煤矸石淋溶液對地下水系統(tǒng)污染規(guī)律的研究.pdf

1、本文基于前人研究成果基礎(chǔ)之上，運用地下水動力學(xué)、多孔介質(zhì)流體力學(xué)、環(huán)境化學(xué)以及水文地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科相關(guān)理論，利用理論、實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對煤矸石淋溶液對地下水系統(tǒng)污染機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行了較深入地研究： (1) 通過室內(nèi)煤矸石靜、動態(tài)淋溶實驗研究，科學(xué)、全面、系統(tǒng)、深入地揭示了新邱露天礦不同風(fēng)化程度煤矸石在水巖相互作用下溶解釋放出的主要污染組分為總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)、硫酸鹽(SO<,4><'2->)、鈉(

2、Na<'+>)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)等，這一結(jié)果與Szcepanska對波蘭380余座煤矸石山進(jìn)行的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)煤矸石的主要污染是鹽度、含硫量和潛在的酸性等基本是一致的；揭示了煤矸石在長期的地球物理、化學(xué)風(fēng)化、自然降水淋溶等作用下隨著大量黃鐵礦的氧化、分解、溶解反應(yīng)以及碳酸鹽巖、硅鋁酸鹽巖礦物的溶解反應(yīng)使煤矸石風(fēng)化，風(fēng)化程度越高的煤矸石在水巖相互作用下溶解釋放的總硬度、硫酸鹽、鈉、總?cè)芙庑怨腆w等無機(jī)污染物量越多的內(nèi)在機(jī)制；揭示了影響煤

3、矸石污染組分溶解釋放的主要因素為固液比、浸泡時間、酸度、攪動、矸石粒度大小以及水的動態(tài)流動等；提出了煤矸石在水巖相互作用下主要污染組分溶解釋放的多相反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理即：整個溶解過程分為兩個階段：①是易溶組分脫離界面過程；②是脫離界面后以低速向外擴(kuò)散過程。且溶解擴(kuò)散服從菲克(Fick)擴(kuò)散定律；建立了煤矸石在動態(tài)淋溶作用下主要污染組分溶解釋放規(guī)律的數(shù)學(xué)模型：Cv=C<,0>V<'n>，從而可定量預(yù)測煤矸右中主要污染組分在大氣降水作用下對地下

4、水系統(tǒng)污染的強(qiáng)度； (2) 通過室內(nèi)土柱動態(tài)模擬試驗，研究揭示了煤矸石淋溶液主要污染組分總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)、硫酸鹽(SO<,4><'2->)、鈉(Na<'+>)在地下水系統(tǒng)中的多組分運移機(jī)理和污染規(guī)律：總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)的運移速度很快，硫酸鹽(SO<,4><'2->)次之，而鈉離子(Na<'+>)的運移速度最慢；對流、水動力彌散和吸附作用是造成總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)

5、、硫酸鹽(SO<,4><'2->)和鈉離子(Na<'+>)運移的主要原因，對污染組分的運移起主要作用；土壤介質(zhì)對總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)、硫酸鹽(SO<,4><'2->)和鈉離子(Na<'+>)都發(fā)生了吸附作用，且吸附強(qiáng)弱不同，對鈉離子(Na<'+>)的吸附最強(qiáng)，硫酸鹽(SO<,4><'2->)次之，而對總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)的吸附較弱，且土壤介質(zhì)對三者的吸附都符合線性等溫平衡吸附規(guī)律。并測定了土壤的滲

6、透系數(shù)、水動力彌散系數(shù)以及總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)、硫酸鹽(SO<,4><'2->)、鈉(Na<'+>)在飽水砂性土壤中的吸附分配系數(shù)(cm<'3>/g)和遲滯因子分別為1.59×10<'2>cm<'3>/g、6.5×10<'-2>cm<'3>/g、4.22×10<'-1>cm<'3>/g和1.08、1.34、3.21，為模型的驗證和數(shù)值模擬提供了可靠的實測參數(shù)； (3) 系統(tǒng)地分析了影響污染組分運移的主要因素

7、，建立了綜合考慮對流、水動力彌散、吸附解吸及存在源匯項條件下的定量描述土壤-地下水系統(tǒng)中主要污染組分運移三維動力學(xué)耦合數(shù)學(xué)模型，利用有限差分方法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值離散，給出了數(shù)值解法； (4) 利用數(shù)值模擬方法，對煤矸石淋溶液中主要污染組分總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)、硫酸鹽(SO<,4><'2->)、鈉離子(Na<'+>)在研究區(qū)域地下水系統(tǒng)中的濃度時空分布規(guī)律進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：污染面積隨時間推

8、移不斷向兩軸方向擴(kuò)大，且縱向顯著，在地下水流的下方向，污染范圍較大，地下水流的上方向，污染范圍較小，地下水流的兩側(cè)方向，污染范圍基本呈對稱分布；污染組分濃度值向兩軸方向逐次遞減，淋溶液對地下水體污染程度與距污染源的距離有關(guān)，距離污染源越遠(yuǎn)，溶質(zhì)的濃度越低；在垂向方向，污染組分隨水流運移的同時逐漸向下方滲漏，污染面積不斷擴(kuò)大，并逐次遞減，在污染源下部的O-20m深度范圍內(nèi)含量最高；而同一位置污染組分的濃度值隨時間的延續(xù)呈逐漸增大的趨勢，最

9、后達(dá)到平衡；總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)在地下水中運移的速度大于硫酸根的運移速度，更大于鈉離子(Na<'+>)的運移速度；模擬相同時間后總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)的運移范圍較大，硫酸根(SO<,4><'2->)的運移范圍次之，而鈉離子(Na<'+>)的運移范圍最小，總硬度(Ca<'2+>+Mg<'2+>)最先達(dá)到平衡，硫酸根(SO<,4><'2->)次之，而鈉離子(Na<'+>)的運移非常緩慢，所以總硬度(Ca

10、<'2+>+Mg<'2+>)、硫酸根(SO<,4><'2->)污染的范圍比鈉離子(Na<'+>)污染的范圍廣，對地下水質(zhì)破壞的程度比較嚴(yán)重； (5) 通過對新邱原南露天礦煤矸石山周圍地區(qū)的地下水水質(zhì)進(jìn)行的調(diào)查、監(jiān)測表明：該區(qū)地下水受到了嚴(yán)重污染，且污染源主要來自煤矸石山。煤矸石山是長期的污染源，是造成周圍地區(qū)地下水無機(jī)鹽類污染的主要原因。 這一結(jié)論與波蘭學(xué)者對380余座煤矸石山進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)的煤矸石山是地下水污染的長期

11、污染源以及煤矸石的主要污染是鹽度、含硫量和潛在的酸性等基本是一致的； (6) 將數(shù)值模擬值與研究區(qū)域地下水多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)一步驗證了所建數(shù)學(xué)模型的可靠性。該數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬方法對其它地區(qū)煤矸石淋溶液對地下水系統(tǒng)污染問題普遍適用。 最后對煤矸石山淋溶液對地下水污染問題提出了治理措施。 本文的研究成果對于揭示煤矸石對地下水系統(tǒng)污染的環(huán)境動力學(xué)行為具有重要的科學(xué)理論意義，對地下水環(huán)境污染的預(yù)測、預(yù)報和