海州露天矿闭坑后地下水污染模拟研究

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1、http://www.paper.edu.cn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

2、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236km，深度达350m的大坑以及采矿形成的堆积量1亿m以上的大型矸石山3座，堆积量330.1亿m以上的中型矸石山4座，堆积量0.01亿m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

3、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[1]水化学平衡。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

4、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[2]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。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

5、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[2]称为渗流。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-1-http://www.paper.edu.cn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

6、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：⎡⎤∂∂∂∂⎛⎞hh⎛⎞∂h⎢⎥⎜⎟KK+=⎜⎟µ(1)xxyys⎣⎦∂∂∂∂x⎝⎠xyy⎝⎠∂t式中，Kxx，Kyy为渗透系数；µs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：∂∂∂∂CCC⎡∂⎛⎞C⎤∂∂⎡⎤⎛⎞CR++=VV⎢⎥⎜⎟D+⎢⎥⎜⎟D−λCR(2)dxyxxyyLd∂∂∂∂∂∂∂txyxxy

7、y⎣⎦⎝⎠⎣⎦⎝⎠C为溶质浓度；Rd为阻滞系数；λL为放射性物质衰变常数。Dij为弥散系数张量，定义如下：22uvDVxx=+−+ααT()LαTDmDVyy=+−+ααT()LαTDmVV22其中α为径向弥散系数；α为横向弥散系数；D为有效分子弥散系数；Vuv=+；LTmu、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：hxyz(),,=ht=00边界条件：hx

8、zt(),,=hΓ11∂hxzt(),,−=q∂nΓ2（2）污染物运移的定解条件初始条件：Cxzt(,,)=C边界条件：CC=t=00Γ11∂CC∂DDCxx+−+=+yy()VxVCy0()VxVy(3)∂∂xyΓ2其中h0，h1初始水头与边界水头值；q为通量边界条件；C0为背景值浓度，