废弃矿山地下水串层污染的数值模拟研究1.doc

精品论文废弃矿山地下水串层污染的数值模拟研究1王来贵 1，冯美生 1，李喜林 21 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新（123000）2 辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁阜新（123000）E-mail：wanglg128摘要：针对山东淄博洪山、寨里矿区废弃矿山地下水串层污染实际情况，建立了三维水流 和水质仿真模型，并以 SO 4 2- 为 水质模拟因子，模拟了某断层 造成 的串 层污 染的 污染 区 域 、污染浓度变化规律及溶质迁移路径。结果表明地下水中溶质从污染区始发，扩散至 水力天窗区后，沿水流向排泄区移动，离子浓度随时间推移呈累加趋势；老窖造成的污染范围约是初始污染面积的 40 倍。可见地下水串层污染的严重性。因此，必须对废弃矿井进行 治理，以减缓或控制地下水串层污染的发生。关键词：废弃矿山；矿坑水；串层污染；数值模型；数值模拟 中图分类号：X5231 引言中国北方约 7Gm3/a 的地下水径流系统中，有约 2.7Gm3/a 的地下水系统处于人类各种采 矿活动的范围内。受采矿活动影响，这些地区的地下水系统及水资源的天然平衡和补、径、 排条件发生了重大变化或者一定程度的破坏，造成矿井水的污染和流失1。矿井水及有害元 素对地下水的污染是国内外研究的热点之一2-4。但研究多集中于开采矿山，而对废弃矿山 经一定时间汇集、滞留的矿井水，由于水动力条件的改变，导致含水层水质串层污染的研究 还不多见。基于此，笔者以山东淄博废弃矿区为例，建立水文地质概念模型和三维非稳定流数学模 型，运用 Visual modflow 软件模拟了矿井水串层污染的动态过程，预测了污染物浓度变化规 律和分布特征，为废弃矿区水环境治理提供了理论依据。2 数值模型的建立2.1 研究区水文地质条件概化研究区位于淄博市淄川区境内的洪山、寨里矿区，地理位置如图 1 所示。该矿区为洪 山罗村水文地质单元的一部分，位于淄博向斜盆地腹部，其南部边界为大土屋侵入岩脉， 北部边界为漫泗河断层，东部边界为地下水分水岭，西部边界为煤系地层。地势东南高西北 低。该水文地质单元包括第四系散岩类孔隙含水岩组、石炭二叠系碎屑岩类裂隙含水岩 组、煤层中的老窖及巷道充水岩组即煤系地层含水岩组、奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩 组。其中第四系孔隙水由于富水性低，只在局部地段渗漏补给下部碎屑岩裂隙水，不参与主 要的水动力系统，本次研究不考虑该含水岩组；石炭二叠系的薄层灰岩及砂岩裂隙承压 水（标记为）是矿坑水的主要供水含水组；矿坑含水岩组（标记为）是主要的污染源； 矿坑含水岩组与奥陶灰岩之间的夹层砂页岩相对隔水岩组（标记为）；奥陶系灰岩承压水（标记为IV）是当地生活和工农业生产最主要的供水水源，矿山闭坑造成的水污染就是指矿 坑水对该层水的污染。概化计算中以上含水层均概化为非均质各向同性含水层，由于研究问 题的目的主要在于、IV含水层，所以将作为对的补给源处理，固在水文模型中建1本课题国家自然科学基金重点项目（50434020），面上项目（50374042）及高等学校博士学科点专项科研 基金（20040147003）的资助。- 6 -立分三层，包含、IV含水岩组的概念模型，如图 2 所示。图 1 研究区示意图Fig.1 The sketch map of research area图 2 概念模型Fig.2 The conception model2.2 渗流模型的建立依据渗流的连续性方程和达西定律，建立了与该区水文地质概念模型相对应的三维非稳 定流数学模型如下5： k xxh + k yyh + k zzh W = S sh ""(x, y, z ) （1）x x y y z z t式中： k xx 、 k yy 、 k zz 分别为沿 x，y，z 坐标轴方向的渗透系数（m/d）； h 为点 ( x, y, z ) 在t 时刻水头值（m）；W 为汇源项（1/d）； S s 为点 ( x, y, z ) 处的储水率（1/m）； t 为时间（d）； 为立体计算域。水流模型定解条件为：0（1）初始条件： h(x, y, z, t ) t =t= h0 (x, y, z )""(x, y, z ) （2）（2）边界条件：k xxhnx+ k yyhn y+ k zzhnzs2 = q(x, y, z, t )""(x, y, z ) S 2 （3）2式中： S 2 为第二类边界； nx 、 n y 、 nz 分别为边界 S 2 的外法线沿 x 轴、y 轴、z 轴方向单 位矢量； q 为 S 上单位面积的侧向补给量（m3/d）。2.3 溶质运移模型研究闭坑后煤系地层的污染水向奥灰含水层的迁移过程，可视为溶质在饱和模型中的 运移，其溶质运移方程为： ( nCk ) = nD Ck ( nv C) + q C+ nR（4）ijtxi x j xii ks ks n33式中：Ck 为溶质 k 在地下水中的浓度（m/L ）；n 为孔隙度；Dij 为水力弥散系数张量（L /s）； Rn 为反应项，m/(L ·s)； C 为物质 k 源汇项的浓度(m/L )； q 为含水层中流体单位体33kss积的过流量(1/s)； vi 为渗流速率(L/s)。 考虑大多数地下水污染问题中，吸附作用是影响污染物迁移转化的主要因素，则有： Rn C= b e t（5）式中： b 为含水层介质的干密度（L/mg）；C 为吸附在介质中的污染物质浓度（mg/kg）。溶质运移方程的定解条件为：（1）初始条件： C ( x, y, z, 0) = C0 ( x, y, z ) （在 上）（6）式中： 计算区域；C0 已知的浓度分布。（2）边界条件：C ( x, y, z, 0) = C1 ( x, y, z ) （在 1 上 t > 0 ）（7） 式中： 1 第一类边界； C1 ( x, y, z ) 在第一类边界上的已知浓度。2.4 水文地质参数的确定参数拟合主要根据 1996-2000 年的历史序列资料利用间接法调试确定，通过调用 VMFo2 （mg/L）、 K sod中的调参模块 PEST 进行参数优化，得到各水文地质参数 C so42 34 （g/cm ）、2 4a （cm）、 R soLd3 结果及分析、 aT （cm）数值分别为 1076.18、0.000102、2.15、1.34、0.43。在污染区（图 3 中墨绿色区域）选定 5 个溶质质点，观察其在水流推动及弥散作用下的 迁移路径。图中清楚的显示，溶质从污染区始发，扩散至水力天窗区后（在该处转折后）， 沿水流方向向下游（排泄区）移动。图 3 硫酸根离子运移路径Fig.3 Migration route of S O 4 2- 图 4 是反映研究区内污染物对流、扩散、线性等温吸附的运移模型，由图 4 可知，研究 区内各观测井 2005 年硫酸根监测值与模拟值最大绝对差值（133井）200.8 mg/L，为该处 监测值 1 320.8 mg/L 的 15.21，在 20 的范围内，计算值与监测值吻合较好，证明了模 型的可靠性。由图 5 可以看出，2025 年奥灰水的流场分布，水由东南向西北流动，这与研究区地形 特征相符，进一步验证了模型的可靠性。图 4 2005 年 SO42-监测浓度与模拟浓度对比图 5 2025 年奥灰水的流场分布Fig.4 SO42 monitor concentration in contradistinction to simulated concentration of 2005 yearFig.5 The flow distribution of Ordovician system limestones crevice water in 2025 year图 6 表明了 20 年内研究区可能的最大污染域。位于矿区东北部某老窖 20 年后对奥灰水 最大污染半径 3.8 km，有效污染面积可以达到 38.46 km2，约是初始污染面积 2.54 km2 的 40 倍，可见废弃矿井矿井水串层污染的严重性。位于矿区北部（9 562，6 982）坐标处的观测井，SO42-离子浓度随时间变化如图 7 所示。 由图 7 可以看出，废弃矿井的 SO42-离子浓度随时间推移呈累加趋势，在开始时增加较快， 一段时间后逐渐趋向平缓。图 6 20 年内可能的最大污染域图 7 SO42-浓度随时间变化图Fig.6 The maximum potential pollution range within 20 yearsFig.7 SO42-concentration variation with time4 结论（1）基于研究区矿井关闭后的水文地质条件，建立了反映矿区水流场补、径、排关系 的三维仿真模型。从模型识别和数值模拟结果可以看出，所建立的水文地质概念模型、数学 模型和溶质运移模型是正确的，选取的水文地质参数合理，符合实际情况，可用于流场和污 染运移研究；（2）在合理取得水文地质参数的基础上，以 SO42-为 水质模拟因子，研究了矿区东北 部已经查明的某老窖 20 年内的有效污染半径、污染浓度的变化规律及溶质迁移路径，老窖 造成的污染范围约是初始污染面积的 40 倍。因此，必须对废弃矿井进行防治，以减缓或控 制矿井水对地下水体污染。参考文献1 虎维岳, 闫兰英.废弃矿井地下水污染特征及防治技术J.煤矿环境保护,2000,14(4):37-38.2 Razem,A.C. Ground-water hydrology before ,during and after coal strip mining of a small watershed in Coshocton County, Ohio R.U.S. Geological Survey, Water-Resources Investigation Report 83-4155. Columbus, OH, 1983:36-44.3 Bayless, E. R. and G.A. Olyphant. Acid-generating salts and their relationship to the chemistry of groundwater and storm runoff at an abandoned mine site in southwestern Indiana, USA. Journal of Contaminant Hydrology,1993, 12(4):313-328.4 吴耀国，沈照理等 . 矿 井水污染的地表水灌溉入渗过程中的水岩作用 J. 煤田地质与 勘探， 2004,32(3):38-40.5 王来贵,刘向峰.大面积采动地层水系调整的数学模型J.辽宁工程技术大学学报.2003,22(5)：583-584.Study on groundwater cross strata pollution in abandoned mines by numerical simulation Wang Laigui1，Feng Meisheng1，Li Xilin21. College of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning(123000)2. College of Civil and Architectural Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning(123000)AbstractAimed at abandoned mines groundwater c r o s s s t r a t a p o l l u t i o n problem of Hongshan and Zhaili Coalmines in Zibo city of Shandong province, the simulation model of three dimensional flow and water quality was developed, and taking S O 4 2- a s water quality simulation factor, contaminated area, pollution concentration change law and solute migration way of groundwater c r o s s s t r a t a p o l l u t i o n in some dislocation were simulated. The results show that so lu te i n g r o und water originates from pollution area, spreads to the hydraulic skylight area, and removes to region of outflow along direction of flow, ionic concentration is increasing with time; The maximum potential pollution range is as about forty times as the initial pollution area. Via the study and analysis, we can conclude that its very serious for groundwater cro s s strata po llu tio n. Therefore, it is necessary to take measures toharness abandoned mines，in order to effectively mitigate or control the groundwater c r o s s s t r a t apollution.Keywords：abandoned mines；mine water；cro ss strata po llu tio n ；numerical model；numericalsimulation作者简介：王来贵，男，1962 年 6 月生。山西闻喜人，博士，教授，博士生导师。从事岩 石力学系统稳定性理论、环境岩石力学及岩石动力学方向研究。