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预测地下水污染动态变化规律 提出污染控制措施——“非均质裂隙岩溶地下水水质演化与污染控制及应用”成果展示
2013-07-26
“非均质裂隙岩溶地下水水质演化与污染控制及应用”项目由徐州市城区水资源管理处、徐州工程学院、中国矿业大学和徐州首创水务有限责任公司合作完成。项目以徐州市非均质复杂岩溶含水系统为研究对象，采用实验室研究与现场试验、实验测试与数值模拟、机理研究与技术研究相结合的技术路线，综合运用水文地质学、环境科学、数学模型与数值计算、微生物学等学科的理论和方法，研究分析了城市化影响下裂隙岩溶地下水水量和水质的演化规律和发展趋势，构建了四氯化碳污染场地的修复技术体系并进行了实践。项目成果总体上达到了国际先进水平，其中四氯化碳在较深部岩溶含水系统中的运移衰减研究达到了国际领先水平。
一、划分了徐州市岩溶水文地质单元，明确了岩溶地下水系统类型，阐明了城市化影响下岩溶地下水循环系统的演化规律，建立了非均质各向异性岩溶地下水水量三维数值预报模型，实现了岩溶地下水的定量科学管理，指导了水源地空间布局的调整。
二、首次全面评估了徐州市岩溶地下水环境状况，查明了污染类型、范围及演化特征；阐明了岩溶地下水总硬度超标和六价铬污染的过程机制。
1．选取总硬度、硫酸盐、氯化物、pH、氟化物、硝酸盐、氨氮等水质指标，运用综合指数法，揭示了该区总硬度和硝酸盐含量较高，整体上呈先升高后降低的趋势，总硬度是首要的超标因子。
2．徐州市东郊岩溶地下水六价铬（Cr6+）污染呈以半径为
3．通过对徐州市1981～2008年岩溶水井总硬度监测数据的分析，发现该区岩溶水总硬度时间演化呈逐年升高趋势，但增幅逐年减小；空间分布上具有城区和工业区高、郊区和非工业区低的特点；岩溶水超采及由此引起的地下水水位快速下降是总硬度超标的主要因子。
三、首次系统研究了四氯化碳在大尺度非均质岩溶含水系统中的迁移、归趋机理；基于FEFLOW数值模拟系统，建立了非均质各向异性岩溶含水层溶质运移数值模型，实现了水量和水质模型的耦合，预测了四氯化碳在岩溶含水层中的衰减规律。
1．阐明了岩溶含水层四氯化碳污染的主要途径，并利用野外示踪试验，查明了岩溶含水层中四氯化碳运移的主通道位于向斜盆地的轴部。
2．四氯化碳在岩溶含水层中分布平面上沿强径流带和岩溶发育带扩展，且表现出南北两个污染重心；垂向上，四氯化碳浓度随井深增加而升高。综合区域地质、水文地质特征，提出了四氯化碳在岩溶含水层中运移的概念模型。
3．运用Mann-Kendall非参数检验法分析了含水层中四氯化碳浓度序列的变化趋势。四氯化碳污染羽长度上表现为稳定型、浓度上表现为收缩型。含水层中四氯化碳的衰减主要由区域被动抽出、对流稀释、向上覆松散层挥发、含水介质吸附及微生物降解等过程控制。
4．建立了挥发性有机污染物在基岩含水层‐潜水含水层‐土壤三元结构中迁移通量的数学模型，分析了岩溶含水层四氯化碳输入、输出平衡。
5．开发设计了研究地下水中四氯化碳通过（基岩含水层、土壤）二元结构向上挥发运移的室内模拟实验系统。通过模拟实验，揭示了地下水中四氯化碳向上挥发迁移污染上覆土壤的规律，以全新角度解释了岩溶含水层上覆松散层四氯化碳污染的机理。
6．运用FEFLOW数值模拟软件模拟了四氯化碳在岩溶含水层中的运移规律。根据区域水文地质条件及水动力场观测结果，该区的岩溶水运动为非均质各向异性的承压‐无压流，建立了以对流为主、弥散为辅的四氯化碳二维（x，y方向）运移模型。
四、自主研发了一种岩心定向装置及新型注浆装置，筛选出了对四氯化碳具有高效降解能力的白腐真菌，在污染源区实施了四氯化碳污染原位强化生物修复工程。
五、首次构建了大埋深、非均质岩溶含水层四氯化碳污染场地物理化学修复技术体系，即在重污染水井进行抽出‐曝气‐活性炭吸附，在轻污染水井进行抽出‐曝气‐回用。在国内首次开展了四氯化碳污染场地的抽出处理实践，部分恢复了水源地的功能。
项目研究过程中，部分研究成果已得到了应用，在七里沟岩溶地下水污染治理过程中，项目负责人曾作为专家组组长依据前期研究成果对治理方案和实际执行过程评价做出了指导。未来该项目成果将为徐州市地下水的管理提供科学依据，同时也为我国北方具有类似水文地质条件城市的地下水保护提供借鉴。
