集了大量國(guó)內(nèi)外在不同試驗(yàn)尺度下和實(shí)驗(yàn)條件下分別運(yùn)用解析方法和數(shù)值方法所得的縱向彌散度資料，Zech等[26](2015)系統(tǒng)研究分析了最近50年全世界各地不同試驗(yàn)含水層和場(chǎng)地試驗(yàn)中彌散度和尺度、相關(guān)長(zhǎng)度及非均質(zhì)特征之間的關(guān)系并重新評(píng)估了彌散度與尺度關(guān)系如圖5所示，從圖中我們可以看出彌散度在千米尺度范圍漸近于10。因此，結(jié)合本次模擬范圍尺度，彌散度取值參考圖6取10 m。

圖5　最新評(píng)估彌散度與尺度關(guān)系圖[26]

2)模型條件的概化

本次模擬污染物擴(kuò)散時(shí)，重點(diǎn)考慮了對(duì)流、彌散作用，不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素。本次模擬根據(jù)泄漏情景不同選取不同的污染物作為模擬因子。

3)模擬時(shí)段設(shè)定

具體的模擬時(shí)段設(shè)定為：自泄漏時(shí)間點(diǎn)(2015年10月)起，由于地下水的流速較慢，選擇每30天為一時(shí)段，共模型運(yùn)行85個(gè)時(shí)段(共30 年)，并模擬得出污染物濃度時(shí)空變化過(guò)程，從而確定本區(qū)地下水環(huán)境的影響范圍和程度。

2.4水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)情景設(shè)定

根據(jù)已有的污染源強(qiáng)主要為氟化物，且濃度為1 080 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了排放濃度，因此本次根據(jù)存在較大安全隱患的危廢渣庫(kù)作為滲漏風(fēng)險(xiǎn)分析對(duì)象，主要是模擬非正常情景下發(fā)生不同程度泄漏之后，污染羽狀物在下游擴(kuò)散情況及濃度分布情況：

情景1、在未受影響條件下的滲流場(chǎng)條件下，危廢渣庫(kù)發(fā)生意外事故持續(xù)泄漏。

(1)泄漏點(diǎn)：危廢渣庫(kù)底部泄漏，泄漏持續(xù)進(jìn)行。

(2)泄漏源強(qiáng)：泄漏物質(zhì)為氟化物，其濃度1 080 mg/L

情景2、在未受影響條件下的滲流場(chǎng)條件下，危廢渣庫(kù)發(fā)生意外事故持續(xù)泄漏。

(1)泄漏點(diǎn)：危廢渣庫(kù)底部泄漏，泄漏持續(xù)30 d。

(2)泄漏源強(qiáng)：泄漏物質(zhì)為氟化物，其濃度1 080 mg/L。

情景3、正常工況且人工防滲發(fā)揮作用下滲漏條件下，危廢渣庫(kù)正常持續(xù)泄漏

危廢渣庫(kù)庫(kù)位于模擬區(qū)東東北，面積約36 940 m2，氟化物初始濃度1 080 mg/L。根據(jù)項(xiàng)目要求，危廢渣庫(kù)設(shè)計(jì)防滲層滲透系數(shù)小于10～12 cm/s，為最大限度的預(yù)測(cè)污染物運(yùn)移擴(kuò)散情況，故正常工況并考慮人工防滲發(fā)揮作用下，防滲層整體滲透系數(shù)取1.0×10-7cm/s，本著風(fēng)險(xiǎn)最大原則，考慮渣庫(kù)淋溶液年存滲濾液的時(shí)間按365 d計(jì)算。

泄漏點(diǎn)：危廢渣庫(kù)。

泄漏源強(qiáng)類(lèi)型：連續(xù)源強(qiáng)。

泄漏面積：危廢渣庫(kù)面積36 940 m2。

泄漏量：污水廠區(qū)域整體防滲，滲透系數(shù)取1.0×10-7cm/s×10-2=1.0×10-9m/s，則每天滲漏氟化物體積量為36 940×1×10-9=3.694×10-9m3=3.694×10-6L，假設(shè)危廢渣庫(kù)內(nèi)氟化物初始濃度為1 080 mg/L，每天滲漏氟化物質(zhì)量為3.99×10-3mg/d，模擬該情景時(shí)采用源強(qiáng)注入質(zhì)量代替初始濃度。

3　情景預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1情景1—危廢渣庫(kù)氟化物泄漏預(yù)測(cè)結(jié)果

將泄漏點(diǎn)設(shè)為補(bǔ)給濃度邊界。根據(jù)污染情形分析，氟化物初始濃度設(shè)為1 080 mg/L ，模擬期為30 a，以1 年為時(shí)間步長(zhǎng)，共模擬了30 個(gè)應(yīng)力期。利用MODFLOW 和MT3DMS 軟件，聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型，得到氟化物擴(kuò)散預(yù)報(bào)結(jié)果(見(jiàn)圖6)，各圖分別給出了在危廢渣庫(kù)底泄漏發(fā)生1 a、3 a、5 a、10a、30 a后的預(yù)測(cè)結(jié)果(污染羽狀物邊界濃度設(shè)為0.5 mg/L，為了突出低濃度邊界，本次設(shè)置顯示濃度上限為40 mg/L，而模擬圖中顯示的深紅區(qū)域?yàn)闈舛却笥趫D例最高濃度)。

圖6　危廢渣庫(kù)周?chē)镉馉钗飻U(kuò)散范圍

從上述圖幅中可以看出，氟化物在泄露1 年后整體沿著渣庫(kù)邊界往北東方向沿著溝谷遷移，移動(dòng)距離較短，影響范圍限制在廠區(qū)以?xún)?nèi)，紅色區(qū)域?yàn)闈舛却笥?0 mg/L，中心部分最高濃度可達(dá)到源強(qiáng)濃度1 080 mg/L；泄露3 a后仍朝北偏東方向進(jìn)一步，污染羽狀物擴(kuò)散范圍有少量增加，最大超標(biāo)濃度范圍如圖中紅色區(qū)域所示；泄露5 a后，朝北偏東方向進(jìn)一步，污染羽狀物擴(kuò)散范圍進(jìn)一步增加；泄露10 a后，氟化物在水動(dòng)力條件下繼續(xù)運(yùn)移，向北偏東方向繼續(xù)遷移，而且，隨著地下水的稀釋作用，污染物的濃度在末端有所下降，但由于持續(xù)泄漏，污染物還在不斷擴(kuò)散，泄露10 a后，氟化物在水動(dòng)力條件下繼續(xù)運(yùn)移，向北偏東方向繼續(xù)遷移，而且，隨著地下水的稀釋作用，污染物的濃度在末端有所下降，但由于持續(xù)泄漏，30 a后氟化物污染物還在不斷向北東方向沿著溝谷擴(kuò)散，超標(biāo)濃度范圍也如圖中紅色區(qū)域向溝谷擴(kuò)散范圍，紅色區(qū)域濃度都超過(guò)了設(shè)定的最高濃度40 mg/L。

3.2情景2—危廢渣庫(kù)氟化物泄漏預(yù)測(cè)結(jié)果

將泄漏點(diǎn)設(shè)為補(bǔ)給濃度邊界。根據(jù)污染情形分析，氟化物初始濃度設(shè)為1 080 mg/L ，泄漏30天，模擬期為30 a，以1 a為時(shí)間步長(zhǎng)，共模擬了30 個(gè)應(yīng)力期。利用MODFLOW 和MT3DMS 軟件，聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型，得到氟化物擴(kuò)散預(yù)報(bào)結(jié)果(見(jiàn)圖7)，各圖分別給出了在危廢渣庫(kù)底泄漏發(fā)生1 a、3 a、5 a、10 a、30 a后的預(yù)測(cè)結(jié)果(污染羽狀物邊界濃度設(shè)為0.5 mg/L，為了突出低濃度邊界，本次設(shè)置顯示濃度上限為40 mg/L，而模擬圖中顯示的深紅區(qū)域?yàn)闈舛却笥趫D例最高濃度)。

圖7　危廢渣庫(kù)周?chē)镂廴居馉钗飻U(kuò)散范圍

氟化物在泄露1 a后朝北偏東方向遷移，污染物超過(guò)設(shè)定最高濃度40 mg/L的范圍分布在渣庫(kù)周邊北東方向；泄露3 a后仍朝北偏東方向繼續(xù)遷移，污染羽狀物擴(kuò)散范圍有少量增加，但是濃度有所下降，少數(shù)區(qū)域仍然高于設(shè)定最高濃度；泄露5 a后，朝北偏東方向最遠(yuǎn)運(yùn)移了500 m，污染羽狀物擴(kuò)散范圍縮小，超標(biāo)濃度范圍仍然存在，但是面積縮??；泄露10 a后，氟化物在水動(dòng)力條件下繼續(xù)運(yùn)移，向北偏東方向最遠(yuǎn)運(yùn)移了693 m 處，而且，隨著地下水的稀釋作用，污染物的濃度已經(jīng)有所降低，污染羽狀物擴(kuò)散范圍呈尖滅趨勢(shì)，從第30 a開(kāi)始，污染羽狀物最高中心濃度僅僅有7 mg/L作用，泄漏點(diǎn)及廠區(qū)附近的污染物濃度超標(biāo)范圍不斷縮小，最后逐漸都低于設(shè)定的0.5 mg/L。由上述結(jié)果可知，泄漏發(fā)生后，氟化物污染物影響范圍先是逐漸增加，隨后逐漸減小，污染帶逐漸向北偏東方向移動(dòng)。

3.3情景3—防滲條件下污染物模擬結(jié)果

將泄漏點(diǎn)設(shè)為補(bǔ)給濃度邊界。根據(jù)污染情形分析，將計(jì)算污染物泄漏濃度代入模型，泄漏持續(xù)時(shí)間30 d，模擬期為30 a，以1 a為時(shí)間步長(zhǎng)，共模擬了30 個(gè)應(yīng)力期。利用MODFLOW 和MT3DMS 程序計(jì)算獲得氟化物污染羽狀物遷移演化趨勢(shì)(見(jiàn)圖8)，各圖分別給出了在危廢渣庫(kù)底泄漏發(fā)生1 a、3 a、5 a、10 a、30 a后的預(yù)測(cè)結(jié)果(污染羽狀物上限濃度設(shè)為0.000 5 mg/L)。

圖8　危廢渣庫(kù)周?chē)镂廴居馉钗飻U(kuò)散范圍

從圖8中可以看出，在危廢渣庫(kù)進(jìn)行防滲條件下，污染物僅僅在危廢渣庫(kù)底部發(fā)生微量聚集，在三十年后在渣庫(kù)底部濃度接近設(shè)定的0.000 5 mg/L最高濃度，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.5 mg/L。因此說(shuō)明，在防滲設(shè)施較好條件下，污染物發(fā)生泄漏導(dǎo)致地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)較小。

通過(guò)對(duì)范圍區(qū)進(jìn)行的3種情景模擬，得出30 a后三種結(jié)果，同源強(qiáng)及同模擬區(qū)范圍但污染物擴(kuò)散運(yùn)移的范圍和污染濃度大有不同。情景1是污染物持續(xù)泄漏條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，污染羽狀物超標(biāo)濃度擴(kuò)散范圍不斷擴(kuò)大，擴(kuò)散方向如上述圖中所示，均沿著北東方向溝谷擴(kuò)散，到30 a時(shí)擴(kuò)散面積達(dá)到約0.2 km2；而情景2則是瞬時(shí)污染后污染源被堵住的情況下污染羽狀物擴(kuò)散面積，根據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)兩種情景下，在污染源被堵住之后羽狀物超標(biāo)濃度擴(kuò)散面積不斷減小。而情景3則說(shuō)明在實(shí)施防滲措施條件下，模擬年限內(nèi)所有情景污染物濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.5 mg/L。根據(jù)上述三種情景模擬分析結(jié)果表明，高濃度氟化物污染羽狀物遷移擴(kuò)散主要受含水層非均質(zhì)性、危廢渣庫(kù)污染物釋放時(shí)間以及防滲層防滲性能等因素的影響。受含水層滲透系數(shù)場(chǎng)非均質(zhì)各向異性的影響，不同情景泄漏的氟化物污染羽狀物主要沿著北東方向遷移演化，與滲透系數(shù)主方向一致；其次，持續(xù)泄漏條件下氟化物污染羽狀物擴(kuò)散面積最大，主要沿著北東方向溝谷擴(kuò)散，而瞬時(shí)源條件下，由于區(qū)域尺度條件下對(duì)流彌散稀釋作用的影響，泄漏的高濃度氟化物污染物在經(jīng)過(guò)一定距離的遷移及稀釋作用后濃度迅速降低至最低檢測(cè)濃度以下；而模擬防滲條件下的高濃度氟化物遷移情景結(jié)果則表明在采取防滲措施條件下，泄漏的低濃度污染物首先在危廢渣庫(kù)底部聚集，濃度不斷增大，在富集到一定程度之后與前述持續(xù)源一樣，污染羽狀物沿著北東方向遷移演化。

4　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合云南某水電鋁項(xiàng)目危廢渣庫(kù)分布區(qū)水文地質(zhì)條件及渣庫(kù)可能出現(xiàn)的泄漏情況，建立了研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型及數(shù)值模擬模型，通過(guò)數(shù)值模擬分析高濃度氟化物在非均質(zhì)含水層地下水中的遷移演化規(guī)律，主要獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)在非均質(zhì)各向異性含水層中，高濃度氟化物污染羽狀物遷移明顯受含水層非均質(zhì)性的影響，污染羽狀物主要沿著滲透系數(shù)主方向遷移。

(2)高濃度氟化物污染羽狀物的擴(kuò)散面積主要受污染源釋放時(shí)間及釋放強(qiáng)度的影響，瞬時(shí)源強(qiáng)條件下，受區(qū)域尺度對(duì)流彌散稀釋作用的影響，高濃度氟化物污染物濃度被迅速稀釋降低至檢測(cè)濃度以下。

(3)采取防滲作用情景下，穿透防滲層泄漏的低濃度污染物會(huì)在危廢渣庫(kù)底部聚集，當(dāng)濃度達(dá)到一定高度后沿著地下水滲流方向向下游遷移演化。

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Transportation Numerical Simulation Analysis on High Concentration Fluoride of Dangerous Waste Repository in the Heterogeneous Aquifers

YOU Ming-yu，CAO Guang-zhu，QIN Rong-gao

(Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,Yunnan)

In recent years,with the development of hydro-aluminum technology,the international advanced level of 400 ka series aluminum electrolytic cell technology,become a core technology of the project of the hydropower aluminum.In the hydro aluminum project the electrolyses slag contains a lot of fluoride that is typical of hazardous waste.Dangerous waste repository seepage and leakage problems become the focus of the groundwater pollution prevention and protection.In this paper,a hydro aluminum factory district library of dangerous waste residue of groundwater environment impact assessment,for example.In the study area based on hydro geological investigation and analysis,established a seepage flow model and pollutant migration model in the study area.Set on the basis of the different scenarios and simulation of the dangerous waste repository under the conditions of different anti-seepage leakage pollution plume migration.The results showed that high concentration of fluoride migration direction and diffusion area was influenced of the main aquifer heterogeneity,duration of dangerous waste repository leakage and seepage control effect etc factors.

Dangerous waste repository；solute transport；pollutants and the numerical simulation

2016-03-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“巖溶-裂隙含水層地下水重金屬遷移機(jī)理研究”(41562012)；國(guó)家自然基金項(xiàng)目“沖積扇含水層非均質(zhì)性構(gòu)建及其溶質(zhì)遷移數(shù)值模擬研究”(41402215)；昆明理工大學(xué)引進(jìn)人才基金資助項(xiàng)目(KKZ3201421026)；

由明宇(1989-)，女，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水環(huán)境污染物遷移模擬方面的研究。

曹廣祝(1975-)，男，安徽安慶人，副教授，研究方向：水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。

X523

A

1004-1184(2016)05-0001-05