半干旱地区电厂灰渣处置场氟化物泄漏的动态模拟及其对喀斯特含水层的污染风险

《Journal of Contaminant Hydrology》：Dynamic simulation of fluoride leakage from power plant ash disposal sites and contamination risk to karst aquifers in semi-arid regions

本研究评估山西半干旱地区燃煤电厂灰渣处置场对喀斯特地下水的氟污染风险，通过HYDRUS-1D与MODFLOW耦合模型模拟，发现完整防渗层下氟迁移深度20cm， breach后可能影响深层含水层，但浓度低于国标，验证了自然防渗屏障的有效性，为环境管理提供依据。

　　本研究聚焦于半干旱地区燃煤电厂灰渣处置场对岩溶含水层的潜在污染风险，以中国山西省左权县为典型案例进行深入分析。随着气候变化和人类活动的加剧，地下水系统正面临前所未有的挑战，尤其是在水资源稀缺的半干旱地区，岩溶含水层作为主要的水源，其脆弱性愈发凸显。本文旨在探讨燃煤电厂灰渣中氟化物的迁移路径，评估其对地下水的潜在影响，并为相关环境保护政策提供科学依据。

### 地下水的生态与社会价值

地下水是全球淡水资源的重要组成部分，其在生态平衡和人类社会发展中扮演着不可或缺的角色。在半干旱地区，地下水更是主要的供水来源，直接关系到农业灌溉、工业用水和居民生活。然而，这些含水层的高渗透性和低储水能力，使其在面对污染时极易受到侵害。一旦发生污染，地下水的自我净化能力有限，修复过程不仅复杂而且成本高昂，因此，预防性地控制工业污染风险成为当前亟需解决的问题。

### 岩溶含水层的特殊性

在中国的山西省，地下水资源尤为重要，尤其是岩溶泉。该省的岩溶地貌覆盖面积约为1.10×10^5平方公里，占全省总面积的75.2%，是北方地区最大的岩溶系统之一。这些含水层支撑着19个主要的泉区，每个泉区都有独立的水文过程和较大的储水能力。由于其高产和良好的水质，这些泉广泛用于工业、农业和居民用水，对全省的水资源调配起着关键作用。

然而，岩溶含水层的特殊结构也使其对污染极为敏感。它们通常由两种不同的孔隙结构组成：一种是高渗透性、低储水性的岩溶通道，另一种是低渗透性、高储水性的裂隙和基质。这种双孔隙结构使得污染物能够快速渗透并远距离迁移，从而导致地下水系统的高度连通性和流动性。近年来，气候变化和高强度的人类活动对这些系统造成了严重破坏，所有19个主要泉区的功能均受到影响，包括流量减少、水位下降和生态环境恶化。

### 燃煤电厂灰渣的污染风险

作为中国重要的煤炭产区，山西省拥有众多大型燃煤电厂。虽然这些电厂为经济发展做出了贡献，但它们也产生大量粉煤灰，通常储存在灰渣处置场。粉煤灰含有丰富的无机物质以及有毒元素，其中氟化物尤为引人关注。当粉煤灰与水接触时，氟化物会从灰渣中溶解，并可能渗入地下水，对农业、生活和生态环境构成广泛威胁。全球范围内，超过2×10^8人受到氟化物污染地下水的影响。

尽管适量的氟化物对牙齿健康有益，但过量摄入会导致氟牙症、氟骨症、甲状腺功能减退、睡眠障碍等健康问题。长期暴露还可能通过氧化应激、细胞凋亡和内分泌或免疫功能障碍引发多器官损伤。此外，氟化物还会影响植物、昆虫和牲畜的生长发育。在半干旱地区，如山西省，由于地下水的补给速度缓慢，氟化物在地下水中的积累速度较快，形成长期的生态和健康威胁。

### 研究方法与技术手段

为了更准确地评估氟化物污染风险，本研究采用了一种结合HYDRUS-1D和MODFLOW的模拟方法。这两种模型分别用于模拟非饱和带和饱和带中的污染物迁移过程。HYDRUS-1D模型输出的流量和浓度数据作为MODFLOW模型的输入，实现了两种模型的时序和空间耦合。这种耦合方法假设地下水条件不会显著影响非饱和带中的过程，从而提供了一种较为简化的模拟框架。

通过这种耦合方法，研究团队能够更全面地模拟氟化物从灰渣处置场向地下岩溶含水层的迁移路径。在模拟过程中，研究团队考虑了不同情境下的含水层状况，包括完整和受损的衬层。结果表明，当含水层保持完整时，氟化物的迁移深度在30年内仅达到20厘米。然而，一旦衬层被破坏，氟化物需要55年才能到达深层K1砂岩含水层，其浓度在60年后达到1.57×10^-4毫克/升，这一数值远低于中国《地下水质量标准》（GB/T 14848–2017）中的第三类标准，表明自然屏障在一定程度上限制了污染物的迁移。

### 模型预测与实际应用

本研究通过实际监测和模型预测相结合的方法，进一步验证了氟化物的迁移过程。在模拟过程中，研究团队考虑了实际的降水模式和灰渣孔隙水饱和度的变化，得出每年的渗滤流量约为20.89立方米。这一结果表明，灰渣处置场中的防渗层在有效控制氟化物迁移方面发挥了重要作用。

此外，研究团队还对不同场景下的氟化物迁移进行了模拟，包括完整衬层和受损衬层的情况。在完整衬层的模拟中，氟化物的迁移深度在30年内仅达到20厘米，而在受损衬层的模拟中，氟化物需要55年才能到达深层K1砂岩含水层。这一模拟结果为环境保护和水资源管理提供了科学依据，同时也为实现中国的“双碳”战略提供了支持。

### 研究的意义与展望

本研究不仅评估了氟化物污染的风险，还为相关环境保护政策提供了科学支持。通过结合HYDRUS-1D和MODFLOW的模拟方法，研究团队能够更准确地预测氟化物的迁移路径和时间，从而为水资源的可持续利用和生态环境的保护提供指导。此外，研究还指出，未来的工作可以进一步考虑吸附过程和裂隙网络的影响，以提高模型的预测准确性。

在实际应用中，研究团队还对左权县燃煤电厂的灰渣处置场进行了详细调查，分析了其对地下水系统的潜在影响。这一研究不仅有助于了解氟化物污染的机制，还为相关环保措施的制定提供了科学依据。通过这种研究方法，可以更有效地评估和管理工业污染风险，从而保障地下水的安全和可持续利用。

### 结论与建议

综上所述，本研究通过结合HYDRUS-1D和MODFLOW的模拟方法，评估了燃煤电厂灰渣处置场对岩溶含水层的潜在污染风险。研究结果表明，氟化物的迁移受到防渗层的显著限制，且在不同情境下的迁移时间和深度存在明显差异。这些结果为环境保护和水资源管理提供了科学支持，同时也为实现中国的“双碳”战略提供了指导。

为了进一步提高模型的预测准确性，未来的研究可以考虑吸附过程和裂隙网络的影响，以更全面地模拟污染物的迁移路径。此外，还需要加强对半干旱地区地下水系统的监测和管理，确保其在面对工业污染时能够有效保护。通过这些措施，可以更有效地应对氟化物污染带来的生态和健康威胁，保障地下水的安全和可持续利用。