地下水环境影响评价

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1、2021/7/11地下水环境影响评价地下水环境影响评价2021/7/12评价方法评价方法2021/7/13实例：实例：2021/7/14评价方法评价方法2021/7/12004-11-115污染物迁移的数学模型污染物迁移的数学模型运移方程运移方程 (i,j=1,2,3) ICuxxCDxtCiijiji)()(2021/7/12004-11-116污染物迁移的数学模型污染物迁移的数学模型初始条件初始条件 区域区域()上所有点在某一初始时刻上所有点在某一初始时刻t=0时的时的浓度分布浓度分布),(),(00zyxCtzyxCt2021/7/12004-11-117污染物迁移的数学模型污染物迁移的

2、数学模型边界条件边界条件 第一类边界条件，边界上浓度是已知的第一类边界条件，边界上浓度是已知的 第二类边界条件，边界上弥散通量是已知第二类边界条件，边界上弥散通量是已知 第三类边界条件，边界上溶质通量是已知第三类边界条件，边界上溶质通量是已知 ),(),(11tzyxftzyxC),(22tzyxfxCDjij),()(33tzyxfnxCDCuiiiji2021/7/12004-11-118数学模型的求解方法数学模型的求解方法解析法解析法 简单条件下的溶质运移模型简单条件下的溶质运移模型 表达式过于复杂而难于实际应用表达式过于复杂而难于实际应用数值模拟法数值模拟法 有限差分法（有限差分法（F

3、inite Difference Method） 有限单元法有限单元法(Finite Element Method) 边界元法边界元法 (Boundary Element Method)2021/7/12004-11-1191、有限差分法、有限差分法(FDM) 基本思想基本思想l按时间步长和空间步长将时间和空间区域按时间步长和空间步长将时间和空间区域剖剖分分成若干成若干网格网格l用用未知函数未知函数在网格结在网格结(节节)点上的值所构成点上的值所构成的差的差分近似代替分近似代替所用偏微分方程中出现的所用偏微分方程中出现的各阶导各阶导数数l把表示变量连续变化关系的偏微分方程把表示变量连续变化关系

4、的偏微分方程离散离散为有限个为有限个代数方程代数方程l求解此线性代数方程组求解此线性代数方程组，以求出溶质在各网，以求出溶质在各网格结格结(节节)点上不同时刻的浓度点上不同时刻的浓度 2021/7/12004-11-1110有限差分法有限差分法(FDM) 基本步骤基本步骤l（1）剖分渗流区，确定离散点）剖分渗流区，确定离散点l（2）建立水动力弥散问题的差分方程组）建立水动力弥散问题的差分方程组l（3）求解差分方程组）求解差分方程组 点逐次超松驰方法点逐次超松驰方法(SOR) 线逐次超松驰方法线逐次超松驰方法(LSOR) 交替方向隐式迭代法交替方向隐式迭代法(IADI)及强隐式方法及强隐式方法(

5、SID)等等2021/7/12004-11-1111差分与导数差分与导数（Tarley级数）级数）几种导数的差分近似几种导数的差分近似l1、一阶向前差分、一阶向前差分l2、一阶向后差分、一阶向后差分l3、一阶中心差分、一阶中心差分l4、二阶导数的差分、二阶导数的差分 xxfxxfdxdf)()(xxxfxfdxdf)()(xxxfxxfdxdf2)()(222)()(2)(xxxfxfxxfdxfd2021/7/12004-11-1112差分方程的差分方程的相容性、收敛性、稳定性相容性、收敛性、稳定性l相容性相容性 导数与其差分近似式之间存在导数与其差分近似式之间存在截断误差截断误差 当时间步

6、长当时间步长t和空间步长和空间步长x都趋近于零时，差分都趋近于零时，差分方程的方程的截断误差也趋近于零截断误差也趋近于零，差分方程的，差分方程的极限形式极限形式就是原偏微分方程就是原偏微分方程 这时，认为差分方程与偏微分方程是相容的，这种这时，认为差分方程与偏微分方程是相容的，这种相容性表示差分方程相容性表示差分方程“收敛收敛”于于原偏微分方程原偏微分方程2021/7/12004-11-1113差分方程的差分方程的相容性、收敛性、稳定性相容性、收敛性、稳定性l收敛性收敛性 指指差分方程的解差分方程的解，即当步长，即当步长t、x0时收敛于时收敛于原偏微分方程的解原偏微分方程的解l稳定性稳定性 差

7、分方程的求解是以差分方程的求解是以步进步进方式进行的，在逐步推进方式进行的，在逐步推进的过程中，的过程中，误差也逐步积累误差也逐步积累 若这种误差若这种误差积累积累保持保持有界有界，则差分方程是，则差分方程是稳定的稳定的；若这种误差积累若这种误差积累无界，无界，则差分方程是则差分方程是不稳定不稳定的的2021/7/12004-11-1114差分格式差分格式格式不同，其截断误差、稳定性条件不同格式不同，其截断误差、稳定性条件不同l1、显式差分格式、显式差分格式 l2、隐式差分格式、隐式差分格式l3、Crank-Nicolson差分格式差分格式 ninininiECBCACC111nininini

8、CECBCAC11111ninininininiECFCACECBCAC1111111浓度取浓度取tn,浓度取浓度取tn+1,O(t+x2) 212xtDL1xtuxDuL2O(t+x2) O(t2+x2) TtLxxCuxCDtCL0,0222021/7/12004-11-1115有限元法有限元法(FDM) 基本思想基本思想 l把研究区域剖分为有限个子区域把研究区域剖分为有限个子区域l在每个子区域上用在每个子区域上用某种插值函数某种插值函数来近似来近似待求解的未知函数待求解的未知函数l得到求解相应偏微分方程的得到求解相应偏微分方程的线性代数方线性代数方程组程组2021/7/12004-11-

9、1116有限元法有限元法(FDM) 种类种类l里兹里兹(Ritz)有限单元法有限单元法 基于变分原理，从基于变分原理，从泛函取极小的变分问题泛函取极小的变分问题出发进行离散化的出发进行离散化的 寻找泛函往往较为困难，常对原方程进行寻找泛函往往较为困难，常对原方程进行适当变换，但这种变换常引起较大的误差，适当变换，但这种变换常引起较大的误差，而导致计算失败而导致计算失败l伽辽金伽辽金 (Galerkin)有限单元法有限单元法 2021/7/12004-11-1117有限元法有限元法(FDM) 基本步骤基本步骤加权余量法加权余量法 (Method of Weighted Residuals) l设

10、微分方程：设微分方程：L(u) f0l1、用一组有限级数、用一组有限级数代替未知函数代替未知函数uMjjjuu1试探函数试探函数基函数基函数形状函数形状函数插值函数插值函数 2021/7/12004-11-1118有限元法有限元法(FDM) 加权余量法加权余量法 余量余量R ：RL()fl2、使余量、使余量R在某种意义下达到最小，找出待在某种意义下达到最小，找出待求参数求参数uj 简单的办法是使简单的办法是使R在区域平均意义下为零在区域平均意义下为零 但是，这对于但是，这对于M个未知数来说仅能得到一个方程。个未知数来说仅能得到一个方程。为了得到为了得到M个方程：通过选取权函数个方程：通过选取权

11、函数W(i1，2，M)，使每个加权的余量在积分意义下为零，使每个加权的余量在积分意义下为零0Rd), 2 , 1(0MidRWi2021/7/12004-11-1119有限元法有限元法(FDM) 加权余量法加权余量法 根据权函数根据权函数Wi的选择方法不同，可以得到的选择方法不同，可以得到各种计算方法各种计算方法 伽辽金法选取权函数伽辽金法选取权函数Wi为基函数为基函数i，即，即Wi = i 当待求函数为浓度当待求函数为浓度C时时 ), 2 , 1(0)(MidfuLienjjjCC12021/7/12004-11-1120有限元法有限元法(FDM) 加权余量法加权余量法l3、将试探函数式代入

12、权剩余方程，把、将试探函数式代入权剩余方程，把权剩余在整个区域上的积分化为在各个权剩余在整个区域上的积分化为在各个单元上的积分，然后求和，便得到一个单元上的积分，然后求和，便得到一个方程组方程组 0)()(1MMeejidfCLdfCL2021/7/12004-11-1121有限元中的基函数有限元中的基函数 线单元线单元l试探函数试探函数l单元单元e的基函数的基函数 122112)()()(xxCxxCxxxC2112121221xxxxxxxxxxxee2021/7/12004-11-1122有限元中的基函数有限元中的基函数 三角形单元三角形单元 l试探函数试探函数l基函数基函数 （结点（结

13、点i，j，m按逆时针编号）按逆时针编号） yaxaaC321),()(21mjilydxballllijjimmiimjjmmjiyxyxayxyxayxyxa jimimjmjiyybyybyyb ijmmijjmixxdxxdxxd mmjjiiyxyxyx111 2021/7/12004-11-1123有限元中的基函数有限元中的基函数 三角形单元三角形单元 l基函数的性质基函数的性质 l在结点在结点l上为上为1，在其它两个结点上为，在其它两个结点上为0 l沿着三角形的边随距离作沿着三角形的边随距离作线性变化线性变化 l在三角形在三角形中心中心处的值等于处的值等于1/3 在在结点结点l的的

14、对边对边上，上，l0 在在单元上任一点单元上任一点处都有：处都有：i +j +m1矩形单元矩形单元 l=i, j, m2021/7/12004-11-1124边界元法边界元法(BEM) 基本思想基本思想 l基于基于Green公式公式和和Green函数函数l把问题的解表示为把问题的解表示为沿区域边界的积分沿区域边界的积分l在计算上把三维问题约化为二维问题，在计算上把三维问题约化为二维问题，把二维问题约化为一维问题把二维问题约化为一维问题l能能方便并且精确地处理作为奇点方便并且精确地处理作为奇点的井点的井点2021/7/12004-11-1125边界元法边界元法(BEM) 基本原理基本原理lGre

15、en公式公式 表示平面上的曲线积分与二重积分之间的表示平面上的曲线积分与二重积分之间的关系关系 dsynQxnPdxdyyQxP),cos(),cos(2021/7/12004-11-1126边界元法边界元法(BEM) 基本原理基本原理lGreen第一公式、第二公式第一公式、第二公式 令令yvuQxvuPdsnuudxdyvudxdyyvyuxvxuGreen第一公式：dsnuvnvudxdyuvvu)()(Green第二公式：2021/7/12004-11-1127边界元法边界元法(BEM) 基本关系基本关系l若取若取lC为浓度为浓度lG称为称为Green函数，为函数，为区域区域中任意一固定

16、点中任意一固定点（即基本点）（即基本点）M0（x0， y0）至动点）至动点M（x，y）的距离的距离GrvCuMM0ln若若M与与M0重合，重合，G在在M0点点产生的奇异性，不能应用产生的奇异性，不能应用Green第二公式。为此，第二公式。为此，可做一个以可做一个以M0为圆心，为圆心，为半径的园，把为半径的园，把M0包围起包围起来，余下的区域使用第二来，余下的区域使用第二公式公式 2021/7/12004-11-1128边界元法边界元法(BEM) 基本关系基本关系l如果点如果点M0位于边位于边界上，也可作类似界上，也可作类似处理，即以处理，即以M0为为圆心，圆心，为半径作为半径作一半园（园缺）。

17、一半园（园缺）。 CdxdyGdsnCGnGCMCMM)(00)()(0对于折线边界边界夹角的弧度对于光滑边界M2021/7/12004-11-1129边界元法边界元法(BEM) 基本关系基本关系l可以统一写为可以统一写为 CdxdyGdsnCGnGCMCMM)(00)()()(20000位于边界的转折点上位于光滑边界上内部位于MMMM2021/7/12004-11-1130边界元法边界元法(BEM) 基本步骤基本步骤 l1、先把、先把边界离散边界离散为为N个结点，每个结点用个结点，每个结点用直线相连，该联线称直线相连，该联线称为边界单元，外边界为边界单元，外边界上的结点编号顺序为上的结点编号

18、顺序为顺时针顺时针，内边界上结，内边界上结点编号顺序为点编号顺序为逆时针逆时针。然后把然后把区域区域离散为离散为NT个个三角形三角形单元。单元。 2021/7/12004-11-1131边界元法边界元法(BEM) 基本步骤基本步骤 l2、在任意边界段、在任意边界段上，引进上，引进局部坐标局部坐标系（系（，），），找出找出浓度及其法向导数浓度及其法向导数的表达式的表达式；在区域；在区域内部的浓度可用内部的浓度可用线线性插值基函数性插值基函数表示表示31)(),(),(jjjtCyxNtyxC2021/7/12004-11-1132边界元法边界元法(BEM) 基本步骤基本步骤 l3、离散形式的边界

19、元积分方程：把、离散形式的边界元积分方程：把2中的各表达式代入边界元法的中的各表达式代入边界元法的基本关系基本关系方程方程l4、依次把每一、依次把每一边界结点边界结点和和内部结点内部结点当当作作基本点基本点i，写出上式的形式，便得到，写出上式的形式，便得到一方程组一方程组2021/7/12004-11-1133改进的数值法改进的数值法 必要性必要性l大量的计算实践表明大量的计算实践表明 当弥散作用占优时，能取得较为满意的计当弥散作用占优时，能取得较为满意的计算结果算结果 对流作用占优的问题时，都会遇到两个数对流作用占优的问题时，都会遇到两个数值困难，即值困难，即数值弥散和过量数值弥散和过量20

20、21/7/12004-11-1134改进的数值法改进的数值法 过量现象过量现象l一维流动一维水动力弥散问题一维流动一维水动力弥散问题的纯对流的纯对流l解析解解析解与与有限差分数值解有限差分数值解C-x曲曲线线 l在在浓度锋面浓度锋面附近数值计算的浓附近数值计算的浓度度超过最大浓度值超过最大浓度值1和小于最小和小于最小浓度浓度0。这种计算结果违背了基。这种计算结果违背了基本的物理意义。我们称这种现本的物理意义。我们称这种现象为象为“过量现象过量现象” 2021/7/12004-11-1135改进的数值法改进的数值法 数值弥散数值弥散l精确解析解的峰面是直立精确解析解的峰面是直立的，的，没有过渡带

21、没有过渡带，但有限，但有限差分的数值解却存在一个差分的数值解却存在一个过渡带过渡带l这个过渡带在物理上显然这个过渡带在物理上显然是不存在的，它是由于数是不存在的，它是由于数值计算过程中的误差产生值计算过程中的误差产生的，通常称之为数值弥散的，通常称之为数值弥散 2021/7/12004-11-1136改进的数值法改进的数值法 改进方法改进方法l上游加权法上游加权法 l特征值法特征值法l动坐标法动坐标法l网格变形法网格变形法l随机步行法随机步行法 l引入人工扩散量法引入人工扩散量法2021/7/137实例实例淋滤作用下铀水冶尾矿库中核素在地下淋滤作用下铀水冶尾矿库中核素在地下水中迁移的反应水中迁

22、移的反应-输运藕合模拟输运藕合模拟2021/7/12004-11-3038研究区概况研究区概况湘江2021/7/12004-11-3039库区地质结构剖面示意图库区地质结构剖面示意图更新统更新统棕红色砾石层，棕红色砾石层，呈透镜状发育，呈透镜状发育，单个透镜体厚单个透镜体厚12m，透镜体重迭部位厚透镜体重迭部位厚35m，砾石磨圆度高，分选性好，砾石磨圆度高，分选性好，砾径多为砾径多为25cm，多呈孔隙式胶结多呈孔隙式胶结更新统更新统棕红色网纹状亚粘土棕红色网纹状亚粘土厚厚510m，多呈厚层状，多呈厚层状，胶结紧密，抗风化能力强，胶结紧密，抗风化能力强，具有清晰的黄白或白色具有清晰的黄白或白色蠕

23、虫状条纹蠕虫状条纹全新统全新统砂卵石砂卵石全新统全新统亚粘土亚粘土湘江湘江上更新统上更新统棕黄色、红色粘土、亚粘土棕黄色、红色粘土、亚粘土3-12米厚米厚上更新统上更新统砂卵石砂卵石始新统流市组茶山坳段下部岩段，始新统流市组茶山坳段下部岩段，主要由紫红色、暗紫色泥岩、主要由紫红色、暗紫色泥岩、粉砂质泥岩和泥岩、粉砂岩粉砂质泥岩和泥岩、粉砂岩夹薄层状灰色钙泥质页岩和夹薄层状灰色钙泥质页岩和泥灰岩等组成，泥灰岩等组成，灰色夹层厚度一般为灰色夹层厚度一般为1030cm，发育不稳定。发育不稳定。接近岩层顶部的岩石中普遍发育有峰窝状孔洞，接近岩层顶部的岩石中普遍发育有峰窝状孔洞，孔径一般小于孔径一般小于

24、1mm，孔内壁多附白色碳酸盐矿物薄壳，孔内壁多附白色碳酸盐矿物薄壳。级阶级阶级阶尾尾 矿矿 库库E E2021/7/12004-11-3040地下水地球化学特征地下水地球化学特征矿化度矿化度0.1190.718g/lHCO3SO4NaCaHCO3SO4CaNaSO4HCO3CaNa型水型水pH值为值为7. 58.1。矿化度矿化度1.07g/lSO42-含量含量0.6320.715g/lSO4ClCaNaClSO4CaNaSO4Ca型水型水pH值为值为6.37.3。pH=3.16-6.73pH=3.16-6.73HCO3HCO3含量低含量低其它组分含量偏高其它组分含量偏高矿化度4.63g/lSO

25、42- 达3.06g/lSO4CaNa型水pH值为3.2 尾矿水尾矿水 尾矿坝渗水尾矿坝渗水 第四系地下水第四系地下水 第三系地下水第三系地下水 混合地下水混合地下水pH为为4.366.44矿化度矿化度0.030.29g/lClHCO3NaCaClNO3NaCa型水，型水，NO3-的高含量的高含量U（）在地下水中的含量很低，）在地下水中的含量很低，一般为一般为ng/L，仅在尾矿库库底的，仅在尾矿库库底的地下水中含量较高，如地下水中含量较高，如WKB-29-1和和WKB-29-2中铀的含量达中铀的含量达65.8g/L和和18.0g/L，这说明现在铀的迁移仍，这说明现在铀的迁移仍以垂向为主，同时由

26、于库底粘土的阻以垂向为主，同时由于库底粘土的阻滞，迁移缓慢。滞，迁移缓慢。2021/7/12004-11-3041尾矿库规模n国营国营272厂铀水冶尾矿库位于湖南省衡阳厂铀水冶尾矿库位于湖南省衡阳市东南市东南15km处，地处湘江衡阳段上游的处，地处湘江衡阳段上游的丘陵区。丘陵区。n该尾矿库从该尾矿库从1963年年8月投入使用到月投入使用到1994年退役为止，已形成了滩面面积为年退役为止，已形成了滩面面积为1.47km2、堆积尾矿渣、堆积尾矿渣2.0107t、二库、二库联用周圈堆坝、中心排水的平地型尾矿。联用周圈堆坝、中心排水的平地型尾矿。就其规模而言，在亚洲亦属罕见。就其规模而言，在亚洲亦属罕

27、见。2021/7/12004-11-3042尾矿库运营史n1963年年8月投入使用，尾矿浆开始向第一尾矿库排放月投入使用，尾矿浆开始向第一尾矿库排放.n1964年在第一拦水坝顶建虹吸排水塔，用于防洪，当年在第一拦水坝顶建虹吸排水塔，用于防洪，当库水位超过库水位超过78.8m时，即向湘江排废水；时，即向湘江排废水；n1966年第二尾矿库建成并投入使用；年第二尾矿库建成并投入使用；n1970-79年开始在第一拦水坝处放矿堆坝；年开始在第一拦水坝处放矿堆坝；n1981年用高年用高32m，直径，直径5m框架溢洪井和直径框架溢洪井和直径1.1m，长，长度度5500m钢筋砼管联合组成尾矿库排洪系统；钢筋砼

28、管联合组成尾矿库排洪系统；n1994年退役年退役n现在尾矿库的现在尾矿库的9个坝段在标高为个坝段在标高为82-95.3m的粘土坝上用的粘土坝上用尾矿砂堆高了尾矿砂堆高了11m2021/7/12004-11-3043尾矿库全貌示意图松林坝松林坝战斗坝战斗坝初期坝初期坝第一拦水坝第一拦水坝雷公坝雷公坝第二拦水坝第二拦水坝跃进坝跃进坝南陂坝南陂坝虹吸排水井塔虹吸排水井塔2021/7/12004-11-3044尾矿砂柱浸实验尾矿砂柱浸实验nR=12cm，H=50cmn装填量为装填量为9.8kgn干装填密度为干装填密度为1.73103kg/m3nn=0.45，K=1.8310-3cm/s。2021/7/

29、12004-11-3045尾矿砂柱浸实验结果尾矿砂柱浸实验结果n黄铁矿氧化起控制性黄铁矿氧化起控制性作用作用n铀的解吸量为铀的解吸量为148.96 mgn铀在尾矿砂上的吸附铀在尾矿砂上的吸附浓度为浓度为15.2 mg/kg2021/7/12004-11-3046n在尾矿库底部分布有一层厚约在尾矿库底部分布有一层厚约45米的米的粘土层，粘土层，30多年来，多年来，U（）被滞留在）被滞留在粘土的粘土的0.10.5m的范围内的范围内n为了研究核素在粘土中的吸附与迁移为了研究核素在粘土中的吸附与迁移n批实验批实验n土柱实验土柱实验粘土粘土对核素吸附作用的实验与模拟对核素吸附作用的实验与模拟2021/7

30、/12004-11-3047一、批实验一、批实验n粘土样采自尾矿库西南沿的松林坝附近。粘土样采自尾矿库西南沿的松林坝附近。n实验用的溶液是用铀标准经实验用的溶液是用铀标准经0.01M的的NaNO3溶溶液稀释而配制的。液稀释而配制的。n铀浓度铀浓度=4.310-4M（ABC组，组，8份份/组，组，100ml/份份, pH=2-9, S=1g、0.1g、0.01g ）n铀浓度铀浓度= 4.310-5M(D组，组， 8份，份，100ml/份份, pH=2-9, S=0.1g )2021/7/12004-11-3048一、批实验一、批实验01234567890.00.10.20.30.40.50.60

31、.70.80.91.001234567890.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0pH（a）pH（b）01234567890.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0pH（c）0123456789012345678910pH（d）图3.4 U()在粘土上的吸附与pH的关系：（a）A组实验；（b）B组实验；（c）C组实验；（d）D组实验U的吸附量（mg）U的吸附量（mg）U的吸附量（mg）U的吸附量（mg）2021/7/12004-11-3049一、批实验一、批实验nDLM模型的建立表 3.16 U（）在粘土上吸附的 DLM 模型参数固体浓度(M/

32、V)1g/l点密度2.3 个/nm2有效吸附表面积9.7m2/g总吸附点浓度AlOH: 1.6810-5mol/lSiOH: 2.0210-5mol/l离子强度0.1M NaNO3233U()的浓度4.310-4MPCO210-3.5atm表面络合反应表面络合反应LogKAlOH0+H+AlOH2+8.33AlOH0AlO-+H+-9.73AlOH0+UO22+AlO-UO2+H+2.7AlOH0+3UO22+5H2OAlO-(UO2)3(OH)50+6H+-15.00SiOH0SiO-+H+-7.2SiOH0+UO22+SiO-UO2+H+2.65SiO0+3UO22+5H2OSiO-(UO

33、2)3(OH)50+6H+-15.242021/7/12004-11-3050一、批实验一、批实验01234567891 001234567891 00123456789100.00.20.40.60.81.0pHpH(a)C=4.310-5M(b)C=4.310-4M图3.6 DLM模型计算值与实验数据的对比图： (a) 实圆点表示D组实验数据点，点线表示模型的拟合曲线；(b) 实圆点、上三角形和菱形块分别表示A组、B组和C组的实验数据点，实线、点线和短连线分别表示在这三种实验条件下的模型计算值。U的吸附量（mg）U的吸附量（mg）2021/7/12004-11-3051一、批实验一、批实验

34、n分配系数（分配系数（Kd）n传统的方法有两点不传统的方法有两点不足：（足：（1）不能提供）不能提供溶质在固体上吸附机溶质在固体上吸附机理的信息；（理的信息；（2）由）由于其是在特定条件下于其是在特定条件下测得的，而将其用于测得的，而将其用于复杂的天然环境，势复杂的天然环境，势必会产生很大的误差。必会产生很大的误差。pH图3.7 DLM模型计算出的U（）在粘土上吸附的分配系数与pH值的变化曲线（U（）浓度为4.310-5M，M/V=10g/l）0123456789100.000.050.100.150.200.25Kd(L/g)2021/7/12004-11-3052二、土柱实验二、土柱实验n

35、纵向弥散度为纵向弥散度为6cmnU（）的分配系数为）的分配系数为0.038L/g2021/7/12004-11-3053模拟软件简介nVisual MODFLOW是三维地下水流动和是三维地下水流动和污染物运移最完整、最易用的模拟环境污染物运移最完整、最易用的模拟环境n将将MODFLOW、MODPATH和和MT3D同同最直观强大图形用户界面结合在一起。最直观强大图形用户界面结合在一起。n在建立模型和显示结果的任何时候，都在建立模型和显示结果的任何时候，都可以用剖面图和平面图的形式将模型网可以用剖面图和平面图的形式将模型网格、输入参数和结果加以可视化显示。格、输入参数和结果加以可视化显示。2021

36、/7/12004-11-3054U（）反应-输运模型的建立n单元剖分单元剖分n平面上剖分平面上剖分60列，列，43行，共行，共2580个单元；个单元；n垂向上分为三层垂向上分为三层n第一层为粘土、亚粘土层第一层为粘土、亚粘土层n第二层为更新统及第四系的砂卵石层第二层为更新统及第四系的砂卵石层n第三层为下第三系的基岩第三层为下第三系的基岩2021/7/12004-11-3055边界条件边界条件河流边界河流边界隔水边界隔水边界隔水边界隔水边界隔水边界隔水边界2021/7/12004-11-3056尾矿库垂向渗漏量的确定尾矿库垂向渗漏量的确定n尾矿库运营期（尾矿库运营期（19631994）n水均衡法

37、：水均衡法： 7.03105 m3/an我们以浅部枯水期废水中铀的浓度的均值，我们以浅部枯水期废水中铀的浓度的均值，即即C=0.705mg/ln退役后（退役后（1994年以后）年以后）n1.73105 m3/an据柱浸实验，据柱浸实验， C=0.509mg/L2021/7/12004-11-3057水动力参数的选取与分区水动力参数的选取与分区四四 区区一一 区区二二 区区三三 区区五五 区区2021/7/12004-11-3058水动力参数的选取与分区水动力参数的选取与分区一一 区区二二 区区三三 区区四四 区区五区2021/7/12004-11-3059水动力参数的选取与分区水动力参数的选取

38、与分区2021/7/12004-11-3060弥散度的取值弥散度的取值n越来越多的室内外弥散试验不断地证实了空隙介质中越来越多的室内外弥散试验不断地证实了空隙介质中水动力弥散具有尺度效应。水动力弥散具有尺度效应。n一些研究者综合世界范围内百余个水质模型中所使用一些研究者综合世界范围内百余个水质模型中所使用的纵向弥散度与空间尺度的关系，认为水动力弥散的的纵向弥散度与空间尺度的关系，认为水动力弥散的尺度效应具有分形特征，同时，还给出了不同模型纵尺度效应具有分形特征，同时，还给出了不同模型纵向弥散度尺度效应的分维数。向弥散度尺度效应的分维数。2021/7/12004-11-3061弥散度的取值弥散度

39、的取值表 4.6 纵向弥散度取值一览表层号岩性空间尺度（ls） （m）分维数（D）分维方程纵向弥散度（aL） （m）1粘土33000.563568. 1lg563. 01lgLals12.542卵石层25200.563056. 1lg563. 01lgLals20.913钙泥质粉砂岩39000.817369.2lg817.01lgLals9.962021/7/12004-11-3062分配系数的取值分配系数的取值n利用利用DLM模型来确定模型来确定U（）在粘土中的分配）在粘土中的分配系数系数nC=0.705mg/L、M/V=10g/Ln酸雨严重，酸雨严重， pH=4.054.10，取，取pH=

40、4.1时的时的U（）的分配系数，即）的分配系数，即0.0025L/g图4.3 DLM模型计算的U(6+)的Kd与pH值的关系曲线(C=0.708mg/L, M/V=10g/L)pH2468100 .000 .020 .040.060.080.100.120.140.16Kd(L/g)2021/7/12004-11-3063退役后研究区地下水等水位平面图2021/7/12004-11-3064退役后研究区地下水流向剖面图2021/7/12004-11-3065退役时核素在粘土层中分布情况从图中可以看出，从图中可以看出，3030多年来，库底粘土层对于多年来，库底粘土层对于核素的迁移起到了很好的屏障

41、作用，核素基本核素的迁移起到了很好的屏障作用，核素基本被限制在粘土层的厚度范围内；核素的迁移以被限制在粘土层的厚度范围内；核素的迁移以垂向为主，侧向迁移很小，地下水中铀浓度除垂向为主，侧向迁移很小，地下水中铀浓度除了库底较高外，其它处都很低。这些结果与我了库底较高外，其它处都很低。这些结果与我们观察到的结果（表们观察到的结果（表3.23.2和和3.113.11）基本一致，）基本一致，进一步证明我们所建的模型是可靠的进一步证明我们所建的模型是可靠的。2021/7/12004-11-3066退役500年时核素在地下水中分布情况2021/7/12004-11-3067退役1000年时核素在地下水中分

42、布情况2021/7/1685、地下水污染风险评、地下水污染风险评价价 2021/7/12004-11-1169几个概念几个概念1、风险、风险l当存在危害性行为时遭受损失、损害和破坏的可能性。当存在危害性行为时遭受损失、损害和破坏的可能性。2、风险评价、风险评价l确定某一危害性行为的破坏效应的性质和大小的过程。确定某一危害性行为的破坏效应的性质和大小的过程。3、环境风险评价、环境风险评价l评估环境污染事件发生概率以及在不同概率下事件后评估环境污染事件发生概率以及在不同概率下事件后果的严重性，并决定应当采取的适宜对策。果的严重性，并决定应当采取的适宜对策。2021/7/12004-11-1170几

43、个概念几个概念4、危害处理、危害处理l在风险评价的基础上，综合考虑法律、在风险评价的基础上，综合考虑法律、社会、经济、生态、政治等因素，确定社会、经济、生态、政治等因素，确定是否或在多大程度上控制未来有毒有害是否或在多大程度上控制未来有毒有害物质的排放。物质的排放。l换句话，控制污染物质到一种可被接受换句话，控制污染物质到一种可被接受的水平。的水平。2021/7/12004-11-1171人类健康风险评价人类健康风险评价人类健康风险评价人类健康风险评价l描述人类接触有害物质时，危害效应的特征。描述人类接触有害物质时，危害效应的特征。评价过程评价过程l以评价人类暴露在或能够暴露在有毒及有害物质中

44、的以评价人类暴露在或能够暴露在有毒及有害物质中的程度，确定现在或将来的人类健康风险。程度，确定现在或将来的人类健康风险。现场风险评价现场风险评价l它用来确定人类暴露于有毒物质或处于污染现场时，它用来确定人类暴露于有毒物质或处于污染现场时，其健康所遭受的风险程度。其健康所遭受的风险程度。2021/7/12004-11-1172人类健康风险评价的人类健康风险评价的基本要素（步骤）基本要素（步骤）1、危害鉴定、危害鉴定2、接触方式评价、接触方式评价3、危害性评价（毒性评价）、危害性评价（毒性评价）4、风险特征描述、风险特征描述2021/7/12004-11-1173一、危害识别一、危害识别 鉴定污染

45、物鉴定污染物l鉴定与描述有害污染物的特征鉴定与描述有害污染物的特征 l污染物在发源地及其在媒介中活动程度污染物在发源地及其在媒介中活动程度 确定确定l与污染物接触是否会产生危及人类健康与污染物接触是否会产生危及人类健康的效应。的效应。2021/7/12004-11-1174二、接触方式评价二、接触方式评价 1、定义：、定义：l某种化学或物理媒介（即污染物）与人某种化学或物理媒介（即污染物）与人类或其它生态效应接受体的类或其它生态效应接受体的相互作用方相互作用方式评价式评价，包括：，包括： 接触的程度大小、频率、持久性接触的程度大小、频率、持久性 人们可能受到的危害的性质与大小人们可能受到的危害

46、的性质与大小 污染物与人类的可能接触方式污染物与人类的可能接触方式2021/7/12004-11-1175二、接触方式评价二、接触方式评价 2、内容：、内容：l接触点接触点 现场（非）接触、沉淀物接触、地表（地下）水接触现场（非）接触、沉淀物接触、地表（地下）水接触l接触方式接触方式 皮肤吸附、摄取、吸入皮肤吸附、摄取、吸入l接触人口接触人口 与污染物接触敏感的人口数量与污染物接触敏感的人口数量l接触持久性接触持久性 急性与短期接触、慢性与长期接触急性与短期接触、慢性与长期接触2021/7/12004-11-1176二、接触方式评价二、接触方式评价 3、主要步骤、主要步骤l确定接触方式的性质确

47、定接触方式的性质l接触途径的确定接触途径的确定l接触方式的量化接触方式的量化2021/7/12004-11-1177第一、接触方式性质的确定第一、接触方式性质的确定现场物理性质现场物理性质 气候、地质条件、植被、土壤类型、地下水的水力学气候、地质条件、植被、土壤类型、地下水的水力学性质、地表水情况等性质、地表水情况等可能受害人口以及风险增加时应避免接触人口可能受害人口以及风险增加时应避免接触人口 居住或邻近于污染现场的人群居住或邻近于污染现场的人群 消费产于污染现场产品的消费者消费产于污染现场产品的消费者 从污染现场迁移出来的、并有可能接触化学物质人群从污染现场迁移出来的、并有可能接触化学物质

48、人群 对接触化学物质非常敏感的人群对接触化学物质非常敏感的人群 由于其活动方式可能使自身受到危害的可能性增加的由于其活动方式可能使自身受到危害的可能性增加的人群人群2021/7/12004-11-1178第二、确定接触途径第二、确定接触途径概念：某种污染物接触人类的机理概念：某种污染物接触人类的机理 接触点接触点 污染物可能与人类相接触的地方；污染物可能与人类相接触的地方； 通过考虑人口居住地位置与污染地区或可能被污染地通过考虑人口居住地位置与污染地区或可能被污染地区附近的人类活动方式来确定的。区附近的人类活动方式来确定的。 污染物传输介质与来源很可能成为接触点，特别是当污染物传输介质与来源很

49、可能成为接触点，特别是当污染现场正在被使用或即将被使用、或接近污染现场污染现场正在被使用或即将被使用、或接近污染现场不被禁止的时候。不被禁止的时候。 可能的接触点一般来说位于污染现场的水力下游或风可能的接触点一般来说位于污染现场的水力下游或风向下游。向下游。2021/7/12004-11-1179第二、确定接触途径第二、确定接触途径依赖于：依赖于：l接触介质（地下水、地表水、沉淀物、土壤接触介质（地下水、地表水、沉淀物、土壤/粉粉尘、空气和食物）与接触点的人类活动方式尘、空气和食物）与接触点的人类活动方式主要的接触途径包括主要的接触途径包括l（1）摄取，（）摄取，（2）吸入，（）吸入，（3）皮

50、肤接触）皮肤接触注意：接触点的存在并不一定意味着接触途径注意：接触点的存在并不一定意味着接触途径的存在的存在2021/7/12004-11-1180第三、接触方式的量化第三、接触方式的量化 完全的接触方式完全的接触方式 l污染源污染源 l污染物排放入环境中污染物排放入环境中 l接触行为发生时的接触点接触行为发生时的接触点 l接触行为发生时的接触途径接触行为发生时的接触途径如果以上要素中任意一个不存在的话，这种如果以上要素中任意一个不存在的话，这种接触方式将被认为是不完全的接触方式将被认为是不完全的2021/7/12004-11-1181第三、接触方式的量化第三、接触方式的量化 如果如果l接触方

51、式是完全的接触方式是完全的l且具备可能受到污染物危害的人口的详细资且具备可能受到污染物危害的人口的详细资料料则可以确定出：则可以确定出：l污染物与人相接触的程度、频率和持久性。污染物与人相接触的程度、频率和持久性。分两个阶段完成分两个阶段完成l（1）估算接触点的）估算接触点的污染物浓度污染物浓度l（2）计算化学物质）计算化学物质摄入量摄入量。2021/7/12004-11-1182估计接触点的污染物浓度估计接触点的污染物浓度 利用：利用：l单独利用监测数据单独利用监测数据l或污染物在环境中的赋存与迁移模型，或污染物在环境中的赋存与迁移模型，均可对接触点的污染物浓度进行计算。均可对接触点的污染物

52、浓度进行计算。2021/7/12004-11-1183计算化学物质摄入量计算化学物质摄入量 化学物质摄入量化学物质摄入量l在接收体交换边界（如皮肤、肺）可以在接收体交换边界（如皮肤、肺）可以被吸收的化学物质的含量。被吸收的化学物质的含量。假设污染物的接收体一直处于同一位假设污染物的接收体一直处于同一位置，并与相同的污染物浓度相接触，置，并与相同的污染物浓度相接触，则：则：ATBWEFDCRCI12021/7/12004-11-1184计算化学物质摄入量计算化学物质摄入量 上式中：上式中：lI摄入量；即交换边界化学物质的含量摄入量；即交换边界化学物质的含量(mg/kg.d) lC污染物浓度；即整

53、个接触期间污染物的平均浓度污染物浓度；即整个接触期间污染物的平均浓度(mg/l) lCR污染率；即单位时间或时期内被污染介质的数量污染率；即单位时间或时期内被污染介质的数量（l/d）lEFD接触频率与持久度；即表征污染物与人相接触时间接触频率与持久度；即表征污染物与人相接触时间长短与频率大小的物理量。一般计算时采用两个术语（长短与频率大小的物理量。一般计算时采用两个术语（EF与与ED），），EF为接触频率（为接触频率（dyr），），ED为接触持久度（为接触持久度（yr）lBW人体重量；即整个接触期间人体的平均重量（人体重量；即整个接触期间人体的平均重量（kg）lAT平均时间，即接触期间的平均长

54、度（平均时间，即接触期间的平均长度（d）2021/7/12004-11-1185三、毒性评价三、毒性评价 1、危害性鉴定、危害性鉴定l确定与污染物接触是否会加强对健康的负面影响（如确定与污染物接触是否会加强对健康的负面影响（如癌症、生育缺陷、智力发育迟缓）癌症、生育缺陷、智力发育迟缓）2、剂量、剂量-反应评价反应评价l定量地研究污染物的毒性大小及人体吸收污染物含量定量地研究污染物的毒性大小及人体吸收污染物含量与其健康受损程度的关系。与其健康受损程度的关系。l常用常用“剂量剂量-反应示意曲线图反应示意曲线图” 表示表示l如果产生一种危害所需的污染物剂量越少，说明这种如果产生一种危害所需的污染物剂

55、量越少，说明这种污染物的毒性越大污染物的毒性越大2021/7/12004-11-1186三、毒性评价三、毒性评价 剂量剂量-反应评价反应评价l当强度或剂量比较小时，虽引起生理学改变，但属正当强度或剂量比较小时，虽引起生理学改变，但属正常范围，机体处于常范围，机体处于代偿状态代偿状态，不显现临床症状；，不显现临床症状；l随剂量的增大，超越了机体适应范围，则出现疾病甚随剂量的增大，超越了机体适应范围，则出现疾病甚至死亡。至死亡。l在代偿向在代偿向失代偿失代偿过渡的过程中，机体处于临床前驱期，过渡的过程中，机体处于临床前驱期，这时出现的生理学改变属亚临床变化，其条件是可逆这时出现的生理学改变属亚临床

56、变化，其条件是可逆的，故仍可恢复到完全健康状态。人体能正常调节而的，故仍可恢复到完全健康状态。人体能正常调节而不出现任何病变的最大剂量为不出现任何病变的最大剂量为最高容许浓度最高容许浓度2021/7/12004-11-1187剂量剂量-反应曲线反应曲线ab失代偿代偿正常代偿准病态准病态患病患病死亡死亡a 持久性危害持久性危害b 可逆性变化可逆性变化机体反应机体反应小小 剂量剂量 大大2021/7/12004-11-1188生物学反应谱生物学反应谱 环境中的有毒有害环境中的有毒有害污染物作用于人群污染物作用于人群时，时，受影响人群受影响人群的的比例呈金字塔形分比例呈金字塔形分布布分为五个阶段分为

57、五个阶段1 体内污染负荷量增加体内污染负荷量增加2 意义不明的生理变化意义不明的生理变化3 亚临床变化亚临床变化4 发病发病5死亡死亡对健康有对健康有害的影响害的影响剂量剂量2021/7/12004-11-1189综合毒性综合毒性 多种有毒有害污染物时多种有毒有害污染物时：l相加作用相加作用 当两种以上毒物同时存在时，它们当两种以上毒物同时存在时，它们的毒性可能表现为其作用的总和的毒性可能表现为其作用的总和 l相乘作用相乘作用 多种毒物联合作用的毒性大大超过多种毒物联合作用的毒性大大超过这几种毒物毒性的总和这几种毒物毒性的总和 l撷抗作用撷抗作用 多种毒物联合作用的毒性低于各种多种毒物联合作用

58、的毒性低于各种毒物毒性的总和毒物毒性的总和2021/7/12004-11-1190污染物毒性资料的来源污染物毒性资料的来源 疫学研究疫学研究 l可清楚指示某一化学物质与某种负面健康效应之间的关系，可清楚指示某一化学物质与某种负面健康效应之间的关系，是最可靠的资料；是最可靠的资料；动物研究动物研究 l从动物研究所获得的资料推断某种化学物质对人体健康的影从动物研究所获得的资料推断某种化学物质对人体健康的影响，即假定人类与动物对化学物质具有相同的反应。通常用响，即假定人类与动物对化学物质具有相同的反应。通常用于研究的动物包括老鼠、兔子、猪、狗和猴子。于研究的动物包括老鼠、兔子、猪、狗和猴子。辅助研究

59、辅助研究 l（1）新陈代谢与药理学研究，（）新陈代谢与药理学研究，（2）细胞结构与器官微组织）细胞结构与器官微组织研究，（研究，（3）结构）结构-活性研究活性研究2021/7/12004-11-1191毒性参数毒性参数 1、非致癌效应、非致癌效应l非致癌化学物质的毒性不会导致癌症或基因非致癌化学物质的毒性不会导致癌症或基因突变，注意，致癌化学物质也会对人体有非突变，注意，致癌化学物质也会对人体有非致癌的影响，即表现出系统毒性。致癌的影响，即表现出系统毒性。l无观察效果水平（无观察效果水平（NOEL）l无观察危害效应水平（无观察危害效应水平（NOAEL）l参考剂量（参考剂量（RfD）2021/7

60、/12004-11-1192无观察效果水平（无观察效果水平（NOEL）无观察效果水平（无观察效果水平（NOEL）l不对人体或动物试验造成影响的化学物质的不对人体或动物试验造成影响的化学物质的最高剂量水平最高剂量水平最低观察效果水平（最低观察效果水平（LOEL）l在缺乏在缺乏NOEL资料的情况下，可以采用资料的情况下，可以采用LOEL来代替安全剂量下限。来代替安全剂量下限。l处于处于LOEL时，通常不会观察到任何影响，即时，通常不会观察到任何影响，即使有，也不会存在毒性。使有，也不会存在毒性。2021/7/12004-11-1193无观察危害效应水平无观察危害效应水平（NOAEL）无观察危害效应

61、水平（无观察危害效应水平（NOAEL）l化学物质不产生明显有害效应时的最高化学物质不产生明显有害效应时的最高剂量水平剂量水平最低观察危害效应水平（最低观察危害效应水平（LOAEL）l当当NOAEL不明确时，采用不明确时，采用LOAEL作为作为代替。代替。2021/7/12004-11-1194参考剂量（参考剂量（RfD）概念概念l最常用的毒性指标。最常用的毒性指标。l在不产生危害的情况下，人体所能吸收在不产生危害的情况下，人体所能吸收有毒物质的最大含量。单位有毒物质的最大含量。单位mg/kg.d。2021/7/12004-11-1195参考剂量（参考剂量（RfD）类型类型l慢性参考剂量慢性参考

62、剂量 指在不受化学物质危害的前提下，与化学物质相接触的指在不受化学物质危害的前提下，与化学物质相接触的人在其整个生命期间内的化学物质日接触量。接触期在人在其整个生命期间内的化学物质日接触量。接触期在7年（约为人寿命的年（约为人寿命的1/10）到一生之内，均该类型。）到一生之内，均该类型。l亚慢性参考剂量亚慢性参考剂量 接触期间约在接触期间约在2周到周到7年之内。年之内。l发展性参考剂量发展性参考剂量 用于评价独立接触事件中，正在生长的器官所可能受到用于评价独立接触事件中，正在生长的器官所可能受到的危害。的危害。2021/7/12004-11-1196参考剂量（参考剂量（RfD）不确定系数（即安

63、全系数）不确定系数（即安全系数）l（1）总人口数的差异，特别是对化学）总人口数的差异，特别是对化学物质敏感的人口总数的差异；物质敏感的人口总数的差异；l（2）人类与动物的种属差异（如在把）人类与动物的种属差异（如在把动物试验的结论推之于人类时）。动物试验的结论推之于人类时）。2021/7/12004-11-1197毒性参数毒性参数2、致癌效应、致癌效应l致癌效应与非致癌效应不同，它基于无致癌效应与非致癌效应不同，它基于无下限剂量模型，亦称下限剂量模型，亦称“一击命中一击命中”模型，模型，假定即使是一个分子的致癌物质也会导假定即使是一个分子的致癌物质也会导致疾病。致疾病。l最常用的毒性指标最常用

64、的毒性指标 斜度系数斜度系数 致癌能力分级系统致癌能力分级系统 2021/7/12004-11-1198致癌能力分级系统致癌能力分级系统 化学污染物可按照对人化学污染物可按照对人类致癌效应证据的多寡类致癌效应证据的多寡来进行分级。来进行分级。致癌证据可被认为是：致癌证据可被认为是：l（1）充分的）充分的l（2）有限的）有限的l（3）不足的）不足的l（4）无致癌依据）无致癌依据l（5）有不致癌证据。）有不致癌证据。 分分 类类 描描 述述A对人具有致癌性的物质对人具有致癌性的物质 B1 or B2对人很可能具有致癌性的物对人很可能具有致癌性的物质，质，B1B1指该物质对人的致癌指该物质对人的致癌

65、性有部分证据，性有部分证据，B2B2指该物质指该物质对动物的致癌性有对动物的致癌性有充足充足的证的证据，但对人的致癌性则证据据，但对人的致癌性则证据不足或无证据不足或无证据 C可能对人致癌的物质可能对人致癌的物质 D对人的致癌力不可分类对人的致癌力不可分类 E对人无致癌性对人无致癌性 2021/7/12004-11-1199斜度系数（斜度系数（SF）在人的一生中摄入一个单位的致癌物在人的一生中摄入一个单位的致癌物质后患癌症的最大可能性质后患癌症的最大可能性 每单位剂量化学物质的致癌风险（即每单位剂量化学物质的致癌风险（即与致癌物质接触的人口中患癌症的比与致癌物质接触的人口中患癌症的比例）例）

66、在在95%可信度下剂量可信度下剂量-反应曲线的斜率，反应曲线的斜率，单位为（单位为（mg/kg.d）-12021/7/12004-11-11100单位浓度下的致癌风险单位浓度下的致癌风险 可根据可根据SF分别以吸入接触方式和口服分别以吸入接触方式和口服接触方式定义接触方式定义l空气中的单位浓度风险（吸入方式）空气中的单位浓度风险（吸入方式）=SF吸入率吸入率/70千克千克l水中的单位浓度风险（口服方式）水中的单位浓度风险（口服方式）=SF消耗率消耗率/70千克千克l吸入率吸入率=20立方米立方米/天，消耗率天，消耗率=2升升/天天 2021/7/12004-11-11101不同接触途径间毒性参数的不同接触途径间毒性参数的转换转换吸收系数吸收系数同一化学物质在不同接触途径中的毒性参数同一化学物质在不同接触途径中的毒性参数是可以转换的，但在吸收有毒物质与新陈代是可以转换的，但在吸收有毒物质与新陈代谢方面的差异，把一种接触途径中的毒性参谢方面的差异，把一种接触途径中的毒性参数直接用于另一种时存在很大的差异，为此，数直接用于另一种时存在很大的差异，为此，引入吸收系数。引入吸收系数。如把口服接触