基于离散型裂隙网络模型的黔中龙井湾磷石膏尾矿库渗漏污染研究

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黔中地区可溶岩分布广泛,岩溶十分发育,区内富含多种类型的矿产资源,兴建了众多的矿场与化工基地对各类矿产进行开发利用,产生了大量的尾矿与弃渣。为储存与处理尾矿废渣,在岩溶区沟谷地带修建了许多尾矿库堆场。随着堆场使用时间的增加,其原有的防渗处理设施逐渐老化,并且部分堆场在达到使用年限后被废弃或封存,堆场原有防渗处理的效果逐渐降低,致使尾矿废渣被大气降水淋滤后释放出污染性离子,通过岩溶区内发育的溶蚀裂隙、落水洞与岩溶管道等进入岩溶含水系统中污染地下水,出现尾矿库渗漏污染的现象,严重影响着库区周边的地下水环境。此外,岩溶含水介质具有相当的复杂性,尤以岩溶裂隙介质为甚,目前针对岩溶裂隙介质中尾矿库渗漏的研究大多采用传统的等效多孔介质模型,通过将裂隙介质近似为孔隙介质对污染物的迁移进行研究,并不能较为准确的刻画岩溶裂隙介质以及反映介质中污染物迁移的特点,而离散型裂隙网络模型根据大量的实测裂隙数据将岩溶裂隙介质刻画为细致复杂的裂隙网络,考虑了岩溶裂隙介质的不均匀性与各向异性,能够较好的反映污染物的迁移过程,从而有利于掌握岩溶裂隙介质中尾矿库渗漏的主要路径与层位。因此,通过运用离散型裂隙网络模型的相关理论与方法对岩溶区内尾矿库渗漏的特点与污染物迁移特征进行研究,能够较为准确的反映岩溶含水介质的实际特点以及污染物的迁移过程,对于尾矿库渗漏问题的控制与防治具有重要作用,同时也为保护与治理尾矿库区内的地下水环境提供参考与依据。本文在已有区域地质与水文地质资料的基础上,通过野外调查、水化学分析、高密度电法物探工作、钻孔压水实验与岩性编录以及钻孔电视等多种手段,对磷石膏尾矿库区内主要的污染物种类、含水岩组透水性、岩溶裂隙介质发育特征及尾矿库渗漏特点进行分析与研究。根据区内实测的裂隙数据,基于蒙特卡洛法原理生成区内的离散型裂隙网络(DFN),然后通过有限元法对裂隙网格进行剖分,结合裂隙渗流理论、溶质粒子迁移模拟方法与区内水文地质条件建立了研究区地下水渗流场与溶质粒子迁移模型,获得了以下认识:(1)研究区内地下水中阳离子以Ca2+、Mg2+为主,阴离子以HCO3-、SO42-为主。水化学类型以HCO3·SO4-Ca·Mg型、SO4·HCO3·Ca型及SO4-Ca型为主。龙井湾磷石膏尾矿库至北部各矿洞范围内地下水中SO42-、总磷与F-严重超标,其来源为尾矿库渗滤液渗漏。(2)龙井湾磷石膏尾矿库渗漏的主要区域位于库区北部,污染物渗漏的源头集中于尾矿库东部f6断层破碎带附近的磷石膏堆积体。(3)研究区主要出露的碳酸盐岩地层为震旦系灯影组(Zbdn)白云岩地层,属于裸露与半裸露型岩溶,地表岩溶发育程度较高。区内岩溶裂隙型介质的岩溶发育程度在垂向上具有明显的差异:在0—80m左右的范围内,吕荣值十分接近甚至超过100lu,岩溶发育程度较高;在80—140m左右的范围内,吕荣值处于1~100lu之间,岩溶中等发育;而当深度在140m以下时,吕荣值处于1lu以下,岩溶不甚发育。(4)区内主要的含水岩组灯影组(Zbdn1+2)中透水强度具有明显的垂向分带性,根据分布深度,可划分为强透水带、较强透水带、中等透水带、弱透水带与微透水带。(5)震旦系灯影组(Zbdn1+2)地层中发育大量的溶蚀裂隙,裂隙发育的优势方向为北东向,裂隙宽度的平均值为0.502cm,以小型裂隙为主。(6)区内污染性溶质粒子主要分布于地下30m至82m的范围内,此范围内发育的溶蚀裂隙的连通性较好,是粒子迁移的主要层位。磷酸根粒子在水平方向上的迁移距离远于硫酸根粒子,粒子迁移的方向与优势裂隙发育方向基本一致,为北东向。(7)区内尾矿库渗漏的主要区域位于尾矿库北部冲沟处,磷石膏尾矿库渗滤液渗漏主要包含两个途径:途径Ⅰ由尾矿库堆场—堆场北部冲沟与f6断层破碎带切割位置—S1泉点与772矿洞;途径Ⅰ是由尾矿库堆场—堆场北部冲沟与f6断层破碎带切割位置—罗家林矿洞。
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