海州露天矿闭坑后地下水污染模拟研究

陈建平，曹兰柱

辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新（123000）

E-mail：chenjianp@tom.com

摘要：本文针对海州露天矿闭坑后采场积水造成的地下水均衡和地下水化学平衡的破坏，建立地质模型和地下水运移模型，应用有限元法对地下水流场和地下水污染范围进行了数值模拟，可对地下水的污染范围进行预测和预报，基本反映了污染物运移的时空变化规律，减少了圈定污染范围的工作量。

关键词：闭坑；地下水；数值模拟

0 引言

阜新矿区，在采矿过程中由于矿坑疏水，致使矿区周围地下水位下降，形成一个大的漏斗区域，并且导致一系列的环境问题。海州露天矿破产闭坑后，在城市中形成有一面积达6km2，深度达350m的大坑以及采矿形成的堆积量1亿m3以上的大型矸石山3座，堆积量0.1亿m3以上的中型矸石山4座，堆积量0.01亿m3的小型矸石山5座，不具规模的矸石山340多座。当露天矿闭坑后，采场内将充水形成人工湖，水的主要来源有地下水的涌入、采场周围集水区雨水的汇集，其中雨水进入采场时通过地表径流和渗流进入采场。由于采场周围大量矸石的堆积，在雨水进入采场时会有矸石的淋溶水进入采场，采场积水后尾矿的浸出液也会进入水中，致使矸石和尾矿中的铝、砷、铅、硫化铁等可溶性盐和一些有机污染物进入到采场积水中。随着采场内水位的上升，采矿期间形成的地下水漏斗将逐渐消失，地下水均衡会重新破坏，当采场内水的补给与地下水处于动态平衡时，采场人工湖水与地下水之间就会有渗流或径流相互补给，采场内受污染的水就会进入地下而污染地下水，破坏了原来的水化学平衡[1]。本文研究露天矿闭坑后矿坑不同积深度对地下水污染情况。

1 污染物扩散模型的建立

1.1 污染物迁移转化基本理论

污染物在包气带土层及其在地下水中的迁移转化规律是十分复杂的。其中，控制污染物质在包气带和含水层多孔介质中迁移转化的因素和过程有：包气带土层及含水层孔隙的结构和分布等特性参数，边界和初始条件；污染物质的类型，污染源的几何形状及污染物的释放方式（对流、水力弥散）；地球化学和生物化学反应；以及放射性衰变、生物降解等[2]。污染物在包气带土层及其在地下水中的运移速度和浓度的时空分布，在较多的情况下是上述各因素和过程综合作用的结果。

1.2地下水在土岩流介质中流动模型

在考虑地下水中污染物及水的流动时，土岩孔隙空间的某些孔洞应相互连通，但水流通过多孔相互连通的孔隙时，相互连通孔隙的某些部分对流体的流动亦是无效的。如死端孔隙或只有一条狭窄的小缝和相互连通的孔隙间联系着的盲孔隙。在这样的死端孔隙中，流体几乎不发生流动。建立基于连续介质的数学模型，假设满足三个条件：假设水流与真实水流的推动力相等；通过同一断面的流量相等；在孔隙中所受阻力相等。满足上述条件的假想水流称为渗流[2]。这种水流可以看作是连续水流，可以应用流体质点的连续方程和运动方程来描述水在土岩介质中的流动。这样，宏观上用多孔介质特性的最小体积描述地下水运动相关要

素，将这个最小体积定义为模型单元，含水层介质就可以认为是一种假想的连续介质。同时在模型时要考虑污染物的对流、弥散、与介质的和离子交换作用。

1.3 污染物运移方程

地下水在含水层中运移的控制方程为：

xx yy s h h h

K K x x y y t µ⎡⎤⎛⎞∂∂∂∂∂⎛⎞+=⎢⎥

⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂⎝

⎠⎝⎠⎣⎦ (1) 式中，K xx ，K yy 为渗透系数；s µ为贮水率；h 为水头。

在综合考虑污染物在地下水水环境体系中扩散、吸附解吸、分配以及微生物降解条件下，建立如下地下水污染物迁移动力学控制方程：

C d

x y xx yy L d C C C C R V V D D CR t x y x x y y λ⎡⎤

⎛⎞∂∂∂∂⎡∂⎤∂∂⎛⎞++=+−⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎢⎥

∂∂∂∂∂∂∂⎝⎠⎣⎦⎝⎠⎣⎦

(2) C 为溶质浓度；R d 为阻滞系数；L λ为放射性物质衰变常数。 D ij 为弥散系数张量，定义如下：

()2xx T L T m u D V D V ααα=+−+ ()2

yy T L T m v D V D V

ααα=+−+

其中L α为径向弥散系数；T α为横向弥散系数；m D

为有效分子弥散系数；V =u 、v 为水流速度分量。

通过以上分析得出污染物迁移的控制方程，对于特定的问题必需加上定解条件(初始条件和边界条件)就构成完整的地下水环境中污染物迁移的动力学数学模型，考虑如下定解条件

（1）水流运移的定解条件 初始条件：()00

,,t h x y z h ==

边界条件：()

1

1,,h x z t h Γ=

()

2

,,h x z t q n Γ∂−

=∂

（2）污染物运移的定解条件 初始条件：()

00

,,t C x z t C == 边界条件：11C C Γ=

()()02xx

yy x y x y C C

D D C V V C V V x y

Γ∂∂+−+=+∂∂ (3)

其中h 0，h 1初始水头与边界水头值；q 为通量边界条件；C 0为背景值浓度，C 1为边界条件处离子浓度。

上述含水层中污染物运移问题是通过一类二阶偏微分方程来描述：一个方程描述地下水的流动；另一个方程描述污染物溶质在地下含水层中的运移，两者通过运动方程耦合起来的。通过水流方程及相应的初始条件和边界条件构成地下水水流模型，可以求出压力水头，再通过地下水运动方程求出含水层中水流的实际平均流速代入污染物溶质运移模型，求解该模型即可得到研究区域污染物浓度分布。

2 污染物在地下水中运移规律的数值模拟

2.1地质模型的建立

针对海州矿特殊地层结构和环境条件模型在不影响计算结果的前提下进行了简化，如图1，各断面的弱层简化为一个弱层带，参数取其平均值[3]。设计不同的水位方案，对及污染物的扩散规律，建立模型研究对象是典型的断面，模型的横向与纵向比例为4:1，标高如图1所示。为了考虑水位变化后污染物在地下环境系统中迁移的动态影响规律，分别计算离坑

底水位分别为0m ，36m ，72m 三种情况。模型参数表1 ,边界条件采用定水头边界。

表1 模型各材料参数

名称 容重 粘聚力 摩擦角 渗透系数

表土 25 50 28 1e-5 高风化岩石 36 3 35 5e-4 弱层带 18 1 16 2e-5 砂页岩

24 20 33 3e-4

针对该研究区域污染物污染地下水的问题，按照有限元方法可解出污染物浓度的时空变化规律。其求解顺序为：先由水分运动模型求出压力水头进而求流速场，然后将其代入污染物迁移模型，通过数值模型算出前半一个时间步长的浓度值，并以这个浓度为初值，代入数值模型算出生化反应项的浓度值，并以此为初值求出后半个时间步长，求得污染物在地下水含水层中的浓度值。从t=0时刻开始，通过反复迭代即可求出污染物随时空变化的浓度值[4-5]。

2.2 模拟结果分析

通过有限元数值模拟，得到了不同水位的渗流场总水头图（图2）。可以看出，随着地下水位的升高，岩体浸润范围增大，浸润程度加剧。

1

图1 污染物运移地质模型

图3是坑底不同水位地下水污染晕扩展图；可以看出，如果污染源得不到控制，随着水位的升高，污染晕的范围逐渐增大。

3 结论

通过上述数值模型，计算了污染物对地下水污染范围、污染趋势的分布情况，并可以对地下水的污染范围及程度进行预测和预报，基本反映了污染物运移的时空变化规律，减少了圈定污染范围的工作量。实际应用中，应该用此方法对地下水所有污染指标的运移过程进行数值拟合及预测，根据预测结果并结合地下水环评理论，综合考虑各项指标总体对地下水的影响效果之后，再圈定污染范围。所得方法及数值解可应用于其它可简化为点源、面源污染情形下的地下水污染问题。

参考文献

[1] 沈照理，朱宛华,钟佐.水文地球化学基础.北京：地质出版社.1993 [2] 陈崇希,唐仲华.地下水流动问题数值方法.中国地质大学出版社.1990

[3] 杨天鸿,芮勇勤等. 阜新海洲露天矿顺层边坡变形破坏机理分析.水文地质工程地质.2001(4) [4] 吕克璞.地下水渗流问题及其有限元数值模拟.西北师范大学学报.1998

[5] 段详宝，朱亮.地下水污染运移数值模拟及最优估计.水动力研究与进展.1996.11(5)

图2 不同水位渗流场水头 （a ：H=0m ；b ：H=36m ；c ：H=72m ）

a b

c

图3 不同水位情况下污染晕随时间分布图

a：H=0m

a：H=36m

a：H=72m

closed Haizhou Strip Mine

Chen Jianping，Cao Lanzhu

College of Resource and Environmental Engineering，Liaoning Technology University，Fuxin，

Liaoning (123000)

Abstract

According to the damage situation to the balance and chemical level of the underground water of the closed Haizhou Strip Mine, a geological model and an underground water migration model are built in this article. By using finite-element method, the underground water flow field and pollution scope are numerically simulated, and the underground water pollution scope can be predicted. These basically reflect the temporal and spatial variation law of the migration of the pollutants and reduce the workload for the defined pollution scope.

Keywords：closed mine；groundwater；numerical simulation

作者简介：陈建平（1971.2-），男，副教授，从事环境工程、地质工程等方面的教学和科研工作。