基于三维瞬态地下水模拟的西班牙韦尔瓦磷石膏堆水平衡评估

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Water balance assessment based on a three-dimensional transient groundwater modelling of a phosphogypsum stack in Huelva (SW Spain)

　　

研究区域：西班牙西南部韦尔瓦的Tinto河河口，约1.2亿吨未覆盖的磷石膏（phosphogypsum, PG）堆积在潮汐沼泽沉积物之上，形成了一个与周围河口水和下伏含水层单元相连的复杂人为水文地质系统。
研究焦点：本研究表征了磷石膏（PG）堆的后运营期水动力行为，并量化了其地下水水平衡。研究人员利用一个基于450天地下水头与排泄观测数据校准的三维瞬态地下水流动模型，评估了一个水文地质概念模型。该模型代表了主要的补给、排泄、地表水交换和地下水储存过程。
该区域的新水文见解：结果表明，降雨主要垂直渗透通过PG堆，而到达其底部的地下水则通过漫流及与掩埋潮汐河道相关的优先路径横向向沼泽排泄。潮汐波动以衰减和相位滞后方式传播到更深的单元。模拟的水平衡表明接近动态平衡，净储存变化可忽略不计，数值残差接近于零，表明大部分流入量被重新分配和排泄，而非滞留。总体而言，PG堆表现为一个低至中等渗透性的人为非承压含水层，覆盖在一个渗漏的河口弱透水层和一个渗透性更强的承压含水层之上。

**论文解读：基于三维瞬态地下水模拟的西班牙韦尔瓦磷石膏堆水平衡评估**

**研究背景与目的**
磷石膏（phosphogypsum, PG）是磷肥工业产生的大宗副产品，主要由石膏（CaSO₄·2H₂O）组成，其孔隙水富含磷酸、硫酸、氟化物、重金属及放射性核素，具有潜在的环境危害性。PG堆通常堆存于沿海地区，暴露于大气降水下，形成的渗滤液可能污染地下水与地表水系统。然而，目前对PG堆作为人为含水层系统的定量理解，特别是在后运营期及其与周围含水层和地表水体相互作用方面，仍十分有限。现有研究多为集总式水-平衡模型，无法解析内部地下水流动模式及与周围环境的水力交换。为填补这一空白，研究人员选择西班牙西南部韦尔瓦的PG堆为研究对象，该堆场是欧洲最大的PG堆之一，且位于高度敏感的河口环境。该项研究发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。研究旨在：（i）通过三维瞬态地下水模拟，建立并验证一个基于物理过程的水文地质模型，以描述PG堆内地下水流动及其与河口环境的相互作用；（ii）量化水平衡并识别主导流动路径与排泄机制；（iii）提供一个鲁棒且可迁移的模拟框架，可应用于类似PG处置系统。

**主要技术方法**
1. **三维瞬态地下水流动模型**：采用有限元代码FEFLOW建立，模型域涵盖PG堆（Zones 2和3）及邻近盐沼平台，包含四个水文地层单元（PG堆、上部河口弱透水层、下部河口弱透水层、下部含水层）。网格精细划分，垂向共13层，模拟期为450天（2015年9月至2016年11月）。
2. **多源数据集成与多目标校准**：整合了高频率测压水位数据、气象数据、潮汐数据及野外实测渗流量数据。校准策略结合了稳态与瞬态模拟，并采用手动与自动（PEST）相结合的方式，以同时拟合地下水头动态与独立观测的排泄通量。
3. **土壤-水平衡模型**：利用开源代码WaterpyBAL计算实际蒸散发、土壤水储存变化及入渗量，以提供物理上一致的补给输入，用于驱动地下水模型。

**研究结果**

**模型验证与水力参数校准**
通过比较模拟与观测的地下水头，模型表现良好，均方根误差（RMSE）为1.4米，并能较好地再现独立观测的渗流量大小与空间分布。校准后的参数与现场测量、实验室测试及概念模型一致。PG堆的水平渗透系数（K_x, K_y）校准范围为0.1至1米/天，垂向值较低，符合其粉砂至细砂的质地。河口单元渗透系数较低（约5·10^-6至2·10^-2米/天），而潮汐河道填充物则被赋予较高渗透性，成为优先横向流动路径。下部含水层渗透系数约为10米/天。PG堆的给水度（S_y）收敛于约0.05。

**地下水水位动态**
模拟的地下水水位成功捕捉了PG堆内由降雨驱动的主要补给事件及随后的干期消退过程。大多数监测点的观测值与模拟值平均差异在±0.2米以内。模型还准确再现了河口单元中潮汐影响的传播与衰减，模拟的潮汐振幅与观测值匹配，相位滞后现象也得到正确反映。最终的水头分布显示，在PG堆最厚部分下方形成一个地下水丘，水头向池塘和边缘递减，定义了一个内部地下水分水岭和横向排泄路径。

**质量平衡**
模拟的450天水平衡表明系统接近动态平衡。总流入量（约1.31×10⁶ m3）主要由PG堆净补给和池塘直接降水构成，总流出量（约1.31×10⁶ m3）则主要由池塘蒸发损失（8.15×10⁵ m3）和向河口的横向排泄（4.99×10⁵ m3）主导。净储存变化极小（ΔS ≈ -5.68×10³ m3），数值残差接近于零（-0.27 m3），证实了模型的质量守恒。PG堆表面的渗流（1.43×10⁵ m3）和环沟排泄（5.45×10⁴ m3）为次要流出项。模型结果与概念模型估算及先前野外研究（如Pérez-López等，2015，2016；Millán-Becerro等，2023）在数量级上一致，支持了边缘渗流作为主要排泄机制的观点。

**管理启示与时间适用性**
虽然模型代表2015-2016年的水文条件，但2026年的卫星图像显示工艺水仍存在于主要池塘中，表明模型所表征的水力过程（如池塘补给、地下水径流、边缘排泄）在当前条件下仍具相关性。该模型可作为后运营期PG堆功能的定量基线，其核心价值在于识别主导流动路径和排泄界面，这些是未来监测与拦截的优先区域。

**结论翻译**
此项研究证明，PG堆表现为人为含水层系统，其水动力行为可通过基于物理过程的瞬态地下水模拟进行稳健量化。整合地层数据、水头观测和校准的水力参数表明，该堆体表现为一个低储存量、快速响应的系统。地下水位对补给事件有反应，但未显示持续的长期上升，支持了后运营期准稳态系统的观点。模拟的水平衡表明，补给是主要流入项，而池塘损失和向堆体边缘及潮汐河道的横向排泄主导了流出项。模拟的累计边缘流出量（约4.98×10⁵ m3）与先前研究在数量级上一致。微小的净储存变化和可忽略的数值残差证实，系统在模拟期内接近动态平衡，流入和流出基本保持平衡。与概念水平衡相比，数值工作流程通过明确分解池塘交换、地表渗流、环沟排水、边缘渗流和河口交换，提供了更详细的流出量划分。识别堆体边缘为主要排泄区，凸显了这些界面是监测和拦截潜在污染物释放的优先区域。除了韦尔瓦案例，所提出的工作流程为理解潮汐影响环境下大型磷石膏堆和其他人为含水层系统中的地下水流动、量化水平衡及识别优先污染物路径提供了可迁移的框架。这些结果为改进磷石膏处置场地的监测、管理和长期修复提供了定量依据。