溶质迁移研究进展

２００９年
广东微量元素科学
ＧＵＡＮＧＤＯＮＧＷＥＩＬＩＡＮＧＹＵＡＮＳＵｌ（ＥＸＵＥ第１６卷第１２期
文章编号：１００６—４４６Ｘ（２００９）１２—０００１—０７
溶质迁移研究进展
张伟邓英尔
（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都６１００５９）
摘要：溶质迁移研究已成为水文地质等领域的一个重要研究课题。

综述了溶质迁移研究进展，
重点介绍了溶质迁移在地下水污染与防治、土壤盐碱化防治、海水入侵和咸水入侵防治等方面的
研究现状，并指出应进一步研究的问题。

关键词：溶质迁移；地下水污染；土壤盐碱化；海水咸水入侵
中图分类号：Ｐ６４１．２文献标识码：Ａ
由于工业“三废”的大量排放、各种农药和化肥的大面积使用、核废料的日益增加，以及生活垃圾日益增多，这些污染物入渗使地下水质遭到严重的污染。

另一方面，由于人类不合理地开采地下水资源，改变了地下水水力条件，从而加速了地下水污染的进程。

这些问题已引起人们的高度重视。

以上问题的实质是可溶性污染物或盐分（简称溶质）在水流作用下在土壤或含水层中的运移结果，它涉及到溶质运移理论…。

最近几十年以来，国内外已有不少学者在这方面进行了大量的实验和理论研究，特别是在地下水溶质迁移模型方面取得了不少研究成果。

通过对污染物在地下的运移过程建立数学模型进行数值模拟找出其迁移规律、污染范围及浓度分布拉Ｊ，从而为地下水资源管理和地下水污染的修复提供定量依据，保证地下水在社会经济可持续发展中发挥积极的作用，并将其应用于地下水污染与防治、海水和咸水入侵的防治、土壤盐碱化防治、三次采油技术、化学工程和膜分离技术¨１。

１地下水污染与防治
１．１生活垃圾造成的污染
生活垃圾是人类生产生活过程中必然产生的遗留废弃物。

随着城市化的发展，城市生活垃圾剧增。

而垃圾填埋由于技术工艺简单，维护费用低，已成为国内外广泛采用的垃圾处理方法。

但垃圾在填埋过程中会产生大量的气体及液体污染物，如不妥善处理，会对周围的大气、土壤、水体造成严重二次污染。

为此，许多学者进行了有关垃圾渗滤液对地下水污染方面的试验和理论研究，并取得了很大成就。

例如ＭＡＣＫＡＹ等Ｈ１建立了一个二维模型模拟Ｖｉｌｌａ农场某填埋场中的氯和酚的迁移，模型考虑了对流、扩散、降解和吸附的作用，利用地质统计的方法确定含水层的不确定性参数。

ＲＵＤＡＫＯＶ等”ｏ对固体废物堆放引起的地下含水层污染进行了解析模拟，并对二维和三维污染物质在地下水中的迁移进行了研究，为防止地下水污染提供了理论依据。

张红梅等∞１使用二维和三维的水质模型比较了在３种不同的合成防渗层里溶质的迁移速率、流量，以及垃圾渗滤液通过
收稿日期：２００９—１１—０４
基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０２０２０３６，４０５７２１６３）；四川省教育厅重点科技项目（０７ＺＡ００９）
作者简介：张伟（１９８３一），男，汉族，硕士研究生，环境工程专业。

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各种防渗层时的运移特点和迁移速率，比较了各种合成防渗材料对不同污染物质的截留程度，为减少垃圾对地下水的污染提供了防渗参考。

针对垃圾填埋场渗滤液污染地下水这一问题，国内运用溶质运移模型评价垃圾填埋场渗滤液对地下水环境、土壤污染的影响研究已有一些研究成果。

例如王晓红等【刊建立了多孔介质和双重介质中生活垃圾淋滤液的运移模型，采用数值模拟的方法计算出污染物的污染扩散范围及污染晕的形状，为防止和治理地下水污染提供了定量的依据。

丁爱中悼１对渗滤液在运移过程中所产生的稀释、吸附解吸、过滤、沉淀溶解、络合反应、离子交换、氧化还原反应和微生物作用进行了研究，揭示了垃圾淋滤液的产生机理和成分的变化，并用数学模型描述了淋滤液运移过程中的浓度。

现有模型一般都忽略气相，而对于易挥发性元素的迁移，涉及到气体在非饱和带中的运移问题。

罗云菊一１针对这一问题进行了研究，建立了西部山城垃圾填埋场填埋气在场内外迁移的数学模型，通过对模型求解，ＭＴＬＢ平台编程，计算分析填埋场填埋气的迁移状况，并与实测结果进行对比，结果表明所建的模型是符合客观实际的，理论计算和实测综合分析所得到的西部山城垃圾填埋场填埋气迁移扩散规律的结论，能为填埋气污染控制提供科学依据。

由于地下水中污染物运移具有太多的不确定因素，对污染物在地下水中的弥散机理、各种吸附反应及化学反应的过程和程度都了解不够深入，因此对垃圾填埋场渗滤液的控制、填埋场防渗措施及地下水中污染物的运移还需要进一步研究。

１．２放射性核废料造成的污染
随着核技术尤其是核电站的迅猛发展，不可避免地产生大量放射性废物。

尽管人们在处置过程中已经充分考虑到多方面的安全性问题，但随着时间的推移，废物包装体和工程屏障的完整性有可能受到破坏，从而导致废物中的放射性核素随处置场周围的地下水迁移到生物圈，影响人类正常生活环境。

因此，开展放射性核素在处置库失效或破坏后的释放及其在周围环境中的迁移行为的研究，不仅对放射性废物处置库选址、设计、建造等具有重要的指导意义，也是放射性废物处置安全性评价的核心内容之一。

然而，放射性核废料的种类不同，其处置方式也不相同，研究的内容也有差异。

高放射性废料必须保证其在很长时间内完全与生物圈隔离，一般通过竖井或平巷处置于深部且封闭在稳定的花岗岩或岩盐中。

中、低放射性核废料一般采用浅层处置，多置于渗透性很差的粘土层或沉积岩层中。

因而，高放射性核废料与中、低放射性核废料的研究方向也有差异。

１．２．１高放射性核废料造成的污染国内学者对溶质迁移在高放射性核废料处置方面的研究主要分为两个阶段。

最初，主要集中在核素在地下水中迁移行为的研究。

例如，苏锐等¨训考虑了花岗岩基质扩散、裂隙表面吸附和基质吸附等因素对核素扩散的影响，着重探讨了花岗岩基质扩散对核素在裂隙中迁移的影响，建立了相应的一维扩散数学模型，运用有限单元法求得其数值解。

为了理解放射性核素在花岗岩体接触带的迁移行为，罗兴章等【１¨根据两花岗岩体接触带中样品的铀系核素放射性活度比值，利用Ｏｔ一反冲（弹射）作用引起的放射性不平衡理论，计算了铀系核素子体在后期地下水的作用下在花岗岩体接触带及其裂隙内的迁出率、迁入率，并进行了质量平衡的计算，结果表明花岗岩接触带可作为阻止放射性核素从核废料地下处置库向外迁移的有利天然屏障。

王青海¨纠对以基岩介质为围岩的ＨＡＥ预选处置场地开展基岩裂隙水运动特征研・２．
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究，并在此基础上对重点关心的高毒性核素９０ｓｒ在基岩裂隙水中的迁移行为进行了系统的探索，重点预测处置库破坏后核素９０Ｓｒ对ＨＡＥ处置场地唯一水井——３号水井的污染程度，从环境评价的角度为ＨＡＥ放射性废物处置场选址提供了科学的依据。

研究还表明，当处置库关闭后，由于高放废物的放热引发热传输过程，在开挖扰动的基础上进一步诱发新的围岩应力与变形过程，改变流体渗流过程和近场的地球化学过程，同时，放射性核素随时间在不断衰变，因此，此时不同于一般的深地下工程的围岩稳定和裂隙岩体中溶质迁移情形，关闭后高放废物深地质处置中的围岩稳定与核素迁移，特别是近场的岩体稳定与核素迁移，是长时间尺度、温度不断变化情景中，在温度场、渗流场、应力场和化学场相互耦合的过程中发生的¨３Ｉ。

孙培德¨４１研究了温度场一渗流场一应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性，用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理，试图建立热一水一力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法，为核废料地质处置安全性评估提供自观的新方法。

在孙培德研究的基础上，高红梅等¨纠从理论上分析了三场相互影响、相互作用的力学机理，并提出了核废料泄漏的防治措施，为核废料地下处置过程中环境评价提供了基础理论依据。

考虑到地下水的密度因溶质浓度不同将影响到饱和～非饱和孔隙介质中近场和远场的热一水一应力耦合过程。

张玉军¨叫建立了相应的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程。

并对如何得到溶质浓度随时间和空间（或随孔隙水压力和温度）变化的关系及对控制方程适当简化进行了讨论。

在此基础上，张玉军ｍｏ又将渗流迁移方程引入进来，并研制出了对应分析孔隙介质中热一水一应力一迁移耦合问题的二维有限元程序。

同时，张玉军¨副又针对高放射性核废料地质处置中水及水蒸气二相共存的非饱和孑Ｌ隙岩体，根据相关的理论，推导了应力平衡方程、流体连续性方程及能量守恒方程，使用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散，初步开发出了相应的分析热一水一应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。

热一水一力耦合作用下的岩石（岩体）破裂过程演化将直接影响高放射性废料地质处置库周围围岩的热力学特性、渗流特性和力学稳定性，进而影响高放射性核素在围岩中的迁移规律。

康健¨州研究了在不同的随机概率分布下岩石热破裂温度门槛值随分布参数的变化规律、岩石热破裂的变化过程、岩石物理力学特性随温度的变化规律，并对高温岩体地热开发人工储留层的二次破裂过程进行了数值模拟，主要对高温岩体地热开发中的岩体的人工储留层及围岩的二次破裂过程进行了大量的数值实验，详细地研究了岩体的应力、温度以及人工储留层的宽度随时间的变化规律，并直观地显示出岩体二次破裂的随时间和随机概率分布变化的全过程。

唐春安等啪１通过建立一种描述热一水一力耦合条件下岩石破裂演化过程的细观力学模型，来揭示热一水一力耦合条件下宏观岩体结构破坏行为。

１．２．２中低放射性核废料造成的污染中低放射性核废料放射水平相对高放射性核废料较弱，一般采用浅层处置，多置于渗透性很差的粘土层或沉积岩层中。

由于采用浅层处置，中低放射性核废料的研究主要是运用溶质迁移模型对处置场进行研究。

张金辉等悼¨以某矿山谷型尾矿库为例，运用二维有限元模拟了库内地下水分布及流动，结合水文地质条件进行了分析与讨论，该模型较合理地、系统地刻划了尾矿库区地下水的分布与流动特征，为进一步开展尾矿库退役后的地质勘探、治理与管理方案设计提供了依据。

刘阳等旧。

通过放射性核素”１Ｉ在页岩介质中的扩散、渗透一弥散实验，建立了１３１Ｉ在页岩介质中的一维迁移物理模型和数学模型，并通过这两个模型
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计算了”１Ｉ比模拟实验时间（７０ｄ）更长时间（３６０ｄ）的迁移曲线。

谢水波等旧引在综合分析核工业南方某矿长期观测数据的基础上，对矿区实际情况进行概化，建立了溶质的反应一输运耦合模型，利用溶质反应输运模拟软件ＰＨＲＥＥＱＣ一Ⅱ以Ｕ（Ⅵ）为目标对尾矿库区地下水中核素迁移进行了数值模拟，研究了在弥散度、扩散系数、ｐＨ值、混合比以及阻滞系数等参数不同取值时ｕ（Ⅵ）在地下水中的迁移规律，并就参数对模拟的影响进行了分析。

模拟结果与现场实际情况基本吻合，为矿区环境评价及退役环境治理提供科学依据，也可为类似模拟研究提供参考。

李瑾ｍ３以西南山区某极低放废物处置场Ｉ号场址为研究对象，通过现场调研、勘察，分析了场址区地质及水文地质条件，采用环境容量分析和数值模拟两种方法，预测处置库发生泄漏后核素对当地地下水的污染程度。

通过环境容量分析和数值模拟两种方法的评价，对场区地下水环境进行了综合分析，从而为核废物处置工程地下水环境影响评价提供了新的思路。

郭敏丽等Ⅲｏ应用分形理论方法，在介质水力性质参数与介质结构分维之间建立函数关系式，来描述场址介质的非均匀性，并在常用的核素迁移预测模型基础上，建立适合特定场址的非均质模型，对放射性废物中的代表性核素３Ｈ和９０Ｓｒ在特定场址中的迁移进行预测，为放射性废物处置场的选址和设计提供科学依据。

溶质迁移数学模型是研究处置场中核废料的一种重要研究方法，但它在处理问题时必须对实际情况进行简化，不能反映较复杂的实际问题，且考虑的因素越多，模型参数的获取和方程求解就越困难。

另外，高放射性核废料处置场的多场耦合问题增加研究的复杂性，因此，模型参数和多场耦合的研究是下一步研究的重点。

地下水溶质迁移模型还有其它方面的应用，例如在越流含水层中的污染物迁移；裂隙岩体中溶质的运移；火电厂灰场等污染物质的运移等等。

２土壤盐碱化防治
土壤盐碱化是全世界许多干旱、半干旱地区农业产量下降的主要原因，在我国，土壤盐碱化则更使得人多地少国情下的人地矛盾更加加剧。

因此，加强土壤水盐系统研究，了解土壤中盐溶质运移机理及水盐平衡变化规律，并以合适的数学模型进行定量化的数值模拟，可为干旱、半干旱地区土壤盐渍化的监测、评价、治理提供必要的基础。

目前，国内外运用在土壤盐碱化防治的溶质迁移模型主要有３种，分别为确定性模型、随机模型和简化模型。

确定性模型主要以对流弥散模型为主，对流弥散模型作为物理模型的典型代表，至今仍是世界范围内应用最广泛的模型之一。

其更多地考虑了土壤盐溶液中不同成分发生的化学作用，土壤中原有物质对溶液离子的吸附、解吸等作用。

例如黄元仿等汹１选用对流一弥散模型，建立了一个田间条件下土壤氮素运移的数值模拟模型。

模型中考虑了矿化、生物固持一释放、土壤氨挥发、硝化和反硝化等转化作用，并用线性模式描述土壤全吸附，作物根系吸收也在源汇项中。

各转化参数均需用土壤温度和湿度进行修正，所建模型为土壤水、热和氮素联合模拟模型。

张德生等∽列发展了在稳定流条件下考虑随深度变化的一阶降解和随深度变化的线性平衡吸附时，一维溶质运移的对流弥散方程。

彭建平等ｍ１根据溶质运移理论和土壤水动力学原理，建立了考虑根系吸水、吸附解吸、可动一不动水体影响条件下的土壤水盐运移数学模型，通过数值模拟，研究・４．
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了三峡工程对河口地区土壤水盐动态的影响。

由于地下水运动中的不确定性因素较多，包括介质特性、含水层几何参数以及溶质运移过程和运动参数等。

因此近２０年来随机理论和简化模型迅速地应用于地下水污染物的运移研究中，并取得了突破性的研究成果。

例如，姚磊华∽’提出的Ｔａｙｌｏｒ展开随机模拟法（ＴＳＭＭ），结合有限元等方法，直接推导某节点浓度的均值和方差、协方差的表达式，把水流问题和水动力弥散问题一起进行考虑，提高了计算效率，为地下水水质模型的随机模拟提供了新的方法。

根据不同的研究目的和研究对象，人们已建立了众多的模拟土壤溶质运移的模型，这些模型的建立对人们解决土壤盐渍化及水土环境问题起到了重要作用。

然而，现有模型的研究也存在一些不足：
（１）模型的研究应从确定性模型向随机模型发展。

传统的对流一弥散模型是建立在“均匀介质”的假设上的，在少数简单的边界和初始条件下才能得到应用，而对于田间土壤的空间变异性问题，无法准确的用ＣＤＥ模型描述。

因此，考虑了溶质运移不稳定过程的随机模型还需进行研究与发展。

（２）土壤中溶质运移的研究范围多集中于地下水和砂土上，对复杂的粘土、壤土研究还不够。

３海水入侵和咸水入侵的防治
海水和咸水入侵地上淡水层，主要是由于沿海城市过度开发地下水导致地下水水位下降而引起的。

我国天津、大连、上海等沿海地区都出现了较严重的海水入侵现象，给工农业生产、城市发展与人们的生活造成了较大的危害口］。

早在１９世纪，荷兰和德国学者对海水人侵地下淡水的渗流问题进行了研究，推出了用地下水位计算海水一淡水界面的计算公式。

薛禹群院士深刻地揭示了海水和咸水入侵规律，建立了国际上第一个潜水条件下的海水入侵模型，并运用与胶东海水和咸水入侵的防治，取得了显著的效果口】。

李国敏等ｍ３利用人工弥散加权方法建立三维有限元模型，研究了广西北海涸洲岛的海水入侵；吴吉春等［３１］等建立了反映水岩阳离子交换作用的海水入侵数学模型；成建梅日２１建立了三维变密度对流一弥散水质数学模型来研究山东烟台夹河中下游地区咸淡水界面的运移规律。

海水入侵的机理复杂，需要考虑的因素较多，而我国对于海水入侵研究起步较晚，目前国内对该问题的实例探讨也多数停留在针对个别区域的局部性研究阶段，尚未形成一套较为系统的通用研究理论和研究方法。

因此，还有许多方面的工作有待进一步的研究。

４展望
由于地表水体的污染，在很多情况下地下水是人类赖以生存的饮用水源。

然而生产的发展使地下水所受到的污染越来越严重，这将严重威胁社会的发展和人民健康，因此研究地下水的污染，预测其发展方向，已成为环境保护工作的重要内容之一，且随着人们环保意识的增强，地下水中的污染迁移问题会越来越重要，对于非饱和带中的污染物质的迁移、模型中模拟参数特别是弥散系数的研究以及溶质迁移的机理的研究等还有待深化。

应进一步研究的问题有ｔ
．５・
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（１）对于生活垃圾渗滤液的研究，其渗滤液在地下水中的弥散机理、各种吸附反应及化学反应的过程应作进一步研究。

（２）对于放射性核废料的研究，其溶质迁移模型的参数和高放射性核废料处置场多场耦合理论还有待于进一步研究。

（３）对于土壤盐碱化防治研究，溶质运移不稳定过程的随机模型和复杂的粘土、壤土研究还不够深入。

（４）对于海水入侵防治研究，我国起步较晚，海水入侵机理研究还有待深化。

５结论
溶质迁移研究已．成为水文地质等领域一个重要研究课题。

本文从溶质迁移模型的应用对溶质迁移研究进展进行论述，重点介绍了溶质迁移模型在地下水污染与防治、土壤盐碱化防治、海水入侵和咸水入侵防治等方面的研究现状，并指出了应进一步研究的问题。

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ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌｕｔｅｍｉｇｒａｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔｏｆｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ．Ａｒｅｖｉｅｗｗｉｔｈ３２ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｓｇｉｖｅｎｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｏｌｕｔｅｍｉｇｒａｔｉｏｎｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｏｉｌｓａｌｉｎｉｚａｔｉｏｎ，ｓｅａｗａｔｅｒａｎｄｓａｌｔｗａｔｅｒｉｎｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏｓｔｕｄｙｗｅｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｕｔｅｍｉｇｒａｔｉｏｎ；ｐｏｌｌｕｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｏｉｌｓａｌｉｎｉｚａｔｉｏｎ；ｓｅａｗａｔｅｒａｎｄｓａｌｔｗａｔｅｒｉｎｔｒｕｓｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ。