裂隙含水层重金属污染物迁移规律研究

江建明++曹广祝+覃荣高

摘要： 地下水溶质运移模拟是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段。根据收集和分析的野外地质资料，建立物理砂箱模型，物理实验观察污染物运移情况；运用GMS软件建立地下水流场模型和溶质运移模型，对裂隙水的流场和污染物进行了数值研究，研究发现裂隙对重金属污染物迁移有导向作用，污染物经过裂隙会发生明显的拖尾现象。

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.

关键词： 裂隙含水层；砂箱实验；污染物迁移规律；数值模拟

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

中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0172-03

0 引言

云南省是一个矿业大省，各种矿业废弃物对环境产生严重污染。云南省岩溶裂隙发育，地层渗入条件好，如果防治不慎重，导致污染物泄露危害人民群众生命健康安全。20世纪90年代，陈崇希[1]提出了岩溶管道—裂隙—孔隙三重空隙介质地下水流模型，将裂隙概化成平行板[2]。2000年吴吉春等[3]通过研究裂隙分布规律把含水层概化为均质各向异性，对山西柳林泉裂隙发育区进行了溶质运移三维数值模拟。王锦国[4]介绍了裂隙岩体地下水溶质运移的多尺度概念模型及其物理和数学模拟方法，并探讨了模拟尺度与观测尺度、预测尺度、裂隙介质尺度之间的关系。地下水溶质运移模拟[5]是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段。

1 研究区基本概况

陆良县地处云南省的东部，大地构造位置在扬子准地台与华南褶皱系结合部的西南缘，新构造运动是现代地形地貌形成、发展和演变的重要营力，使县域内形成高原山地与小型盆地相间的地形地貌特征。研究区内碳酸盐岩岩溶地貌广泛分布，主要分布于召夸镇及其周边较大的范围内，其他地段也有零星分布。区内岩溶岩性主要為白云质灰岩及纯灰岩地段。该层呈浅灰、灰白色、隐晶～细晶致密结构，中厚层状构造，较坚硬，岩体较完整。区内碳酸盐岩岩溶地貌广泛分布，岩体间存在大量裂隙，裂隙倾角约52°或近水平裂隙（图1）。

2 室内砂箱物理实验

2.1 实验装置

根据野外的勘察结果，通过砂箱建立物理模型，实验模型建立在一个长 800mm ，宽350mm，高550mm的有机玻璃箱内，底板为PVC材质。将裂隙概化成平行板，平行和倾斜填充到砂箱中，进行砂箱模拟实验。

2.2 实验现象与分析

在砂箱内填充两水平平行板，两板之间用砂填充，中间留有空隙，将其当做裂隙，在右侧投放染色剂，水流方向从右至左，进行物理模拟实验。

平行板水平放置中染色剂在投放处浓度较高，原因可能是平行板作为隔水板块挡住了染色剂迁移，当染色剂运移到板块附近，会顺着两板间的空隙进行优势通道运移，在板的尾端，出现了拖尾现象。倾斜放置中染色剂在投放时浓度不高，水流作用明显，染色剂浓度不大，在板的初始端由于染色剂扩散范围较大，分为三部分进行，两平行板的上下是在砂中进行溶质运移，速度不快；两板中间部分由于存在空隙，染色剂运移速度比两边的都要快，因此在板的末端羽状物会出现拖尾现象。两实验均验证板内空隙便于溶质运移。

3 模型运用

3.1 模型建立

根据现场裂隙的发育及物理实验，建立了三种模型，分别为水平裂隙模型、倾斜裂隙模型以及混合模型。将模型建立在300m*100m的平面模型中，两边的水头分别设置为90m、60m，初始水头为70m，基岩的渗透系数设为0.05m/d，裂隙部分渗透系数为5m/d，污染物铅初始浓度设为三类水标准的100倍（5mg/L），模拟时间为3000天。

3.2 模拟结果与分析

3.2.1 模型一：水平裂隙中重金属迁移

投放污染物之后，污染物会进行迁移，污染物的弥散作用会使污染物在逆水流方向移动，直至到达一定距离之后才消失。由于灰岩的渗透系数很大，污染物在基岩中进行迁移速度很慢，在1300天的时候才能穿过基岩进入水平裂隙（3a）。污染物在水平管道中运移很快，在垂直方向上几乎没有渗透就通过对流带走。水平裂隙的末端就会出现污染物的滞留，基岩的渗透系数远大于裂隙，末端的羽状物随着时间的增加出现明显的增加现象（3b）。

3.2.2 模型二：倾斜裂隙中重金属迁移

在倾斜裂隙中污染物会顺着裂隙进行迁移，此时裂隙作为优势流通道，由于污染源距离裂隙较近，污染物到达裂隙的时间就会变短（4a）。污染物沿着裂隙通道进行迁移，到达一定距离之后就被净化；污染物向裂隙的基岩进行渗流，裂隙扩大了渗流的范围，使污染物更易运移（4b）。污染物在迁移到第二条裂隙时，类似第一条裂隙，当通过多条裂隙时候，污染物会呈现阶梯状的迁移现象（4c）。

3.2.3 模型三：混合裂隙中重金属迁移

污染物首先在基岩中缓慢渗流到达裂隙时有明显的顺流现象，由于第一条裂隙与水平裂隙的不连通，导致迁移阻塞，在水平裂隙初始端出现漏斗状，污染物会从漏斗口进入水平裂隙（5a）。污染物进入水平裂隙后会快速迁移，在水平裂隙与倾斜裂隙交叉处之前，污染物快速迁移，污染物浓度不高，垂向上渗流作用不强；裂隙交汇处上部的倾斜裂隙由于逆水流方向，污染物并没有沿裂隙向上运移；裂隙交汇处之后，污染物分为两部分，一部分沿水平裂隙快速迁移至末端处，另一部分则沿裂隙顺水流方向移动，这两部分在裂隙内都会向基岩作渗透（5b）。随时间的推移，污染物在交汇处有些许阻塞，污染羽有隆起现象，是由于水平裂隙的末端不是连通的，此处的污染羽没有水平裂隙末端的污染羽大，因为一部分污染物顺倾斜裂隙迁移走了，阻塞作用并没有末端强烈（5c）。

4 结论

通过物理实验和数值模拟结果可知，污染物在裂隙含水层运移优先通过裂隙进行溶质运移。裂隙的存在便于溶质的扩散，在倾斜裂隙含水层中，溶质沿着裂隙迁移，并呈现阶梯状。水平裂隙是溶质运移的快速通道，溶质在垂向上的渗透进行很慢，除非有阻塞的存在。对于混合模型溶质的迁移是前两者的结合，运移情况完全符合单个模型。

参考文献：

[1]陈崇希.岩溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介质地下水流模型及模拟方法研究[J].地球科学：中国地质大学学报，1995（4）：361-366.

[2]陈崇希，李国敏.地下水溶质运移理论及模型[M].中国地质大学出版社，1996.

[3]吴吉春，薛禹群，黄海等.山西柳林泉局部区域溶质运移二维数值模拟[J].水利学报，2001（8）：38-43.

[4]王锦国，周志芳.裂隙岩体地下水溶质运移的尺度问题 [J]. 水科学进展，2002，13（2）：239-245.

[5]孫旭曙.岩体裂隙网络渗流—溶质运移数值模拟[D].西安理工大学，2010.