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摘要第一章绪论第二章研究区概况第三章区域地质构造与水文地质第四章数学模型第五章基于VISUALMODFLOW的计算机模型的建立第六章结论内容包括：绪论1选题的依据及意义由于岩溶环境的脆弱性，铝工业赤泥对岩溶水污染显得更为突出。岩溶地区地形切割强烈，地表水极易转变为地下水，容易造成地下水的污染。而且贵州省岩溶地区的基岩一般呈裸露或半裸露状态，土层较薄，因此对环境造成污染后极不容易修复。赤泥的主要组成物为碱、氟化物、钠及铝等，其含量较高，超过了国家规定的排放标准(《有色金属工业固体废物污染控制标准》GB5058-85)。造成了土地碱化及岩溶地下水系统水系的污染，人们长期摄取这些物质，必然会影响身体健康。因此，对赤泥库污染物迁移进行三维模拟研究揭示赤泥污染物的时空迁移规律，是对赤泥渗漏治理，解决赤泥所造成的越来越严重的环境污染，保护地下水资源的重要基础。2国内外研究现状目前，国际上最流行、且被各国同行一致认可的由加拿大Waterloo水文地质公司在美国USGS原Modflow软件的基础上研制的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统VisualModflow，具备强大的功能，在水文地质学界有着广阔的应用前景。因此，鉴于我国的实际情况，研究VisualModflow的应用潜力，并加以推广具有一定的现实意义。3模拟的思路本文主要是通过已知的相关资料，对扎塘赤泥库水文地质条件进行概化，建立水文地质概念模型，然后根据水文地质概念模型及边界条件建立数学模型。数学模型的求解是通过计算机来进行的，即利用VisualMODFLOW软件建立计算机模型，用计算机进行迭代求解，从而实现对地下水的三维数值模拟。为该地区污染预测评价、渗漏污染综合治理及水资源保作了出探讨。第二章研究区概况1赤泥库的形成贵州铝厂赤泥现堆存于贵阳市白云区曹关村扎塘,扎塘赤泥库为一封闭的溶岩洼地，距氧化铝厂6km,采用国内传统的管道输送、湿法堆存技术。曹关赤泥堆场由1#、2#、3#、4#坝围成,称为一期赤泥堆场。由于拜耳法赤泥固结性差,使坝体承受的压力过大,坝体内地下水位高,1986年7月19日该赤泥堆场2#坝由于管涌引起决口,经抢救修复后,从1991年起一期赤泥堆场停止使用。作为应急措施,在未进行水文工程地质工作,更未进行正规的防渗处理的情况下,赤泥排入一期赤泥堆场西面的岩溶洼地扎塘,成为二期堆场,现包括5#、6#赤泥库。扎塘为一封闭的岩溶洼地,使用后即产生了严重的岩溶渗漏,造成周围地下水的污染并波及百花湖和猫跳河。扎塘赤泥堆场5号、6号库原设计使用高程为1355m，近几年来，随着中铝贵州分公司生产规模逐步扩大，生产所排放的碱水及赤泥砂也相应增多，现已堆至标高1350m左右，所剩库容已不多。为提高现有赤泥堆声的利用率，根据《中国铝业贵州分公司赤泥堆声增容改造初步设计》，将赤泥堆场5#、6#库设计使用高程提高到1370m。库中蓄存着几十万方PH=14、总碱度为14g/L的废水。赤泥库堆场交通位置示意图2自然地理概况•气象：属北亚热带气候，其气候特点为冬春干燥、夏季湿润、四季分明、冬暧夏凉。•地形地貌：赤泥库区位于溶丘谷地与槽谷之间的峰林丛区，高度在1300~1436m间，高出西部岩溶槽谷80—200m。在库区范围内，地形起伏大，最低为扎塘溶蚀洼地底部，高程1300m，最高为库区北面山峰，高程1436m，相对高差141m。•地震根据：《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001，1:400万)，区内地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，地震基本烈度为Ⅵ度。•水系中铝贵州分公司赤泥堆场区域水系图第三章区域地质构造与水文地质1区域地质构造该区处于贵阳—遵义南北构造带上，地层、山脉走向与构造线方向近似，呈南北展布。赤泥库位于大山洞曹关溶丘谷地与长冲岩溶槽谷之间的峰林丛中。褶皱：马家寺背斜，轴向南北。轴部出露摆佐组地层，东翼地层出露完整，产状较平缓，岩层倾角10°—40°；西翼被南北向的断层F1、F2破坏，地层出露较零乱，岩层产状较陡，倾角30°—60°。断裂：F1、F2断层：位于库区西面的南北向逆掩断层，F1断层与F2断层相距50—100m，他们之间夹有一套龙潭组煤系地层，为库区的西方隔水边界。F3断层：是一条北西向平移断层，倾向北东，倾角陡立，走向120°—160°，水平错距达170m，该断层东起3号库西侧，经陆家湾丫口向北西一直延伸至长冲S313泉一带。节理发育情况：6号库区南面110°—290°、40°—220°、75°—225°方向的三组节理发育，5、6号库区东面80°—260°，50°—230°两组陡倾裂隙(倾角一般在70°左右)发育，且局部还有顺层裂隙发育。2场区地层及岩性场区上覆土层多为第四系耕植土，块石层，下伏基岩二叠系栖霞组、茅口组、梁山组地层与三叠系大冶组、安顺组地层。二叠系地层(P)二叠系下统梁山组(P1l)、二叠系中统栖霞组(P1q)、二叠系中统茅口组(P1m)、二叠系上统龙潭组(P2l)、二叠系上统长兴组与大隆组(P2c+d)。三叠系地层(T)三叠系下统大冶组(T1d)、三叠系下统安顺组(T1a)第四系地层(Q)耕植土(Qpd)、杂填土(Qml)。3区域水文地质情况本区气候温和，雨量丰沛，多年平均降雨量1200.20mm。地表水系有：麦架河、猫跳河和百花湖，猫跳河为本区最低排泄基准面，高程1180m。本区岩溶发育，溶蚀地貌随处可见，地表有岩溶槽谷、落水洞、漏斗和洼地，地下发育溶洞和暗河。赤泥库地处下二叠系水文地质单元上，该单元地势较高，高程在1225—1436m。茅口组与栖霞组灰岩构成该单元的含水层，地下水呈渗入—排泄型特征。4场区岩层渗透性整个区域不同岩性不同地层的渗透性不同，再加上褶皱与断裂构造的影响，不同深度范围内的岩溶发育差异性较大，使得基岩透水性相差较大。同一深度不同位置的基岩透水率也有差异，岩溶裂隙水平方向、垂直方向发育不均匀。场地基岩渗透性能规律性差。5岩溶发育特点赤泥库区可溶岩地层为下二叠系茅口组与栖霞组灰岩，厚度180m左右，地貌上峰林从立，岩石裸露。5号、6号库建库前是3个大型的溶蚀洼地，其周围落水洞与竖井发育。分布高程1304～1355m，其形状较规则，呈贺、椭圆形，竖井状发育，据统计，平均每平方公里有20个，一般深度约8～12m，最深有40m，如库内已处理的6个落水洞，其展布方向为北西280°～300°和近南北向。据实地调查，地表裸露基岩溶蚀现象普遍，浅表岩溶发育，再加上背斜及断层的影响，使得库区周围不同地段、不同位置的岩溶发育差异很大。在断层周围形成珠串似的岩溶洼地和落水洞。地下岩溶发育为管道和溶洞。据以往陆家湾电测深成果解释：电测深曲线畸变严重，呈不规则锯齿状，反映出岩溶强烈发育，基岩面起伏相对高差可达30余米，基岩内溶洞十分发育，总体呈北西向构成多溶洞组合式溶管道展布，与地表连通性好，垂向影响范围20～100m左右，陆家湾剖面1～9号测点，地面高程1245～1258m，因此，可推断陆家湾处地下岩溶管道发育的高程在1225m以下。第四章数学模型建立及求解要确定一个地下水流问题的数学模型，只有进行必要的水文地质测绘、钻探、试验，在查明地质、水文地质条件的基础上才有可能。换句话说，数学模型是建立在对天然地质体概念模型高度认识的基础之上。概念模型是对地质、水文地质条件加以高度科学概化后所得到的天然地质体的一个物理模型，再从这个物理模型出发，用简洁的数学语言，即一组数学关系表达式来刻画它的数量关系和空间形式，从而反映所研究地质体的地质、水文地质条件和地下水运动的基本特征，达到复制或再现一个实际水流系统基本状态的目的。4.1建模前的理论准备1达西渗流定律1856年，法国工程师达西(Darcy)通过饱和砂土层的渗透试验，得出了渗透速度与水力梯度成正比的达西定律：上式是在地下水作一维均匀运动下得到的。对于更一般的三维情况，达西定律的微分形式为：在直角坐标系中，以vx,vy,vz表示沿三个坐标轴方向的渗透速度分量，则有：在直角坐标系中，以vx,vy,vz表示沿三个坐标轴方向的渗透速度分量，则有：只要知道了水头函数H(x,y,z)，就可以得出渗流区内任意一点的渗透速度矢量：达西定律只适用于雷诺数不超过1~10的层流。2溶质迁移方程的建立2建立数学模型渗流模型：渗流模型：第五章基于VisualModflow的计算机模型的建立计算机模型的建模过程计算区域的剖分图计算区域的剖分图模型初始参数(1)含水层渗透系数根据区域特点，将含水层概化为均质各向异性潜水含水层，补给强度134.8mm/y。渗透系数Kx=0.0001m/s，Ky=0.0001m/s，Kz=0.00001。贮水率μs设为0.00005，给水度μ设为0.2，空隙度设为0.3，有效空隙度设为0.15。组分取碱度，线性等温吸附，分解系数为0.0000001L/mg，无反应项。弥散度为37.2m，横向/纵向弥散度比例0.1。(2)给水度根据本地区含水层岩性及颗粒组成，参照本区的前人研究成果和《水文地质手册》中的经验值，取给水度μ=0.2-0.3。(3)降雨入渗补给强度根据本地区包气带岩性及地貌特征，参照《水文地质手册》取降雨入渗补给强度134.8mm/y。(4)河床底积物渗透系数根据野外的竖管渗水试验资料来计算，得到河床底积物的垂向渗透系数为0.0001m/s。(5)其他系数空隙度设为0.3，有效空隙度设为0.15。组分取碱度，线性等温吸附，分解系数为0.0000001L/mg，无反应项。弥散度为37.2m，横向/纵向弥散度比例0.1。初值最小最大渗透系数kKx(m/s)0.00010.000010.001Ky(m/s)0.00010.000010.001Kz(m/s)0.000010.0000010.0001储水率0.00050.000010.0009给水度0.20.010.8各种地质体的处理(1)源汇项处理补给主要为大气降水补给，区域相对较小，故将整个区域的补给设为统一的。排泄项主要有向麦架河、猫跳河、及百花湖水库排泄，以泉的形式排泄。其中的泉处理为抽水井，流量根据实测资料输入。向河流、湖排泄及通用边界的水量交换模型自动计算。浓度补给主要靠赤泥库区废水渗漏，废水碱度在14g/L左右，将其设连续浓度补给。同时在牟老泉S010、白水泉S313、陆家湾S407、老马寨S639处设浓度观测井。(2)断层处理F1、F2断层位于库区西面的南北向逆掩断层，F1断层与F2断层相距50—100m，他们之间夹有一套龙潭组煤系地层，渗透系数较小。将其处理为墙，厚度0.5m，渗透系数K设为0.000001m/s。F3断层是一条北西向平移断层，倾向北东，倾角陡立，走向120°—160°，水平错距达170m，该断层东起3号库西侧，经陆家湾丫口向北西一直延伸至长冲S313泉一带。将其处理为排水沟，高程1200m。运行参数的设置(1)解算器的选择与设置在MODFLOW2000中利用WHS解算器计算水流。在MT3DMS中选择常规共扼梯度(GCG)解法和上游有限插分(UpstreamFiniteDifference)计算方法。上游有限插分方法为溶质运移模型在一个相对较短的方法来计算有限差分方程，该方法比外迭代方法更快。乘数取1.1，最大运移步长200d。输出控制中，模拟时间7300d，最大运移步长10000，指定输出时间分别为180、210、240、270、300、330、360、390、420、450、480、510、540、570、600天。(2)时间步长根据研究区的已知资料，选取1990年6月到1991年6月作为模型识别阶段，每月设为一个应力期，每个应力期步长设为200步。泉407实测浓度与预测浓度拟合图泉639实测浓度与预测浓度拟合图S407、S639两观测点的浓度平均误差分别为-1.3e-12mg/l，-1.6e-12mg/l，可见正负误差相当均衡，S407相关系数平均为0.92，S639相关系数平均为0.88，系统稳定性较好，表明所建模型对水文地质条件的概化、边