电厂粉煤灰场对地下水环境影响的初步研究
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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武汉大学学报 (工学版)
2001
的 6. 6 ×7. 5 = 48. 75 km2. 由勘测资料分析知勘测 区在三期灰场运行后的地下水位上升主要与潜水 位层有关 ,而与承压井和岩溶水关系不大 ,因此 ,在 垂直方向的模拟范围仅限于潜水层深度 ,取地表面 以下 30～40 m 为模拟区的深度 ,模拟范围见图 2.
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第 5 期
黄 爽等 :电厂粉煤灰场对地下水环境影响的初步研究
9
图 3 三期灰场运行十年后地下水位模拟图
5 三期灰场灰水中氟化物运移数值模拟结果(运行十年后)
2. 4 水量分析 为了解灰场通过灰坝对周围地下水的补给水
量 ,计算分析中在灰场周围设置了一系列的水量 块 ,利用 VMOD 中的 Zbud 功能计算该水量块与周 围水量块的水量交换情况. 令灰场所在区域为 Zonel , 灰 场 北 坝 外 侧 为 Zone2 , 其 余 三 方 向 为 Zone3. 以灰场水量块 Zone1 为例 ,由计算结果可知
针对以上问题 ,电厂采取了一些措施. 1988 年 在三期灰场北坝中部离坝 50 m 处平行坝体埋设一 条盲管 ,为两根直径为 350 mm 钢筋混凝土滤水管 , 埋深 4. 5 m. 1996 年春季 ,电厂从北坝东坝角向西 900 m 地段 (距坝 15 m 左右) 打排水机井 27 眼 ,井
模拟范围包括邻近村庄及 1997 年勘测区在内
图 2 模拟区三维图
2. 2 参数和边界条件的确定 由 1997 年勘测资料中抽水试验资料可得到整
个一级阶地潜水含水层的饱和水力传导度 K = 15. 0 m/ d. 实际模拟时考虑一级阶地潜水含水层及 河漫滩上部所覆盖的粘土层. 对粘土层取 Kx = Ky
qi , j , k , n
(2)
n =1
n =1
其中 , ai , j , k , n 代表第 n 个源或汇与单元 ( i , j , k) 的 水量交换 ,L3 T- 1 ; pi , j , k , n 和 qi , j , k , n 为常数 , 量纲分
别为 L2T- 1 和 L3T- 1 ; SS i , j , k 为单元 ( i , j , k) 的贮水 率 ;Δrj ,Δcj ,Δvk 分别为单元 ( i , j , k) 的长 、宽 、高. MTD3 用来模拟溶质运移即水动力弥散情况 ,其理 论基础为溶质运移理论[5～9] ,它需要与 MODFLOW 联合运行. 2. 1 模拟范围
1 电厂粉煤灰场简介
粉煤灰是燃煤电厂燃烧煤灰的产物 ,它的成分
本文所研究的电厂总装机容量为 1 350 MW ,
主要包括 SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 、CaO 和未燃尽炭以及 于 1987 年 12 月分三期相继建成投产. 粉煤灰采用
氟化物等. 我国目前大部分的电厂采用湿排法将灰 湿排法 ,灰水比为 1∶12. 灰场位于电厂南约 6 km 的
关键词 :电厂粉煤灰 ;地下水位水质 ;治理措施 中图分类号 :X 523 ; TV 211. 1 + 2 文献标识码 :A
我国粉煤灰场在经历了乱排至江河湖海到集 年都有数量巨大的粉煤灰排放 ,故其污染的主要特
中堆放于灰场中 ,已逐步规范. 目前存在的主要问 点为污染面广[1～4] .
题为粉煤灰场选址和管理不善等原因已经造成了 周围地下水的一定污染.
1 063～1 064. 30 m 村中心标高 1 057. 78 m ,低于现灰水面 (1 062. 3) 约 4. 5 m.
北坝侧 500 m 范围内地下水位有不同程 度的升高 ,但对东邵庄村民的生产生活 无大的影响.
砖瓦窑坍塌 , 村南前三排菜 窖 2. 0 ～ 2. 5 m深的菜窖均被淹 ,祖坟被淹 ,遇大 雨房屋变形 、倒塌.
在 VMOD 软件中排水沟的模型可概化如下 : QDi , j , k = CDi , j , k ( hi , j , k - di , j , k) ( hi , j , k > di , j , k)
(3) QDi , j , k = 0 ( hi , j , k ≤ di , j , k) 式中 : QDi , j , k 为排水沟与其所在单元格 ( i , j , k) 的 水量交换 ; di , j , k 为排水沟中心点的高程 ; CD 为水 力传导系数 ,它与多方面的因素有关 , 主要有含水 层 、反滤料和排水管壁. 单元格对应的排水沟的综 合水力传导系数 CD 为
图 4 三期灰场运行十年后实际地下水位图
模拟结果为灰场区 Zone1 向北坝外侧 Zone2 的渗漏 量在灰场运行十年时为 2 065. 6 m3/ d ;该值与实际 测量得到灰场向北坝的渗漏量 2 304 m3/ d 比较稍 大. 主要是由于灰场实际运行时 ,灰水面并不均匀 , 大部分地方为灰水覆盖 ,局部可能出现粉煤灰高于 灰水面.
qi , j - 1/ 2 , k + qi , j +1/ 2 , k + qi - 1/ 2 , j , k +
qi +1/ 2 , j , k + qi , j , k +1/ 2 + qi , j , k - 1/ 2 +
QS i , j , k
=
S
S
i
,
j
,
k
Δhi , j Δt
,
kΔ
rΔj cΔj vk
时段/ d 一 、二期灰场水头/ m 三期灰场水头/ m
0～365
37
37. 5
365～1 825
38.wk.baidu.com5
39. 5
1 825～3 650
41
43. 5
2. 3 地下水水质的模拟 由勘测结果可知 ,灰场周围地下水 pH 值大部
分都小于 8. 5 ,满足标准. 氟化物几乎都大于标准 值 1 mg/ L. 因此 ,数值模拟着重于氟化物的模拟.
根据区域地下水特征 ,取西北方向近似为定水 头边界 ,通过试算得到 41 m 时与未建灰场时该区 域地下水特征比较相符合. 在灰场的南部取河流边 界. 灰场运行期间水头变化过程如表 2 所示.
由图 3 和图 4 对比三期灰场运行后的模拟结 果与实际勘测资料 ,证明符合良好.
表 2 灰场运行期间水头变化过程
防渗墙处理方案是在灰坝附近建立防渗墙 ,以 阻止灰水以及其中的污染成分向灰坝外运动. 防渗 墙厚度取为 45 cm ,取防渗墙深度为 10 m、20 m、40 m ,分别进行计算模拟以对比效果. 其中 40 m 深的 防渗墙已与潜水层的隔水底板接触. 防渗墙的水力 传导度按实际经验值取为 K = 10 - 7 m/ d. 通过计 算 ,比较不同深度的防渗墙处理措施可得出如下结 论:
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武汉大学学报 (工学版)
2001
3. 2 排水管处理措施 排水暗管的布置分单排和双排. 在单排排水管
设计中取了深度为 4 m 和 10 m. 对于双排井情况考 虑到经济原因 ,只模拟 4. 5～5 m 时深度. 同时 ,对 于每一种排水沟的设计 ,给出了不同的水力传导系 数 ,以对比其对排水的影响.
在赋予溶质运移边界条件时 ,假定沿灰场底部为等 浓度边界 ,灰场灰水中氟水物的浓度由实测资料为 4. 8 mg/ L ,氟化物的弥散度取水平方向为 0. 1 m ,垂 直方向为 10 - 6 m ,模拟时间仍然分三时段 ,从模拟 结果看 ,氟化物的浓度锋面已经完全通过村庄范 围 ,村中有一半的范围氟化物浓度已超过 1. 0 mg/ L 的标准值 ,与该村庄勘测井水质资料相符. 灰水 中氟化物的运移数值模拟结果见图 5.
= 0. 3 m/ d , Kz = 0. 15 m/ d , Ss = 0. 000 1 1/ m , Sy = 0. 2 ;对剩余的潜水层取 Kx = Ky = 15 m/ d , Kz = 0. 3 m/ d , Ss = 0. 000 01 1/ m , Sy = 0. 02. 其中 Ss 为 含水层弹性给水度 , Sy 为潜水给水度.
(1) 只有 40 m 的防渗墙效果很好 ,但也没有完 全达到所要求的降深效果 ,10 m 和 20 m 的防渗墙 效果很差.
(2) 三种防渗墙在防止污染物扩散方面都有较 好的作用.
因此这里将 40 m 深的防渗墙作为一个参选方 案.
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水排放至灰场. 灰水比一般在 1∶4～1∶12 之间. 灰 河流北岸. 该灰场为四周围坝的平原河滩灰场 ,由
水中主要超标项目有 pH 值 、悬浮物 ( SS) 、氟化物 一 、二期灰场和三期灰场组成. 三期灰场北坝北侧
(F) 、COD 和砷等重金属. 粉煤灰对环境的污染主 500 m为一村庄. 灰场及其与周围村庄的相对位置
要表现在污染地表 、地下水体和土壤 ,由于我国每 见图 1. 灰场运行与附近村庄地下水关系见表 1.
表 1 灰场运行及出现的问题
灰场名称
运行期
坝顶高程
出现问题
一 、二期灰场 三期灰场
1976～1986
1986 至今 , 即将期满
1 060～1 061. 17 m 北坝高出一级阶地 5 m ,南坝高出河漫 滩 10 m.
距 25～50 m ,实际井深为 15. 5～27. 5 m ,但效果都 不甚理想 ,主要由于设计和管理等问题所致. 1997 年电厂方面请有关单位对灰场及村庄周围进行了 布井勘测并提出了初步的治理措施.
收稿日期 :2001 - 01 - 14 作者简介 :黄 爽 (1972 - ) ,女 ,山西稷山人 ,助教 ,从事灌排理论及地下水环境的研究. 基金来源 :国家自然科学基金 (59639240) 和国家电力总公司资助项目 (SPKJ016 - 08) .
图 1 模拟区域平面图
2 电厂周围地下水位水质模拟
本次模拟采用国际上流行的 Visual-MODFLOW 软件. VMOD 是 一 个 基 于 MODFLOW、MT3D 及 MODPATH 的界面. MODFLOW 是模拟地下水运动 的 Fortran 程序 ,其理论基础为地下水运动理论即 地下水运动的连续方程和达西定律[5 ,6] ,它所用的 差分法为格点差分法. 考虑源汇项以单元 ( i , j , k) 为例 ,其差分方程为 :
黄 爽 ,蔡树英 ,杨金忠
(武汉大学水利水电学院 ,湖北 武汉 430072)
摘要 :从我国火电厂粉煤灰的排放现状出发 ,以某电厂粉煤灰场为例 ,通过模拟现有灰场在运行期间对地下水
水位水质影响的基础上 ,研究了治理平原型灰场对周围地下水环境影响的三种措施 :防渗墙 、排水管和抽水井 , 并对三种措施进行数值模拟 ,最后得出在经济上和技术上均可行的治理方案.
(1)
式中 :等号左边前 6 项分别为通过单元 ( i , j , k) 的
6 个面的流量 ; QS i , j , k 为单元 ( i , j , k) 中所有的源 汇项 :
N
∑ QS i , j , k =
ai , j , k , n =
j =1
N
N
∑ ∑ pi , j , k , nhi , j , k +
3 防范措施的数值模拟
对由于三期灰场运行中已经出现的地下水位 升高和水质污染问题 ,拟采用防渗墙 、截渗沟 、抽水 井等三种处理方案. 处理措施应达到以下目标 :降 低村庄地下水位至安全埋深 2. 5～3. 0 m ,使村民 的生产 、生活可以正常进行 ,阻碍灰水中有害成分 尤其是氟化物向村中地下水的运移. 3. 1 防渗墙处理方案
第 34 卷第 5 期 2001 年 10 月
武汉大学学报 (工学版) Engineering Journal of Wuhan University
Vol. 34 No. 5 Oct. 2001
文章编号 :1006 - 155X(2001) 05 - 007 - 005
电厂粉煤灰场对地下水环境影响的初步研究
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武汉大学学报 (工学版)
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的 6. 6 ×7. 5 = 48. 75 km2. 由勘测资料分析知勘测 区在三期灰场运行后的地下水位上升主要与潜水 位层有关 ,而与承压井和岩溶水关系不大 ,因此 ,在 垂直方向的模拟范围仅限于潜水层深度 ,取地表面 以下 30～40 m 为模拟区的深度 ,模拟范围见图 2.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 5 期
黄 爽等 :电厂粉煤灰场对地下水环境影响的初步研究
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图 3 三期灰场运行十年后地下水位模拟图
5 三期灰场灰水中氟化物运移数值模拟结果(运行十年后)
2. 4 水量分析 为了解灰场通过灰坝对周围地下水的补给水
量 ,计算分析中在灰场周围设置了一系列的水量 块 ,利用 VMOD 中的 Zbud 功能计算该水量块与周 围水量块的水量交换情况. 令灰场所在区域为 Zonel , 灰 场 北 坝 外 侧 为 Zone2 , 其 余 三 方 向 为 Zone3. 以灰场水量块 Zone1 为例 ,由计算结果可知
针对以上问题 ,电厂采取了一些措施. 1988 年 在三期灰场北坝中部离坝 50 m 处平行坝体埋设一 条盲管 ,为两根直径为 350 mm 钢筋混凝土滤水管 , 埋深 4. 5 m. 1996 年春季 ,电厂从北坝东坝角向西 900 m 地段 (距坝 15 m 左右) 打排水机井 27 眼 ,井
模拟范围包括邻近村庄及 1997 年勘测区在内
图 2 模拟区三维图
2. 2 参数和边界条件的确定 由 1997 年勘测资料中抽水试验资料可得到整
个一级阶地潜水含水层的饱和水力传导度 K = 15. 0 m/ d. 实际模拟时考虑一级阶地潜水含水层及 河漫滩上部所覆盖的粘土层. 对粘土层取 Kx = Ky
qi , j , k , n
(2)
n =1
n =1
其中 , ai , j , k , n 代表第 n 个源或汇与单元 ( i , j , k) 的 水量交换 ,L3 T- 1 ; pi , j , k , n 和 qi , j , k , n 为常数 , 量纲分
别为 L2T- 1 和 L3T- 1 ; SS i , j , k 为单元 ( i , j , k) 的贮水 率 ;Δrj ,Δcj ,Δvk 分别为单元 ( i , j , k) 的长 、宽 、高. MTD3 用来模拟溶质运移即水动力弥散情况 ,其理 论基础为溶质运移理论[5～9] ,它需要与 MODFLOW 联合运行. 2. 1 模拟范围
1 电厂粉煤灰场简介
粉煤灰是燃煤电厂燃烧煤灰的产物 ,它的成分
本文所研究的电厂总装机容量为 1 350 MW ,
主要包括 SiO2 、Al2O3 、Fe2O3 、CaO 和未燃尽炭以及 于 1987 年 12 月分三期相继建成投产. 粉煤灰采用
氟化物等. 我国目前大部分的电厂采用湿排法将灰 湿排法 ,灰水比为 1∶12. 灰场位于电厂南约 6 km 的
关键词 :电厂粉煤灰 ;地下水位水质 ;治理措施 中图分类号 :X 523 ; TV 211. 1 + 2 文献标识码 :A
我国粉煤灰场在经历了乱排至江河湖海到集 年都有数量巨大的粉煤灰排放 ,故其污染的主要特
中堆放于灰场中 ,已逐步规范. 目前存在的主要问 点为污染面广[1～4] .
题为粉煤灰场选址和管理不善等原因已经造成了 周围地下水的一定污染.
1 063～1 064. 30 m 村中心标高 1 057. 78 m ,低于现灰水面 (1 062. 3) 约 4. 5 m.
北坝侧 500 m 范围内地下水位有不同程 度的升高 ,但对东邵庄村民的生产生活 无大的影响.
砖瓦窑坍塌 , 村南前三排菜 窖 2. 0 ～ 2. 5 m深的菜窖均被淹 ,祖坟被淹 ,遇大 雨房屋变形 、倒塌.
在 VMOD 软件中排水沟的模型可概化如下 : QDi , j , k = CDi , j , k ( hi , j , k - di , j , k) ( hi , j , k > di , j , k)
(3) QDi , j , k = 0 ( hi , j , k ≤ di , j , k) 式中 : QDi , j , k 为排水沟与其所在单元格 ( i , j , k) 的 水量交换 ; di , j , k 为排水沟中心点的高程 ; CD 为水 力传导系数 ,它与多方面的因素有关 , 主要有含水 层 、反滤料和排水管壁. 单元格对应的排水沟的综 合水力传导系数 CD 为
图 4 三期灰场运行十年后实际地下水位图
模拟结果为灰场区 Zone1 向北坝外侧 Zone2 的渗漏 量在灰场运行十年时为 2 065. 6 m3/ d ;该值与实际 测量得到灰场向北坝的渗漏量 2 304 m3/ d 比较稍 大. 主要是由于灰场实际运行时 ,灰水面并不均匀 , 大部分地方为灰水覆盖 ,局部可能出现粉煤灰高于 灰水面.
qi , j - 1/ 2 , k + qi , j +1/ 2 , k + qi - 1/ 2 , j , k +
qi +1/ 2 , j , k + qi , j , k +1/ 2 + qi , j , k - 1/ 2 +
QS i , j , k
=
S
S
i
,
j
,
k
Δhi , j Δt
,
kΔ
rΔj cΔj vk
时段/ d 一 、二期灰场水头/ m 三期灰场水头/ m
0～365
37
37. 5
365～1 825
38.wk.baidu.com5
39. 5
1 825～3 650
41
43. 5
2. 3 地下水水质的模拟 由勘测结果可知 ,灰场周围地下水 pH 值大部
分都小于 8. 5 ,满足标准. 氟化物几乎都大于标准 值 1 mg/ L. 因此 ,数值模拟着重于氟化物的模拟.
根据区域地下水特征 ,取西北方向近似为定水 头边界 ,通过试算得到 41 m 时与未建灰场时该区 域地下水特征比较相符合. 在灰场的南部取河流边 界. 灰场运行期间水头变化过程如表 2 所示.
由图 3 和图 4 对比三期灰场运行后的模拟结 果与实际勘测资料 ,证明符合良好.
表 2 灰场运行期间水头变化过程
防渗墙处理方案是在灰坝附近建立防渗墙 ,以 阻止灰水以及其中的污染成分向灰坝外运动. 防渗 墙厚度取为 45 cm ,取防渗墙深度为 10 m、20 m、40 m ,分别进行计算模拟以对比效果. 其中 40 m 深的 防渗墙已与潜水层的隔水底板接触. 防渗墙的水力 传导度按实际经验值取为 K = 10 - 7 m/ d. 通过计 算 ,比较不同深度的防渗墙处理措施可得出如下结 论:
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武汉大学学报 (工学版)
2001
3. 2 排水管处理措施 排水暗管的布置分单排和双排. 在单排排水管
设计中取了深度为 4 m 和 10 m. 对于双排井情况考 虑到经济原因 ,只模拟 4. 5～5 m 时深度. 同时 ,对 于每一种排水沟的设计 ,给出了不同的水力传导系 数 ,以对比其对排水的影响.
在赋予溶质运移边界条件时 ,假定沿灰场底部为等 浓度边界 ,灰场灰水中氟水物的浓度由实测资料为 4. 8 mg/ L ,氟化物的弥散度取水平方向为 0. 1 m ,垂 直方向为 10 - 6 m ,模拟时间仍然分三时段 ,从模拟 结果看 ,氟化物的浓度锋面已经完全通过村庄范 围 ,村中有一半的范围氟化物浓度已超过 1. 0 mg/ L 的标准值 ,与该村庄勘测井水质资料相符. 灰水 中氟化物的运移数值模拟结果见图 5.
= 0. 3 m/ d , Kz = 0. 15 m/ d , Ss = 0. 000 1 1/ m , Sy = 0. 2 ;对剩余的潜水层取 Kx = Ky = 15 m/ d , Kz = 0. 3 m/ d , Ss = 0. 000 01 1/ m , Sy = 0. 02. 其中 Ss 为 含水层弹性给水度 , Sy 为潜水给水度.
(1) 只有 40 m 的防渗墙效果很好 ,但也没有完 全达到所要求的降深效果 ,10 m 和 20 m 的防渗墙 效果很差.
(2) 三种防渗墙在防止污染物扩散方面都有较 好的作用.
因此这里将 40 m 深的防渗墙作为一个参选方 案.
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
水排放至灰场. 灰水比一般在 1∶4～1∶12 之间. 灰 河流北岸. 该灰场为四周围坝的平原河滩灰场 ,由
水中主要超标项目有 pH 值 、悬浮物 ( SS) 、氟化物 一 、二期灰场和三期灰场组成. 三期灰场北坝北侧
(F) 、COD 和砷等重金属. 粉煤灰对环境的污染主 500 m为一村庄. 灰场及其与周围村庄的相对位置
要表现在污染地表 、地下水体和土壤 ,由于我国每 见图 1. 灰场运行与附近村庄地下水关系见表 1.
表 1 灰场运行及出现的问题
灰场名称
运行期
坝顶高程
出现问题
一 、二期灰场 三期灰场
1976～1986
1986 至今 , 即将期满
1 060～1 061. 17 m 北坝高出一级阶地 5 m ,南坝高出河漫 滩 10 m.
距 25～50 m ,实际井深为 15. 5～27. 5 m ,但效果都 不甚理想 ,主要由于设计和管理等问题所致. 1997 年电厂方面请有关单位对灰场及村庄周围进行了 布井勘测并提出了初步的治理措施.
收稿日期 :2001 - 01 - 14 作者简介 :黄 爽 (1972 - ) ,女 ,山西稷山人 ,助教 ,从事灌排理论及地下水环境的研究. 基金来源 :国家自然科学基金 (59639240) 和国家电力总公司资助项目 (SPKJ016 - 08) .
图 1 模拟区域平面图
2 电厂周围地下水位水质模拟
本次模拟采用国际上流行的 Visual-MODFLOW 软件. VMOD 是 一 个 基 于 MODFLOW、MT3D 及 MODPATH 的界面. MODFLOW 是模拟地下水运动 的 Fortran 程序 ,其理论基础为地下水运动理论即 地下水运动的连续方程和达西定律[5 ,6] ,它所用的 差分法为格点差分法. 考虑源汇项以单元 ( i , j , k) 为例 ,其差分方程为 :
黄 爽 ,蔡树英 ,杨金忠
(武汉大学水利水电学院 ,湖北 武汉 430072)
摘要 :从我国火电厂粉煤灰的排放现状出发 ,以某电厂粉煤灰场为例 ,通过模拟现有灰场在运行期间对地下水
水位水质影响的基础上 ,研究了治理平原型灰场对周围地下水环境影响的三种措施 :防渗墙 、排水管和抽水井 , 并对三种措施进行数值模拟 ,最后得出在经济上和技术上均可行的治理方案.
(1)
式中 :等号左边前 6 项分别为通过单元 ( i , j , k) 的
6 个面的流量 ; QS i , j , k 为单元 ( i , j , k) 中所有的源 汇项 :
N
∑ QS i , j , k =
ai , j , k , n =
j =1
N
N
∑ ∑ pi , j , k , nhi , j , k +
3 防范措施的数值模拟
对由于三期灰场运行中已经出现的地下水位 升高和水质污染问题 ,拟采用防渗墙 、截渗沟 、抽水 井等三种处理方案. 处理措施应达到以下目标 :降 低村庄地下水位至安全埋深 2. 5～3. 0 m ,使村民 的生产 、生活可以正常进行 ,阻碍灰水中有害成分 尤其是氟化物向村中地下水的运移. 3. 1 防渗墙处理方案
第 34 卷第 5 期 2001 年 10 月
武汉大学学报 (工学版) Engineering Journal of Wuhan University
Vol. 34 No. 5 Oct. 2001
文章编号 :1006 - 155X(2001) 05 - 007 - 005
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