基于GMS的广西平果铝赤泥堆场岩溶含水层溶质运移模拟

李珊珊，陆海建，蓝俊康，黎永索

(1.湖南城市学院 土木学院，湖南 益阳 413000；2.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045；3.桂林理工大学，广西 桂林 541004)

基于GMS的广西平果铝赤泥堆场岩溶含水层溶质运移模拟

李珊珊1，陆海建2，蓝俊康3，黎永索1

(1.湖南城市学院 土木学院，湖南 益阳 413000；2.广东省环境科学研究院，广东 广州 510045；3.桂林理工大学，广西 桂林 541004)

广西平果铝赤泥堆场在生产氧化铝时会产生碱性比较高的赤泥淋滤液，同时也会产生硫酸盐、氟化物、铝等污染物。赤泥淋虑液下渗到地下水污染比较敏感的岩溶区会对地下水岩溶含水层造成污染。运用GMS软件模拟赤泥淋滤液在岩溶含水系统的运移情况，找出污染物的运移规律、来预测赤泥堆场的建设对地下含水层的污染，确定污染物的范围和浓度的分布。模拟结果表明：堆场离南部的岩溶管道有一定的距离，下渗的赤泥淋滤液不能很快的流入岩溶管道中，污染物主要是在裂隙和孔隙的岩体介质中运移，主要以分子扩散的形式运动，运动的速度十分缓慢。污染晕大致呈圆形向四周扩散，30 a后扩散带向东北向扩散的最远距离才645 m，堆场的建设不会对附近的岩溶含水层造成污染。

GMS；赤泥；岩溶水；污染

广西平果铝1#堆场和2#堆场的面积分别为0.6 km2和1.0 km2。平果铝的赤泥采用的堆放方法是干法堆放。这2个堆场早在20多年前就建成使用，堆场位于岩容发育地带。铝厂在生产氧化铝时会产生碱性比较高的赤泥淋滤液，同时也会产生硫酸盐、氟化物、铝等污染物。如果赤泥淋虑液下渗到地下水污染比较敏感的岩溶区时会对地下水岩溶含水层造成污染[2]。为了预测下渗的赤泥淋滤液对岩溶含水层的污染，运用GMS软件模拟赤泥淋滤液在岩溶含水层的运移情况，确定污染物在岩溶含水层中的分布，为合理的开采利用地下水资源提供依据。

1 研究区概况

1.1 研究区的位置和范围

广西平果铝赤泥堆场位于平果县平南村，堆场的东侧为新安—果化公路，堆场的西侧与广昆高速公路相邻。堆场周围地势比较平坦没有形成天然地表分水岭，在评价时为了得到独立的水文地质，经调查研究确定，东部以右江作为定水头边界，以地表河流为南部东侧边界，南部西侧以地下河流(岩1溶管道)为边界。西部和北部分别以地表分水岭为界。总面积为193.54 km2。如图1所示。

1.2 研究区的水文地质条件

研究区内为碳酸盐裂隙溶洞水，主要的含水地层有：(1)下三叠统北泗组(T1b)白云岩、白云质灰岩；(2)下三叠统罗楼组(T1l)灰岩；(3)下二迭统茅口阶(P1m)灰岩；(4)下二迭统栖霞阶(P1q)灰岩；(5)上石炭统(C3)白云岩、灰岩。

主要的隔水地层为：(1)第四系残积、坡积、冲积黏土(Q4)；(2)上第三系(N)泥岩；(3)上二迭统(P2)砂岩、铁铝质页岩及泥岩；(4)中上三叠统平而关群下段(T2-3p1)的页岩、泥灰岩；

图1 研究区范围

2 地下水流场的模拟

2.1 边界条件

东部边界：以右江为边界；

南部边界：南部东段以西秀流入右江的地表河为界；南部西段以得顶-新民-更桃-古来-龙边-西秀地下河为界(岩溶管道)；

西部边界：以新安与进结镇之间的地表分水岭为界；

北部边界：以玻璃村以北的百布屯北侧的地表分水岭为界；

2.2 管道的确定及处理方法

根据野外水文地质测绘资料和物探、钻探结果，确定研究区地下岩溶管道的位置，将岩溶管道的分布情况绘制在GMS模拟底图相应的位置上。在数值模拟时运用GMS沟渠包计算岩溶管道的水流量。采用等效水力传导系数来描述岩溶管道的水流[3,4]。

等效水力传导系数——地下水流为非达西流时也用达西公式计算地下水流速。公式如下：

V=KecJ

(1)

式中：V为等效的达西流速；J为水力梯度；Kec为等效水力传导系数。Kec值由(2)式或(3)式求得。

管道中的水流为层流时

(2)

式中：d为岩溶管道的直径；μ为流体的粘滞系数；ρ为流体的密度。

管道中的水流为紊流态

(3)

式中：μ为管道水流平均流速，f为摩擦系数。

2.3 数学模型

由于地下水不仅存在水平流动，还存在垂向流，所以在模拟时把地下水流看作三维非稳定流[4]，其数学模型可根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610-2011)附录F得[5]：

(4)

式中：h为地下水水头(m)；Kx，Ky，Kz为x，y，z方向的渗透系数(m/d)；B1为已知水头边界(第一类边界)；B2为隔水边界；h1为河流水位(m)；W为源汇项强度(d-1)；Ω渗流区域；Ms为储水率(m-1)，取经验值0.000 9。

2.4 水文地质参数的取值

研究区分区的水文地质参数初值取研究区水文地质普查报告资料中各地层岩性的水文地质参数的经验值，然后根据研究区内41个监测孔的实测水位值及研究区内水井抽水量、泉水流量进行反演模拟。

(1) 渗透系数：研究区水文地质普查报告提供的各岩层的水文地质参数经验值作为模拟的初值，最后再通过实测水位拟合对参数进行调整，最后的结果如表1和表2所示，各参数分区的位置见图2和图3。

图2 浅部含水层渗透系数分区图

图3 深部含水层渗透系数分区图

(2)降水入渗系数：根据研究区的地形地貌、各地层岩性及富水性、第四系覆盖层厚度来划分，根据经验值对各区赋初值，然后根据研究区实测水位进行拟合调参得到最终结果。分区如表3所示。

(3)水力传导系数：根据岩溶管道的发育情况，水力传导系数初值设为5～30 m/d，然后通过实测为水位拟合调参得到终值。

(4) 给水度：研究区内2个碳酸盐层(P1m和P1q)的岩溶发育程度差不多，研究区内的给水度不再分区，由于这2个地层岩溶的面溶蚀率的大小，统一取经验值0.04。

2.5 空间的离散

本次模拟区域是一个不规则的图形，考虑到模拟剖分网格的密度对模拟结果精确度的影响，对研究区的网格剖分如下：平面上共为180行，180列，模拟时地形高程以2DS散点的方式输入，地形高程输入模型后用IDW插值法对其赋值[6-8]。

2.6 模型的校正

模型经过反演和实验，调整各分区的水文地质参数来拟合各监测孔的实际测量水位，使模型达到最佳的拟合效果，模拟结果和实际观测值的误差在精度要求范围内则可认为模拟结果是正确的，其中5月份水位模拟结果与5月份实际测量结果的拟合效果如图4和图5所示，由此可以看出模拟的拟合效果比较理想。

表1 浅部含水层渗透系数各分区值 m/d

表2 深部含水层渗透系数各分区值 m/d

表3 降雨入渗系数分区值 m/d

图4 部分监测点GMS模拟的效果图

图5 部分监测点的计算水位与实测水位的相关图

3 溶质运移模拟

3.1 污染组分模拟方法及有关参数

堆场下渗的赤泥林滤液不仅碱性强，并且其中的硫酸盐、氟化物、铝等污染组分的浓度也比较高。各组分的污染物的模拟方法和有关参数如下：

(1) pH值的模拟方法：按淋滤液pH=13.0、渗漏量为2.229 6×104m3/d的持续污染源不断地渗到含水层，然后按弥散方程利用数值法模拟出流场内任何一处、任何时刻的pH值。为了安全起见，在模拟过程中，不考虑含水介质对pH的中和作用，仅考虑稀释作用。

(2)Al3+的模拟方法：对堆场中的赤泥滤水的水质进行测定Al3+浓度为63 mg/L。计算时按淋滤液pH=13.0、Al3+浓度为63 mg/L、渗漏量为2.229 6×104m3/d的持续污染源来模拟。虽然含水介质中的Fe2O3对Al3+有一定的吸附量，但考虑到本场地的第四系粘土层较薄，含有的Fe2O3量及其有限，堆场运行后短时间内的吸附即可达到饱和，所以在进行数值模拟时，不再考虑吸附作用，仅考虑地下水的稀释作用和Al3+的化学沉淀作用。

图6 OH-在岩溶含水层中分别扩散1、15和30a的离子浓度等直线图

(3)SO42—离子模拟方法：按SO42—浓度为5 109.56 mg/L、渗漏量为2.229 6×104m3/d的持续污染源来模拟。

(4)F—离子模拟方法：按浓度值为118.03 mg/L、渗漏量为2.229 6×104m3/d的持续污染源来模拟。

图7 Al3+在岩溶含水层中分别扩散1、15和30a的离子浓度等直线图

3.2 二维水动力弥散问题数学模型

(5)

图8 SO42-在岩溶含水层中分别扩散1、15和30a的离子浓度等直线图

3.3 水质模型的数据输入

基本运移子程序包是水质模拟中所必须的，选择的模拟时段为 2015年12月到2045年12月，采用 30 d 作为一个时间步长。在 Define Specie中输入污染因子，选择使用对流子程序包、弥散子程序包、源汇项子程序包和运移观测子程序包，以 2015年12月的污染物浓度场为初始浓度场[10,11]。

4 模拟结果分析

根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749——2006)来划分研究区的污染区和未污染区，其中pH、Al3+、SO42-和F-的界限值分别为：由于赤泥林滤液碱性强所以pH界限为8.5(OH-浓度：0.058 mg/L)；Al3+为0.2 mg/L；SO42-为250 mg/L、F-为1.0 mg/L[12]。

4.1 pH模拟结果

模拟结果显示：拟建堆场修建后含水层碱液浓度增加，受地下水流场的影响污染物逐渐向东南和东北方向扩散。赤泥林滤液到达岩溶含水层15 a后，碱液污染物朝堆场的东北向扩散最远，最远距离为586 m；30 a后老堆场停用只剩拟建的新堆场在使用，30 a后污染物的浓度降低，扩散带向东北向扩散的最远距离才645 m。根据此模拟结果可知，赤泥碱液在含水层扩散速度慢，碱液扩散到右江河至少需要上百年的时间。碱液模拟结果如图6。

图9 F-在岩溶含水层中分别扩散1、15和30a的离子浓度等直线图

4.2 Al3+模拟结果

模拟结果显示：拟建堆场修建后含水层Al3+的浓度增加，受地下水流场的影响污染物逐渐向东南和东北方向扩散。Al3+到达岩溶含水层15 a后，扩散带向东北向扩散的最远距离为515 m；30 a后老堆场停用只剩拟建的新堆场在使用，30 a后堆场附近Al3+的浓度降低，扩散带向东北向扩散的最远距离才540 m。根据此模拟结果可知，Al3+在含水层扩散速度慢，Al3+扩散到右江河至少需要上百年的时间。Al3+模拟结果如图7。

4.3 SO42-模拟结果

模拟结果显示：拟建堆场修建后含水层SO42-的浓度增加，受地下水流场的影响污染物逐渐向东南和东北方向扩散。SO42-到达岩溶含水层15年后，扩散带向东北向扩散的最远距离为492 m；30 a后老堆场停用只剩拟建的新堆场在使用，30 a后堆场附近SO42-的浓度降低，扩散带向东北向扩散的最远距离才527 m。根据此模拟结果可知，Al3+在含水层扩散速度慢，SO42-扩散到右江河至少需要上百年的时间。SO42-模拟结果如图8。

4.4 F-模拟结果

模拟结果显示：拟建堆场修建后含水层F—的浓度增加，受地下水流场的影响污染物逐渐向东南和东北方向扩散。F-到达岩溶含水层15 a后，扩散带向东北向扩散的最远距离为574 m；30 a后老堆场停用只剩拟建的新堆场在使用，30 a后堆场附近F-的浓度降低，扩散带向东北向扩散的最远距离才590 m。根据此模拟结果可知，F-在含水层扩散速度慢，F-扩散到右江河至少需要上百年的时间。F-模拟结果如图9。

5 结语

(1)通过本次模拟结果可以得出，运用GMS沟渠包来模拟岩溶管道水流，等效达西流速描述岩溶管道流，不仅在理论上是合理的，而且在实际模拟过程也是可行的；

(2)堆场的主要污染物(碱液、Al3+、SO42-和F-)主要以分子扩散的形式运动，扩散晕大致呈圆型。通过模拟结果可以看出，碱液、Al3+、SO42-和F-污染物从堆场下方含水层扩散到右江边界需要上百年时间。

(3)本次模拟结果表明，碱液、Al3+、SO42-和F-污染物在岩溶含水层的运动速度很慢，而且堆场达到使用年限后将停止使用，并且会在堆场上方盖上土工膜，堆场中赤泥淋虑液将通过防渗层上方预留的排水管道排出后处理，赤泥淋虑夜将不会侧漏或者垂直下渗到岩溶含水层。所以堆场中的碱液、Al3+、SO42-和F-污染物不会对附近的岩溶含水层造成污染。

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[5]环境影响评价技术导则地下水环境(HJ610-2011).

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[12]生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006).

Prediction of karst groundwater pollution by red mud stack field in Pingguo contry Guangxi based on GMS simulation

LI Shan-shan1，LU Hai-jian2，Nan jun-kang3，LI yong-suo1

(1.Hunan city university College of civil engineering Yi’yang 41300，China；2.Guangdong Provincial Acaderuy of Environmental Science，GuangZhou 510045，China；3.GuiLin University of Technology，Gui Lin 541004，China)

Red mud stack field in Pingguo contry Guangxi will produce alkaline higher red mud filtrate in the production of alumina, at the same time can produce sulphate, fluoride, aluminum and other pollutants.Red mud filtrate can cause pollution of groundwater in the karst aquifer when infiltrates into groundwarter to pollute more sensitive karst area. GMS software was used to simulate migration of red mud leachate in karst aquifer system, from which found out contamination’ s regular pattern and determined contamination’ s ditribution and concentration. The simulation results showed that there was certain distance from red mud dump to southern karst pipeline,so red mud leachate should take long time to flow into karst pipeline. Contamination migrated mainly with molecular diffusion in rock medium of cracks and pores and the speed of movement was very slow. Contamination spread to the surrounding with circular and the most distance of contamination spread to the northeast is 645m. So the red mud dumps’ construction will have no pollution to the vicinity karst aquifer pollution.

GMS；red mud；karst groundwater；pollution

2016-10-17

湖南省科技计划项目(2014SK3180)；湖南省教育厅重点课题(15A035)

李珊珊(1990-)，女，湖南桃江人，助教，主要从事水文学及水资源研究。

P641.2

A

1004-1184(2017)01-0054-05