岩溶-裂隙含水层地下水重金属迁移机理研究

岩溶-裂隙含水层地下水重金属污染防治及修复成功与否受岩溶-裂隙含水层高度非均质性的控制。本项目研究采用现场调查、模型研究与室内试验相结合的方法针对岩溶区地下水重金属污染迁移机理及修复技术方面开展研究。研究基于大量野外水文地质调查数据，分析岩溶管道发育分布特征，基于岩溶管道发育分布规律应用分形理论和3D打印技术相结合，建立了典型岩溶管道截面的二维分形几何数学模型，分析了分形维数、尺度系数、采样长度对于粗糙面的关系，使用分形维数反演岩溶管道截面，计算管壁粗糙度与分形维数定量关系；结合西南岩溶区存在大量冶炼废水潜在对地下水造成污染影响，对含高浓度重金属（锌、镉和锰）的模拟废水和实际冶炼废水在电絮凝处理过程中的处理参数优化，同时也对电能消耗、污泥产量和相应的去除机制进行了研究；通过采自西南地区不同灰岩样品进行重金属吸附试验，结果表明，碳酸盐岩基质本身对重金属具有一定的吸附容量，碳酸盐岩对重金属离子的吸附作用及天然吸附去除能力；通过试验研究分析裂隙的相关特征及其对溶质迁移的影响，根据试验设计的不同裂隙物理模型，针对裂隙连通性以及裂隙交角的大小对溶质迁移的规律性研究，根据对不同试验结果进行对比分析，结果显示不同交角对溶质在岩溶裂隙管道中的迁移扩散影响很大。上述研究结果为我国西南岩溶山区地下水污染防治、修复及风险管理提供重要基础数据，同时本次冶炼废水在电絮凝处理过程中的处理参数优化研究成果为电絮凝渗透性反应墙地下水重金属污染修复技术研究奠定理论基础。

岩溶-裂隙含水层的高度非均质性是控制地下水流和污染物迁移的关键因素，岩溶介质中地下水渗流和污染物迁移机理成为岩溶含水层研究的热点和难点。本申请结合我国西南地区岩溶发育特征及地下水重金属污染特点，以云南澜沧铅矿为研究基地，通过对生产矿山进行岩溶裂隙及坑道分布调查，对矿区凝灰岩岩样进行渗透试验、对流弥散和化学吸附解吸附试验，在此基础上对试验岩心进行高分辨率CT扫描，从而获取凝灰岩基质的渗透性特征及凝灰岩细观孔隙变化特征，分析重金属污染物在岩溶-裂隙非均质含水层中的迁移机理。同时对矿区岩溶裂隙分布、裂隙填充情况及其连通性进行专项调查，在此基础上应用分形理论建立不同尺度下的坑道及岩溶裂隙的分形几何模型，最后应用数值模拟方法模拟再现重金属污染物在坑道、凝灰岩基质、岩溶裂隙中的迁移转化过程。为此类含水层重金属矿山污染修复提供理论依据。

重点解剖本区岩溶作用机理与典型岩溶石山地区岩溶发育特征，充分运用计算机技术，开展岩溶管道水、岩溶裂隙水及地表水三者之间的相互转换关系，论证岩溶地下水的赋存规律与空间分布规律。在研究的基础上，初步建立典型地区岩溶地下水水动力场模型，提出调研区内岩溶地下水开发利用方案。

裂隙-管道是我国西南地区碳酸盐岩地层的主要储水空间和导水通道。开展裂隙-管道复杂介质中地下水流运动规律的研究，对指导岩溶水可持续开发利用和石漠化治理，推动岩溶水运动规律研究具有重要科学意义。本项目在贵州省普定县后寨地下河流域长期水文观测资料、野外水文地质试验和水文地质调查结果等分析的基础上，以裂隙-管道介质中的复杂水流为研究对象，充分考虑后寨河典型岩溶小流域含水介质结构特征、水循环动力条件等，研制裂隙-管道介质地下水流运动的物理模型。以可视化、自动化动态监测为手段，在物理模型中除安装压力传感自动采集装置之外，还借助高精度摄像仪和成像系统对地下水运动过程进行实时动态捕捉。根据动态监测结果研究不同裂隙-管道结构组成、不同水文情景下地下水流运动途径及水循环动力过程，并采用数学模型对裂隙流及管道流过程进行数值模拟。最终揭示裂隙-管道介质中地下水动力过程对裂隙和管道的结构特征及水文条件的响应机制。