红粘土非饱和带-岩溶非均质含水层地下水污染概率风险分析及其数学模型研究

A great many of solid waste landfill or repository are often located in the karst aquifer dissolution depression of the karst area. The transport and transformation of the landfill leachate contaminants in the red clay unsaturated zone-karst aquifers are the key question for the groundwater contamination risk assessment of a solid waste landfill site in the southwest karst area. The residence time of contaminants and the mechanism of mixed, sorption and dilution in red clay unsaturated zone-karst aquifer are studied to provide data support for the risk assessment of groundwater contamination in karst area. This project aims to use hydrogeological survey and exploration, 3D printing technology as well as mathematical model to studies the transport and transformation of fluoride in the red clay unsaturated zone-karst aquifers. The Damköhler number, Percolation threshold and Okubo-Weiss functions are used to characterize the residence time, mixing, sorption and dilution mechanisms of contaminants in the red clay unsaturated zone-karst aquifers. Based on this, the probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the concentration distribution are established, and then a probabilistic risk assessment mathematical model for the red clay unsaturated zone-karst aquifers groundwater contamination is established, which will provide a theoretical foundation for the risk assessment of groundwater contamination in the karst area.

岩溶区许多固废填埋场或暂存库往往位于岩溶洼地中，渗滤液特征污染物在红粘土非饱和带-岩溶含水层各层位中迁移转化规律成为了西南岩溶区固废填埋场地下水污染风险评估准确与否的关键。为进一步揭示污染物在此类非均质介质中的滞留时间、混合稀释及吸附作用机理，为西南岩溶区地下水污染风险评估提供数据支撑，本项目采用水文地质调查及勘察、3D打印技术、示踪试验及数学模型相结合的方法，研究氟化物在红粘土非饱和带-岩溶非均质含水层中的迁移转化规律，在此基础上应用达姆科勒数、逾渗阈值和Okubo-Weiss函数表征氟化物在红粘土非饱和带-岩溶含水层中的滞留时间、混合稀释及吸附作用机理。建立氟化物浓度分布的概率密度函数及累积分布函数，从而建立红粘土非饱和带-岩溶含水层地下水污染概率风险评估数学模型，为岩溶区地下水污染风险评估奠定基础。

我国西南岩溶区地下水污染风险成为制约项目建设选址的重要因素，随着我国地下水管理条例的实施，岩溶区建设项目对地下水造成的潜在污染风险评估成为了项目建设选址的重要依据。本项目研究对云南典型岩溶区红黏土-岩溶含水层进行了大量水文地质调查，主要针对典型红黏土-岩溶含水层中分布的尾矿库、危废渣库和工业场地等含氟化物和重金属等重点污染项目场地进行专项水文地质调查，在获取相关污染项目场地数据的基础上重点开展了氟化物在红黏土-岩溶含水层中的迁移机理研究。采用室内批试验和柱试验相结合的方法，重点在非饱和红黏土初始含水率对氟运移影响机制、红黏土中双电层对氟化物迁移吸附的影响机制、氟化钠在非饱和红黏土中的迁移特征、非饱和红粘土高浓度氟化物迁移规律、非饱和红黏土和石灰岩对氟的吸附特征、氟化物在变饱和红黏土介质中迁移规律等方面开展了大量试验研究，深入分析了初始含水率、饱和度、双电层、初始浓度等参数对氟化物在红黏土和岩溶含水层介质中的迁移影响机制。研究结果显示红黏土初始含水率越小，氟的出流时间和穿透时间越大，氟在非饱和红黏土中的弥散系数随着初始含水率的增大而增大，而阻滞系数则随着初始含水率的增大而减小，氟的峰值质量浓度宽度随着初始含水率的增大而增大。针对污染项目渗滤液中含氟化物和重金属离子混合污染物特点，开展电催化内微电解流化床去除水溶液中Cu(II)的强化特性及机理研究，提出了电催化内微电解(ECIME)流化床。通过在面包酵母表面接枝黄原酸盐基团，成功地合成了黄原酸盐改性面包酵母(XMBY)，并用于同时从水溶液中吸附镉(Cd2+)和亚甲基蓝(MB)。模型方面，从包气带-非均质含水层的非均质性表征、渗流及溶质迁移及其影响关键参数研究等问题、包气带—含水层污染风险评估研究等方面进行系统分析。项目研究成果对指导我国西南岩溶分布区的项目建设对地下水污染造成的潜在污染风险评估具有重要参考价值，为西南岩溶区土壤-地下水污染风险评估、管理和修复提供了技术支撑。