王仁敏+曹广祝

摘要： 如何准确模拟工业危险废物填埋场污染物迁移规律关乎周边群众生产、生活安全，目前使用广泛的地下水数值模拟软件对于岩溶区孔隙-裂隙-管道三重介质模拟具有较大的困难，文章将场区内的岩溶管道概化为河流，使用GMS中Modflow、MT3D、排水沟模块对工业危险废物填埋场的水位、污染羽的分布情况进行模拟，模拟结果表明污染物在孔隙-裂隙-管道三重介质中，岩溶管道对于污染物的迁移有较大的影响，污染羽在岩溶管道处明显发生拖尾现象。

Abstract： The accuracy of contamination simulation in hazardous landfill site is important for nearby people's safety of health and production. However， the usage of groundwater numeral simulation software has many difficulties in conduit-fissure-pore media. In this passage， karst conduits are summarized by drains and use Modflow， MT3D， drain modules to simulate the field of landfill site. Then， get the distribution diagram of water heads and contaminant plumes. The result shows that the contamination in conduit-fissure-pore media is strongly influenced by karst conduit， the contaminant plumes have trailing phenomenon in the place of conduit.

关键词： 危险废物填埋场；岩溶管道；污染物迁移规律；数值模拟

Key words： hazardous waste landfill site；karst conduit；contamination transfer law；numeral simulation

中圖分类号：X513；P642.25 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0089-03

0 引言

云南是一个矿业大省，矿业的发展一方面带动了云南经济发展，另一方面由于矿产的冶炼，产生的废渣以及废渣渗滤液对环境的污染也十分严重。不同于其他地区的危险废物填埋场场地，云南由于有大范围的岩溶区出露，填埋场的选址可能无法避免地选择岩溶区，研究岩溶场地中污染物渗滤液迁移规律对于周边人民群众的生命健康安全具有重要的意义。

岩溶区的水头分布规律以及污染物迁移规律不仅仅与孔隙、裂隙有关，岩溶管道也是很重要的因素之一。地下水在渗流过程中会优先沿着岩溶管道快速流动，而现阶段所有数值模拟软件因使用的是流网相关理论，故无法直接模拟岩溶管道的水头分布情况以及污染物迁移情况。对于岩溶管道的模拟方法，国内外进行相关研究，大致可以分为两种方法，多孔介质等效法和排水沟等效法。

20世纪90年代，以陈崇希为主的学者提出了多孔介质等效法[1]，将岩溶管道等效为渗透系数较大的条带状含水层。经验证[2]，该方法在流速较低、雷诺数低于10的情况下具有较高的精确度，然而当雷诺数超过一定临界值时，模拟精度将大幅度下降。

2004年，肖斌提出了河流、排水沟等效法。当流速较快时，雷诺数大于10时，将岩溶管道概化为河流或排水沟更加符合真实情况[3]。

因为岩溶管道的水头模拟存在困难，所以模拟在岩溶管道模型中的污染物迁移规律是国内外研究的空白。根据前人的工作成果，可以将岩溶管道概化为排水沟，绘制场区等水头线图，基于该等水头线图模拟场区污染物迁移规律，从而为评价该危险废物填埋场对周边环境污染情况，为下一步工程建设提供指导建议。

1 场区水文地质情况

陆良县位于云南省东部，居南盘江上游，区域上属珠江流域南盘江水系。南盘江自北东的响水坝水库流经陆良坝子后，向南西流到县外，在本县的支流分别向北、向南呈树枝状展布，在坝区内则呈网格状分布（图1）。陆良县召夸镇位于陆良县南部，拟建陆良县工业固体废弃物集中安全处置工程场地处于召夸镇西北方向约2.5km处的清水塘山西北侧峰林谷地发育的山地丘陵区。根据2014年《云南省陆良县地质灾害及区划报告》[4]，陆良县属于典型的亚热带高原季风型冬干夏湿气候区，年降雨量578.7～1334.3mm，降水量主要集中在5～8月（图1）。场地内出露的主要地层由新至老为：第四系（Qp）、第三系（N2）、石炭系下统大唐阶上司段（C1ds）、石炭系下统大唐阶万寿山段（C1dw）、泥盆系上统一打得群（D3i）、泥盆系上统曲靖组（D2q）、泥盆系中统海口组（D2h）、元古界牛头山组（Ptn）、元古界昆阳群组（Pt1hs）。第四系、第三系以砂、黏土、砾石为主，石炭系、泥盆系地层以灰岩、白云岩为主，岩溶管道发育。

场区类华夏系构造体系之背斜、向斜与断裂交错发育，区内构造以杨梅山复背斜“隆起区”为主导。杨梅山复背斜呈北东35°方向延伸，宽约10公里，其轴部位于召夸、杨梅山、中寨一带，向东北为陆良上第三系盆地所覆盖，区内长30公里以上，轴部由昆阳群组（Pt1hs）地层和牛头山组（Ptna、Ptnb、Ptnc）地层构成，两翼主要由曲靖组（D2q）地层和一打得群组（D3i）地层构成；其间褶皱紧密，轴部复杂是滇东长期隆起的一部分。拟建项目位于华夏系构造体系之杨梅山复背斜西翼上的召夸西北方向清水塘山一带，处于两条性质不明的、呈南北向发育的次一级断裂构造之间。（图2）

测区内碳酸盐岩岩溶地貌广泛分布，主要分布于拟建项目所在区及其周边较大的范围内，其他地段也有零星分布。

2 模擬方法

本次模拟采用GMS地下水模拟系统（Groundwater Modeling System）软件 [5]，主要使用到的模块为Modflow、MT3DS、排水沟模块。使用GMS中排水沟模块概化岩溶管道，西侧、西北侧、北侧及南侧均为隔水边界，东侧为定流量边界。根据施工钻孔稳定水位及泉点出露位置高程，其他部位根据地形形态特征插值推测，采用克里金插值方法获得模拟区地下水等水位线。（图3）

2.1 管道概化

式中，Qn为排水沟排水量；Kn为排水沟底部渗透系数；An为排水沟面积；Dn为排水沟底部厚度；hn为地下水水位标高。

2.2 数学模型

3 模拟结果（图4～图8）

4 结果与讨论

根据实验结果可以知道，污染羽的迁移方式受到岩溶管道的影响较大，从第2000天（图6）开始，岩溶管道附近的污染羽出现了明显的拖尾现象，随着时间的推移，这个现象更加明显，从以至于达到7200天时（图8），岩溶管道已经成为污染物扩散最快的部分。

相比传统的多孔介质等效法模拟岩溶区管道流，多孔介质等效由于采用的是达西定律，流速相比排水沟概化的管道是较慢的，不会在岩溶管道附近出现明显的拖尾现象。而实际情况下，管道流的流速明显大于渗流速度，管道流中污染物迁移速度明显快于多孔介质渗透。在极端情况下，岩溶管道是污染物迁移最主要的介质。使用将岩溶管道概化为排水沟的方法更加符合实际情况。

根据模拟结果可以知道，拟建场地由于岩溶管道极为发育，多孔介质污染物弥散速度远远低于岩溶管道污染物迁移速度，由于岩溶管道存在探测困难，深部岩溶管道无法使用现有物探手段获得，故地下水污染风险相比只有多孔介质渗流的情况下大很多，所以在设计危险废物填埋场时，应尽可能避开岩溶管道发育地区。

参考文献：

[1]CHENG J M， CHEN C X. An integrated linear/non-linear flow model for the conduit-fissure-pore media in the karst triple void aquifer system [J]. Environmental Geology， 2005， 47（2）： 163-74.

[2]成建梅，陈崇希.广西北山岩溶管道一裂隙一孔隙地下水流数值模拟初探[J].水文地质工程地质，1998（4）：50.

[3]肖斌，许模，曾科，等.基于Modflow的岩溶管道概化与模拟探讨[J].地下水，2014，36（1）.

[4]云南省国土资源厅，2014.

[5]易立新，徐鹤.地下水数值模拟：GMS应用基础与实例[M]. 北京：化学工业出版社，2010.