电厂粉煤灰场对地下水环境影响的初步研究.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/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

2、理方案.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中堆放于灰场中,已逐步规范.目前存在的主要问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.粉煤灰是燃煤电厂燃烧煤灰的产物,它的成分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃尽炭以及氟化物等.我国目前大部分的电厂采用湿排法将灰水排放至灰场.灰水比一般在14112之间.灰水中主要超标项目有pH值、悬浮物(SS)、氟化物(F)、COD和砷等重金属.粉煤灰对环境的污染主要表现在污染地表、地下水体和土壤,由于我国每年都有数量巨大

3、的粉煤灰排放,故其污染的主要特点为污染面广14.1 电厂粉煤灰场简介本文所研究的电厂总装机容量为1 350 MW,于1987年12月分三期相继建成投产.粉煤灰采用湿排法,灰水比为112.灰场位于电厂南约6 km的河流北岸.该灰场为四周围坝的平原河滩灰场,由一、二期灰场和三期灰场组成.三期灰场北坝北侧500 m为一村庄.灰场及其与周围村庄的相对位置见图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197619861 0601 061.17 m北坝高出一级阶地5 m,南坝高出河漫滩10 m.北坝侧500 m范围内地下水位有不同程度的升高

4、,但对东邵庄村民的生产生活无大的影响.三期灰场1986至今,即将期满1 0631 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.砖瓦窑坍塌,村南前三排菜窖2.02.5 m深的菜窖均被淹,祖坟被淹,遇大雨房屋变形、倒塌.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,井距2550 m,实际井深为15.527.5 m,但效果都不甚理想,主要由于设计和管理等问题

5、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(SPK J016-08).第34卷第5期2001年10月武汉大学学报(工学版)EngineeringJournal of Wuhan UniversityVol.34 No.5Oct.2001 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All

6、rights reserved.http:/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: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+QSi,j,k=SSi,j,khi,j,ktrj

7、cjvk(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;QSi,j,k为单元(i,j,k)中所有的源汇项:QSi,j,k=Nj=1ai,j,k,n=Nn=1pi,j,k,nhi,j,k+Nn=1qi,j,k,n(2)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,L3T-1;pi,j,k,n和qi,j,k,n为常数,量纲分别为L2T-1和L3T-1;SSi,j,k为单元(i,j,k)的贮水率;rj,cj,vk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59,它需要与MODFLOW联合运行.2

8、.1 模拟范围模拟范围包括邻近村庄及1997年勘测区在内的6.67.5=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3040 m为模拟区的深度,模拟范围见图2.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=0.3 m/d,Kz=0.15 m/d,Ss=0.000 1 1/m,Sy=0.

9、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.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时段/d一、二期灰场水头/m三期灰场水头/m03653737.53651 82538.539.51 8253 6504143.52.3 地下水水质的模拟由勘测结果可知,

10、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.8武汉大学学报(工学版)2001 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图3 三期灰场运行十年后地下水位模拟图图4 三期灰场运行十年后实际地下水位图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10-6m,模拟时间仍然分三时段,从模拟结

11、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5.5 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Z onel,灰场北坝外侧 为Z one2,其 余 三 方 向 为Z one3.以灰场水量块Z one1为例,由计算结果可知模拟结果为灰场区Z one1向北坝外侧Z one2的渗漏量在灰场运行十

12、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.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2.53.0 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

13、墙深度为10 m、20 m、40m,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=10-7m/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:(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.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 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Hous

14、e.All rights reserved.http:/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4.55 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,kdi,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

15、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CD=K LW/M其中:K为排水沟外围的综合水力传导度;L为差分格中排水沟的长度;W代表排水沟的直径;M代表水头损失所经历的路径.综合考虑,随着排水管管径和周围反滤料的变化,CD值可以在5003 000 m2/d之间变化.3.2.1 单排排水管在本次的模拟过程中分别取了四种不同的CD值,依次为500,1 000,2 000,3 000 m2/d,计算各种情况下的处理结果.通过计算,列出单排井不同CD下的排水效果,见表3.表3 单排井排水量比较(t=1 8253 650 d)m3/d排水沟深/m排水沟外围综合水

16、力传导系数/m2d-15001 0002 0003 00044 3394 9355 2565 8071018 26620 52923 02523 701 由表2可知,排水效果与深度有密切关系,而与CD值关系不很大.对本问题采用4 m的排水管不能满足要求,主要由于该排水管上层土壤为粘土,而且厚度大约为46 m,因此排水管的深度如果仅为5 m就很难起到排水效果,10 m深的排管在CD为500 m2/d时可以满足要求.3.2.2 双排排水管双排排水管的治理方案为在灰场北坝外附近和邻近村庄南部分别布置一条长约1 km的排水管.其中靠近灰场的排水管为模拟原有排水管,深度定为4.5 m,靠近村庄的排水管取

17、深度为5 m.共取了500,1 000,2 000 m2/d三种CD来计算.模拟结果表明,CD为1 000 m2/d时已可以满足排水要求.在防止氟化物的扩散方面,三种CD下都可以起到较好的效果.3.3 抽水井方案抽水井方案需要考虑的主要问题包括:抽水井的合理布局;抽水井单井的参数.本次布井原则以在三期灰场北坝外和邻近村庄村南为好,这样一方面可以有效降低地下水位,另一方面可以有效拦截灰水中有害成分向村庄的扩散.本次设计在井的布置上,采用双排井布置.首先对三期灰场附近原有的27眼井采取洗井等措施以重新利用,另外在村南新布置一排新井.由于勘测区一级阶地上部为粉土层,颗粒均匀,为相对隔水层,给水度小,

18、渗透性能差,所以抽水井的实际出水能力较小.因此,此次单井设计流量为600 m3/d.井的间距和井数通过数值模拟确定,以满足降水和阻止灰水中有害物质的扩散为目的.经上面的分析,初定每一个单井的设计流量为30 m3/h,单井每天运行20 h.三期灰场北坝附近排井中每井间距约2550 m之间,基本为模拟原有情况.村南井的数量取16、13、9、6四种不同的方案,经数值模拟计算并对比各方案,其中9眼的方案即可满足排水量和控制水质的要求,模拟结果见图6、图7.4 不同排水截渗措施的经济评价满足处理要求的各方案特征如表4所示.图6 村南排井为9眼的双排井处理平面图10武汉大学学报(工学版)2001 1994

19、-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图7 村南排井为9眼的方案数值模拟沿村中心水位水质剖面图表4 满足处理要求的方案特征方 案特 征防渗墙单排40 m深位于三期灰坝北厚20 cm,深40 m,长2 km排水管单排埋深10 m三期灰坝北管径0.5 m,反滤层1 m,长1.2 km.双排埋深4.5 m埋深5 m三期灰坝附近东邵庄村南管径0.5 m,反滤层1 m,长1.0 km.同上抽水井双排井深3040 m井深3040 m三期灰坝附近,27眼.东邵庄村南,9眼.单井抽水

20、流量600 m3/d,井距2550 m.单井抽水流量600 m3/d,井距2550 m.另外,排水管和抽水井均需要泵、排水明渠等辅助设施和运行管理问题.不同方案经济评价结果见表5.表5 不同方案经济评价防渗墙单排排水管双排排水管抽水井总投资/万元2 030530399196 综合上面的经济评价结果,可以看出抽水井的方案最经济.另外,抽水井的方案还具有施工便利和后期管理方便和作用大等优点.5 结 语通过对文中实际问题的数值模拟得到以下结论:(1)悬挂式防渗墙很难阻挡高水头的灰水向周围的渗流,封闭式的防渗墙往往不够经济.(2)排水管适应于上层土壤渗透性较强的情况且降深不大的情况,这时管理的埋深比较

21、浅,既可达到排水效果,又比较经济.由于本地区的地层特征为表层较粘、下部较砂,因此利用排水管方案效果并不好.而利用抽水井深度较深的特点,可通过排除下面的水达到降低地下水位的目的.(3)对该实际问题抽水井方案为技术和经济上都可行的方案较为合理.(4)所研究电厂的情况代表了一般平原型灰场在运行期间容易出现的共同问题,利用数值模拟方法研究灰场运行期不同的治理方案是一种经济可行的手段.但是对于不同的实际问题必须具体分析,确定和采取不同的防范措施.(5)需要进一步研究的问题:对粉煤灰灰水中有害物质的吸附性和化学反应等方面问题需要通过试验来研究.另外,本文的研究是建立在多孔介质中的地下水运移理论基础上的,该

22、理论以确定性模型为基础.近来,国际上已出现了大孔隙流的研究,实际上山区灰场就有类似的问题,这方面需要进一步研究9.参考文献:1 倪书洪.电力工业经济环境M.北京:水利水电出版社,1994.2 赫英臣.固体废物安全排放技术M.北京:煤炭工业出版社,1995.3 赫英臣.固体废物安全填埋场选址与勘察技术M.北京:海洋出版社,1998.4 吕 梁,侯浩波.粉煤灰性能与利用M.北京:中国电力出版社,1990.5 张蔚榛.地下水与土壤水动力学M.北京:中国水利水电出版社,1996.6张蔚榛.地下水非稳定流计算和地下水资源评价M.北京:科学出版社,1983.(下转第31页)第5期黄 爽等:电厂粉煤灰场对地

23、下水环境影响的初步研究11 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/Research on mathematical model of non-uniform outflowin irrigation pipeline system with malti-holeHE Yuan-qi1,HUANG Zhen-rong2(1.Zhejiang Provincial Electric Power Development Company,Hangzhou 310014

24、,China;2.Hangzhou Hydraulic and Electric Design Institute,Hangzhou 310014,China)Abstract:Combining the controlling irrigation-drainage engineering item for paddy field in Taishan city of Guangdongprovince,the authors puts the stress on the questions of non-uniform clearance on auto-hydrants for irri

25、gation system.Applying the steepest descent algorithm to work out the problem of system of nonlinear equations.This issue works onthe mathematical analysis method on different conditions of the holesopen and close.Therefore it affords ways of sci2entific calculation for improving the irrigation syst

26、em.Key words:water delivery pipeline;auto-hydrant;non-uniform outflow;mathematical model;steepest descent algo2rithm(上接第11页)7 李俊亭.地下水流数值模拟M.北京:地质出版社,1989.8 孙纳正.地下水的数学模型与数值方法M.北京:地质出版社,1982.9 加拿大.R.A.弗里泽,J.A.彻里.地下水M.吴静芳译.北京:地震出版社,1987.Initial study on influence of ash fields on circumambient groundwa

27、terHUANG Shuang,CAI Shu-ying,Y ANGJin-zhong(School of Water Resources and Hydropower,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:On the basis of one power plants ash field,from the current situation of power plants ash stock in China,influences of ash fields on water table and quality of groundwate

28、r around the circumstance are simulated,and threeschemes,waterproof wall,drain pipes and pump wells,for preventing influences of plain ash field on the groundwaterenvironment are studied.Finally,a numerical simulation on three schemes is carried out;and a practical treatmentscheme either economically or technically,is concluded.Key words:ash from power plant;water table and quality of groundwater;treatment scheme 第5期贺元启等:多孔非均匀出流问题数学模型研究31