石村矿煤矸石淋滤液重金属在地下水中迁移特征研究

摘要

随着工业化的进程，人类活动对地下水环境的影响越来越重，人类活动产生的生活污水、工业废水与固体废物产生了区域性水环境的污染问题。煤矸石在降雨作用下淋滤产生的淋滤液下渗进入含水层中，并随地下水的运动扩散到整个含水层，造成区域性的生态环境恶化和地下水水质的污染，人类饮用已污染的地下水会危害人体健康。对煤矸石浸溶试验产生的浸溶液进行重金属离子检测，测试分析的离子浓度结果:铅离子(Pb2+)、锌离子(Zn2+)、砷离子(As3+)、镍离子(Ni2+)的浓度值均已超过国家饮用水的水质标准;这种高矿化度的煤矸石淋滤液渗入地下水中，使地下水水质恶化。煤矸石堆积区周边地下水的水样检测结果说明:重金属离子已逐渐扩散到周边地下水中，地下水已受到淋滤液的污染。
　　采用实际踏勘调查与现场试验、地质文献总结分析、地下水数值模拟相结合的综合研究方法，基于研究区的水文地质条件和既有工程资料的分析，首先对煤矸石堆积区周边地下水进行采样分析，了解目前该地区地下水中重金属离子的污染程度，结合研究区的水动力条件分析重金属离子在地下水中的迁移规律，再运用Modflow模拟研究区的地下水渗流场，MT3D模拟预测重金属离子的迁移过程，并分析其迁移特征。获得主要结论如下:
　　1.根据笔者野外调查及区域资料，将研究区含水层系统划分为:第四系松散堆积层划分为不含水至弱富水性含水层，三叠系北泗组纯灰岩划分为强富水性含水层、马脚岭组上段灰岩夹碎屑岩划分为弱富水性至中等富水性含水层，三叠系马脚岭组下段页岩及二叠系大隆组凝灰岩划分为相对隔水层，二叠系合山组燧石灰岩划分为弱富水性至中等富水性含水层。
　　2.通过研究区地下水水样的检测分析，研究区内地下水为中性水，高矿化度，总硬度为中等—硬水，本区地下水类型为HCO3·SO4—Ca型。
　　3.为了调查石村矿煤矸石淋滤液中重金属对周边地下水的污染程度，进行专门水样测试，根据重金属测试结果，水样中Mn2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+4种离子浓度较低，未被检测到;距离煤矸石堆积区越近，所检测到的离子越多，离子浓度越大;在其它几个离子中只有Zn2+在大部分水样中被检测到，最高浓度为0.783mg/L，超过国家Ⅱ类水质标准0.5mg/L。
　　4.在研究区内做双环渗水试验，测定研究区内第四系松散堆积层的渗透系数。研究区内覆盖层根据土质不同分为两类:煤矸石堆积区周边200m内为含碎石粉质粘土，其渗透系数为0.0021cm/s;其它地区大部分为粉质粘土，其渗透系数为0.000727cm/s。
　　5.取石村矿煤矸石样品做煤矸石浸溶试验，检测浸溶液中的重金属离子浓度及pH值。浸溶液呈酸性，浸溶初期，As3+浓度相对较高，之后浓度变化不大;Pb2+、Ni2+开始浓度较低，但是随着浸溶时间的延续它们的浓度不断增加，之后逐渐稳定;浸溶液中各重金属离子都是初期溶出速率快，之后变慢;锌离子(Zn2+)是浸溶试验中溶出量最多的重金属离子，超标11.3倍，铅离子(Pb2+)的浓度超过标准值约16.7倍，镍离子(Ni2+)的浓度超过标准值约6.7倍，砷离子(As3+)的浓度超过标准值约10.9倍。在整个浸溶过程中，Zn2+的溶出量及溶出率都超过其它的重金属，是最易影响水环境的重金属元素，重金属Pb、As、Ni对村民及周边的生物毒害大，且在降雨作用下的溶解到水中的速率较大，对环境影响较大。
　　6.由地下水水样测试及煤矸石浸溶试验结果，选定重金属离子Zn2+作为污染因子，利用MT3D做定量计算，分析重金属离子的迁移规律:
　　(1)重金属离子迁移方向:离子的迁移主要受地下水径流方向的影响，还受到地下水扩散作用的影响，研究区为岩溶区，地下水径流较快，煤矸石淋滤液中重金属离子主要向西侧、西南侧迁移。
　　(2)重金属离子迁移范围:重金属离子迁移范围呈椭圆形状，污染面积随模拟时间增加逐渐扩大，迁移范围逐渐变成圆形;因受径流及岩层渗透性的影响，在横向上迁移速率大于纵向速率，横向迁移边界显然超过纵向迁移边界;受到地下水流动方向上，下游离子范围变化幅度较大，上游变化幅度很小或基本不变。在更长的时间尺度预测下，重金属离子受地下水流动的影响，最终会迁移到红水河中。
　　(3)重金属离子在垂直方向上的扩散:随着地下水径流时间的增加，处在不同水位深度的重金属离子浓度也渐渐增大，在越接近地面的地方，重金属离子的浓度值就会越大，浓度的最大值出现的时间就会越早。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 煤矸石中相关组分溶出规律的国内外研究现状

1．2．2 溶质运移模型的国内外研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 区域自然地理及地质条件概况

2．1 自然地理

2．1．1 地理位置与交通条件

2．1．2 气象与水文

2．1．3 地形地貌

2．2 地质条件

2．2．1 地层岩性

2．2．2 地质构造

2．3 水文地质概况

第3章 研究区地质条件及岩溶发育特征

3．1 研究区地质条件

3．1．1 地层岩性

3．1．2 地质构造

3．2 研究区岩溶发育特征

3．2．1 地表岩溶发育形态

3．2．2 地下岩溶发育形态

3．2．3 岩溶发育规律分析

第4章 研究区水文地质条件

4．1 含水岩组划分及含水层富水性

4．2 地下水类型

4．3 地下水的补给、径流与排泄条件

4．4 地下水水化学特征

4．4．1 水样采集

4．4．2 简分析测试结果分析及水化学参数相关性

4．4．3 重金属离子检测结果分析

4．4．4 影响地下水化学成分形成的因素

4．4．5 地下水中化学成分成因分析

4．6 水文地质单元划分

第5章 研究区土层渗透系数测定与煤矸石重金属离子溶出规律分析

5．1 研究区土层渗透系数测定

5．1．1 试验目的及原理

5．1．2 试验场地

5．1．3 试验仪器及试验方法步骤

5．1．4 试验结果分析与计算

5．2 煤矸石重金属组分溶出规律分析

5．2．1 试验目的及原理

5．2．2 试验场地及煤矸石堆现状

5．2．3 样品采集与处理

5．2．4 试验仪器及步骤

5．2．5 测试结果与分析

第6章 煤矸石淋滤液重金属离子迁移模拟及预测分析

6．1 模型的建立

6．1．1 模型范围及边界条件

6．1．2 水文地质结构及模拟期的确定

6．1．3 水文地质参数的取值

6．1．4 汇源项分析

6．1．5 数学模型

6．2 模型识别与检验

6．3 地下水渗流场模拟及预测分析

6．3．1 确定预测期

6．3．2 汇源项及边界条件处理

6．3．3 渗流场模拟

6．4 重金属离子迁移模拟与预测分析

6．4．1 污染因子的确定

6．4．2 模型参数确定

6．4．3 浓度场模型识别与验证

6．4．4 重金属离子Zn2+迁移模拟与分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果