地下核试验与环境保护

地下核试验与环境保护（精选6篇）

地下核试验与环境保护 第1篇

西南岩溶石山地区岩溶地下水示踪试验与分析-以湖南湘西大龙洞为例

围绕大龙洞水库成库条件调查中存在的疑点问题开展示踪工作.根据示踪试验区的水文地质条件,选择降雨时地表水向地下集中渗漏排泄的`狗肉寨极乐村洼地落水洞作为投放点,并在极乐村洼地落水洞的北东大龙洞地下河出口附近的鬼冲地下河、鬼冲泉和大龙洞地下河出口下方对岸100m处的Y034季节性水点(表层带岩溶泉点)及大龙洞地下河出口设置接收点,采用弱酸性红A荧光染料类试剂作示踪材料.示踪结果显示,鬼冲地下河、鬼冲泉和大龙洞地下河与投放点的连通性差;季节性水点Y034与投放点的连通性好;表明通过狗肉寨极乐村洼地落水洞汇集转化成的岩溶地下水与表层岩溶带季节性岩溶泉水水力联系密切,而与鬼冲地下河、大龙洞地下河之间则存在有地下分水岭.

作 者：邓振平周小红 何师意 罗英 DENG Zhen-ping ZHOU Xiao-hong HE Shi-yi LUO Ying 作者单位：邓振平,DENG Zhen-ping(中国地质大学,北京,100083;中国地质科学院岩溶地质研究所,广西,桂林,541004)

周小红,何师意,罗英,ZHOU Xiao-hong,HE Shi-yi,LUO Ying(中国地质科学院岩溶地质研究所,广西,桂林,541004)

刊 名：中国岩溶 ISTIC PKU英文刊名：CARSOLOGICA SINICA年，卷(期)：200726(2)分类号：P641.72关键词：大龙洞 弱酸性红A 地下水示踪

地下核试验与环境保护 第2篇

摘要：地下水核试验会产生放射性核素，人们非常关注它造成的环境危害。这种危害很大程度上依赖于物理和化学机理，这些机理控制着放射性核素如何进入地下水并将它传播给生物圈内的各种物种。在内华达州南部和美国其它的试验基地，相关的环境包括地下水中潜在的污染、它们对环境或农业所产生的影响，以及它们对那些可能会发生间接生态影响的地方的地表水源的极限排泄的环境。在南太平洋的阿留申群岛的海洋试验区，人们还对地下水中渗漏的放射性核素进入海水以及由此引起的对渔民和其它生物所产生的影响表示关注。

关键词：地下核试验 地下水污染

地下水核试验会产生放射性核素，人们非常关注它造成的环境危害。这种危害很大程度上依赖于物理和化学机理，这些机理控制着放射性核素如何进入地下水并将它传播给生物圈内的各种物种。在内华达州南部和美国其它的试验基地，相关的环境包括地下水中潜在的污染、它们对环境或农业所产生的影响，以及它们对那些可能会发生间接生态影响的地方的地表水源的极限排泄的环境。在南太平洋的阿留申群岛的海洋试验区，人们还对地下水中渗漏的放射性核素进入海水以及由此引起的对渔民和其它生物所产生的影响表示关注。

在内华达州的试验基地，进行了800多项核试验，其中约有1/3在地下水位下。仅在地下水位以下进行的试验中，放射性核素就有超过108居里的放射能，由于大部分的地下试验都位于地球表面之下几百米甚至更深处，因其特性很难获得数据，所除去的放射性污染物很少，很难评价其向公共水井或私人水井的流动走势。结果是对进入或移向地下水放射性核素的潜能的评价。尽管这样的模型设计得很容易理解放射性核素迁移过程所包含的复杂机理，但是它仍然能很好地对一些确实存在的特殊数据进行解释和综合评价。也有利于今后确认设计数据及其特性应用。本文作者在这样的模型研究中，讨论了几个更为独特的、需要相关步骤的，而且重点在地下水位下扰乱了的环境附近的试验。分析中，第一步要理解“扰乱的”环境自身――它是如何形成的，放射量在试验的工作地点是如何分配的。大部分的讨论是概念性的，考虑到了物理、化学和其它属于传统的传输模式范畴的、受较为复杂的相关冲击的影响。接下来，作者会讨论在放射物最终进入水中的过程，哪些是更重要的过程，以及将来放射物从试验基地移走的问题。最后，作者主要讨论根据这些工艺而设计的流线模拟设施，并对将来这个地方能进行什么样的工作进行讨论。

一、核试验影响测试

地下核设备的引爆会释放出大量的能量，使得试验点周围区域内相关的地质和设备材料发生蒸发。实验产生的高温和压缩的震动波会使试验点生成空隙和裂隙或者改变洞壁上的结构。孔穴是汽化作用和原始的地质介质的压缩所造成的。孔穴的大小(或半径)可以根据爆破能的作用力、埋藏的深度以及地质介质的强度而估算出来。孔穴最大尺寸在爆炸发生后的1/10秒内即可达到。在接下来的几秒钟，发生爆炸、温度冷却、气压消散、孔穴内气体的成分开始按顺序冷凝，冷凝顺序按相对蒸汽压或沸点进行。首先，岩石和重放射性核素元素，同墙内壁上的熔融岩块一起，在洞的底部积聚成熔融的泥胶土。试验几小时或几天后，上面的材料坍塌进入洞内，形成一个垂直的“碎石”竖井，这个“竖井”随着地面的扩大而扩展，在那里形成一个弹坑。部分倒塌的材料会落入熔融胶泥体内。如果最初的爆炸点位于地下水之下，则地下水此时会再次涌入洞内。

二、放射性核素的分布

放射性核素同地下水的核爆炸有关，核反应与爆炸有关，并在地质介质中生成活性产物。在爆炸后几秒到几小时的时间内发生的复杂的动力学过程，控制着最初的化学成分以及空间的分布。大多数放射性核素蒸汽在孔穴扩张时存留在孔穴内。这是因为在周边的介质内的压缩处于均衡状态，这种均衡状态是由于流出的震动波和随后地质介质回弹到爆炸点，压缩空气趋向封闭和封密状态，潜在的驱动压力从旁路流失的结果。要注意还有一例外情况，会导致少量的放射性核素蒸汽从洞区流出，发生“即时性注入”在冷却和冷凝过程中，具有较高的沸点的重放射性核素，如241Am和239Pu，首先发生的冷凝在正在凝聚的熔融玻璃体中变为一体。沸点较低的放射性核素，如氚（3H）、36CL 、22Na、129I，稍后冷凝，尽管有一些在熔融相中也可以找到，但通常沿着洞壁和洞内的碎石表面以及竖井的较低部分进行。理论上放射性区域总是视为一个以试验点为中心的球体，从地震井内的观测来看，其半径在1.5m之间变动。其它的放射性核素，如85Kr、90Kr、137Xe，可在无压缩的气体内存在，如果环境允许，还会在体积变化中产生运动。总体来说，气体的置换会促进蒸发的重新分配，置换作用与洞体坍塌、浮力、分子扩散有关，在气体可以进入的、不饱和空隙空间内进行。一些放射性核素，90 Sr、137Cs，都会在熔融区外面发现，它们是一些只能短期存在的物质如85Kr、137Xe等衍生物的产物。对试验所产生的放射性核素的总量，通常用试验的设计和放射性核素的特征性数据进行估计。对熔融玻璃体内物质的区分、置换体积、不压缩的气体分数，也可根据多次实验所得到的特征数据以及元素的热力学能估算出来。作为实验产生的函数，可以用来估算试验中所产生的熔融玻璃体的总量。Olsen（1993）建议，每千吨的试验场地可以产生约700吨的熔融玻璃体。放射性核是如何在熔融玻璃体内进行冷凝的，以及冷凝后在岩块和回流的地下水中化学状态，人们知之甚少。已经知道熔融体相是混合了气泡和大块玻璃体的各向异性的角砾石，通常内部混合物有落下来的碎石，这些碎石的物化性能和放射性核素的含量是不同的。大部分玻璃体保留了母体岩块的化学组成。在碎石内，当蒸汽冷凝或地下水回流到洞里时，冷凝的放射性核素会从空隙中溶入回流的水。它们会根据当地的地理环境，形成液体核素，也可能根据地下水的速度返回并接近不饱和区，从洞内或竖井区移出。对一些放射性核素来说，尽管已经对钻孔内的.水样进行了测定，但是仍需要对它们真实的含水量以体积交换的空间分布作出更为精确的评价。

三、影响放射性核素迁移的因素

1．模拟分析的原始条件

严格地讲，放射性核素在试验中的相对移动，在试验一爆炸时就发生了，或称为“零时间”，这是因为它们的蒸汽在洞内和变换体积时分布和冷凝所造成的。然而，放射性核素在地下水中的迁移似乎应发生在“零时间”几天或几个月后，当地下水回流到洞和竖井内之后才更合乎逻辑，且由爆炸所引起的、复杂的动力学变化在这个时间已经结束。假定放射性核素的数量可以预算出来，则“原始”状态可以假定为熔融玻璃体内各组分平均分配，洞周边发生置换的体积为理想球形。这种假定方法对熔融玻璃体和置换容积的尺寸的估计值是有效的，放射性核素在这些区域内的含量的变化在计算过程中不属于重要的参数。另外。Guell注意到，在这种方法中，不冷凝的放射性核素的初始分布大体上是近似的。放射性核素从这种“原始”状态进行释放，受下列因素的影响：地下水流动及传输过程、不同温度、熔融玻璃体的分解、与物种、吸附作用或沉淀反应相关的地球化学性质。这些观点将在下面进行讨论。

2．地下水的流动

相对于试验的前提条件，地下水在洞和竖井内的流动可能会因为岩层渗透性的变化而变化，渗透性的变化可能会发生在坍塌的竖井内，也可能发生在与洞体和竖井相邻的新鲜的介质上。在坍塌的竖井内，这些变化与坍塌材料的类型及其填入洞内的途径有关。较硬的岩块一般会裂成较大的碎块，这种大型碎块在一起空隙大，渗透性强。相对试验前，这样的条件适于加强地下水在这些区域的流动。在淤积系统内，坍塌的材料更多地“跌落”于自然界中，导致相同的更低的渗透性和空隙体积。在一次实验中，坍塌现象总会伴随着失败，从而导致更大范围的当地地下水流的变化。

在邻近洞体和竖井的原始介质中，可能会发生两种类型的渗透性变化。在洞体边缘和底部周围的区域内，在“压碎区”的上方会形成一个剪切断裂增加的区域，该区的渗透性和空隙增加。在这些区域之上，渗透性可能会增加，但是会随着距离半径的增加而迅速减少。总之，作者对环境的研究已不再局限于对隧道和地上凿洞等杂乱区域的观测，也不再局限于对“竖井”上表面的气体渗透性的测试。

除了对少量的熔融玻璃体片断进行实验室测定，人们对原位熔融玻璃体区内的渗透性和空隙知道的并不多。这些区域呈现明显的不均匀性和潜在的断裂，并拥有一定程度的裂隙渗透性。相反，熔融玻璃体的分散会形成变化的物质，这些物质充满裂隙的空间，减少可渗透性。

3．热力学影响

爆炸后核试验所产生的残留热量，当地下水回流到竖井系统之后，会再存留几年的时间。试验热量的存在会改变周围的地下水的流动，减少或增加纵向的、受浮力驱动的流动，热值超过天然地热。更高的温度会增加放射性核素从熔融玻璃体中的释放速度。流过这些地区的地下水的流动速度和导热系数受控于试验热量的流失。因为热的传导速度相对较慢，热量存留在系统中的时间长度可用来计算地下水在热量区的整体流动速度，通过推理，还能得出该地区的渗透性。该事实已被Maxwell和其助手（），在内华达试验场进行的CHESHIRE实验中开发，用于推断熔融玻璃体、洞体、竖井以及原位的火山岩的渗透性。CHESHIRE核试验模拟了一系列的温度曲线，该曲线用斜孔试验中所收集的3种温度录井资料进行校准。这些录井资料数据表明残留的热量最初集中在熔融的玻璃体内，火山岩内热量仅比熔融玻璃体稍高。模拟实验表明残余的热量在试验50年后才能散尽。

四、结 论

地下核试验与环境保护 第3篇

地下工程是指修建在地表以下地层中的工程结构物, 即在地下开挖的各种隧道、洞室等工程设施。近年来, 随着科学技术的迅猛发展和人类文明的进步, 地下空间的作为一种新型资源被充分利用, 如今已广泛应用于矿山、交通、水利水电、通讯、能源储备以及国防等诸多工程领域。通常认为地下工程具有良好的抗震性能, 长期以来未受重视, 然而在1995年日本阪神发生了大地震, 地铁车站、隧道等地下工程遭受严重破坏[1,2,3,4,5], 打破了多年来地下工程设计偏于安全的神话, 自此之后, 逐渐引起了专家和学者们的重视, 并根据各个国家和地区的地质环境和地震制定了相应的抗震规范[6,7,8,9]。

理论上讲, 在解决现实工程问题时最具有工程意义和说服力的是原场试验, 但由于试验地质环境复杂、工程量大、投入经费多、可复制性差等原因无法得到普遍应用, 只能寻求近似等效的方法来解决。目前各国的抗震规范解决地下工程稳定性的方法主要有理论分析法、数值分析法和模型试验法三种。其中理论分析法侧重于在较多假设条件下结构简单的连续体模型, 利用力学理论、波动理论等知识来推导出理想化的解析解, 在解决结构复杂的非线性工况时就显得无能为力, 也只能从近似或定性方面推断;数值分析法是基于有限元、无限元、有限差分、边界元、离散元等计算机方法求得工程计算模型近似解的方法, 常用数值分析软件如Flac3D、Ansys、Ls-Dyna等来实现, 这些软件也是基于连续介质力学, 在处理岩石、混凝土类材料时本身存在一定的局限性, 但由于建模方面, 费用低, 计算量大且迅速等优点, 结合动力时程分析方法和反应谱分析方法也在工程上得到了广泛应用;模型试验方法是控制边界条件和材料特性, 通过制作与实际相似的物理模型来模拟原场地质环境 (简称为原型) 和力学状态, 应用现代化的试验加载和监测手段进行有目的、多角度研究, 同时此方法比现场试验规模小、试验周期短的优势, 现已成为地下工程结构损伤、破坏和抗震防护的主流方法。

实际上, 地下工程问题大多处在半无限空间里, 地质环境复杂, 力学状态很难确定, 单从一种方法分析是很难合理解释清楚的, 通常是三种或两种方法结合来对比分析, 如文献[10]将埋入式抗滑桩振动台模型试验与数值计算作了对比研究。然而, 三种方法都是通过近似等效模型来简化现实工程环境和力学状态, 显然会出现方法误差、随机误差、系统误差、测量误差等不可避免的问题。本文就以相似物理模型试验这一方法为例, 考虑其能否真实地表征实际工程环境并如何合理选取控制量进行了探讨, 从而为今后的学者在误差分析和模型试验结果预测方法提供依据。

2 试验部分

2.1 相似理论及基本假设

相似理论是阐述自然界中各相似现象相似原理和规律的学说, 它在工程界中主要应用于指导是模型试验, 通常三个相似准则组成。在制作和设计本文所相似物理模型时, 只有满足相似准则并保证与原型相似, 才能通过模型试验结果推算或折算出原型的相应结果。本文就以双车道公路隧道为例, 在满足单值边界条件的前提下建立相似物理模型试验来进行研究。

考虑到公路隧道在自重应力或外荷载作用下的稳定性问题是众多学者比较关注的, 故本文采用重力相似律来对模型进行制作和设计。重力相似律虽然放弃了弹性恢复力的要求, 但在观测隧道的破坏机理和在极限平衡状态下 (临近破坏阶段) 的规律是最有代表性的[11]。同时, 本文没有考虑相似物理模型在动力荷载作用下的响应分析, 仅考虑隧道在开挖和应力释放后增加了衬砌支护的稳定性, 这可将对所需的控制量参数做以简化, 如式1所示:

这些量依次分别表示:长度、密度、加速度、力、应力、应变、摩擦角、弹性模量、泊松比。其中前三项为基本控制量, 为便于制配相似材料和计算, 进一步做如式2和式3的设定:

其他参数均可由这三个基本控制量和无因次的量纲参数推导出来, 具体如式 (4) - (9) 所示:

抗剪强度和粘聚力是无法达到绝对相似的, 只能通过其他控制量来保证, 这也是目前很难做到模型与实际工程地质全面相似的重要原因。

2.2 模型单值性条件设定

任何试验都难免会出现一些误差, 特别处理一些非线性工程问题时, 人们只能用曲线拟合或一些修正参数来预测试验结果, 本文提出的双车隧道稳定性问题就是一个典型的例子。鉴于绝对大多数试验是无法进行足尺的原型试验, 且很难在较短的时间内严格按照相似关系制作出不同相似参数下的相似物理模型, 本文通过Fl AC3d这一应用数值软件来进行数值模拟。将在原型尺寸 (即相似常数为1) 的特征值参量数值为最可信赖的数值 (或称真值) , 将相似常数为10、20、30、40和50的数值为间接得到的值, 通过误差传递公式和标准差分析来确定, 同时增加双车隧道的上覆埋深来判断不同相似常数的模型变形状态。

双车隧道的计算模型是按照“自重应力计算-开挖-加初衬”顺序进行设计的, 且原型和相似物理模型的网格及尺寸完全按照相似理论设计, 如图1所示的是相似常数C为10时的计算模型:

具体的几何参数和边界条件如表1所示:

同时, 模型中各材料物理力学参数如表2所示:

模型的监测点布置在隧道的拱顶->拱底的位置等角度 (9°) 布置的, 在开挖过程中, 监测点在毛洞的洞壁上, 而增加了初衬后监测点坐标则相应的向隧道中心点减小衬砌厚度的数值, 即此时监测衬砌内壁的变形状态。

3 试验结果分析及结论

本文分别考虑了地下双车隧道在开挖和应力释放后增加了衬砌支护的特征点变形参数, 与不同相似常数、不同上覆埋深下的相似模型特征点参数作对比分析。由于位移的变化具有累积效果, 而应变和应力状态则是瞬时的且易实现物理相似, 本文就以监测点的位移曲线来对试验整个过程的变形状态进行判别。在开挖阶段拱顶的位移曲线如图2所示:

从图2不难看出, 虽然模型能够保证几何相似, 但无法保证物理相似, 故相似物理模型是不应做开挖阶段的模拟与预测的。开挖后隧道因自重应力作用会出现应力释放现象, 同时应力会重新分布, 这时增加初衬支护就是为了防止隧道发生失稳破坏, 此时隧道内壁拱顶监测点的位移曲线如图3所示:

显然, 如果在没有出现大的位移或发生失稳破坏等情况下, 应力、应变等变形形状态是可以保证与原型相似的, 此时双车隧道的物理模型试验能否近似真实地表表征原型情况, 还应进行误差分析。拱顶的位移绝对误差曲线和相对误差曲线分别别如图4和图5所示:

从误差曲线图可以看出, 足尺 (即原型) 的模型试验误差最小, 随着相似常数的增加 (模型尺寸变小) , 绝对误差呈上升趋势, 相对误差在相似常数为30时达到峰值。综合表明, 在相似常数为10和20时, 相对误差和绝对误差较小, 比较适合在这个相似常数下进行相似物理模型试验。同时考虑到试验场地要求和所需材料、人工等费用, 建议双车隧道的相似物理模型试验采用相似常数为20最能表征实际工况。

4结论及展望

本文以公路双车道为例, 提出了一种地下工程相似物理模型试验与数值计算结果特征参数的误差分析方法, 分别考虑了其在开挖和应力释放后增加了衬砌支护的特征点变形参数, 并与不同相似常数和不同上覆埋深下的相似模型特征点参数作对比分析, 得到的结论:

(1) 相似物理模型试验是实现模型与原型的全面相似, 但可根据试验的目的而放弃一些参数的对应关系。如弹性恢复力、抗剪强度和粘聚力等;

(2) 地下双车隧道的相似物理模型试验无法保证隧道开挖过程中的特征点参数物理相似, 因而是不适合做开挖过程的变形和破坏机理方面的监测和预测;

(3) 双车隧道相似物理模型试验在衬砌支护后特征点参数能够保证物理相似, 但仍有不同程度的误差。监测点的绝对误差会随着相似常数成正比, 而相对误差会有波动, 因试验场地要求和所需材料、人工等费用限制, 本文建议在相似常数为20时比较适合双车隧道的相似物理模型试验。

摘要：作为当前研究地下工程整体稳定性方面的主流方法, 相似物理模型试验通过控制边界条件和材料特性, 制作与实际地质环境相似的物理模型, 应用现代化的试验加载方式和监测手段进行有目的、多角度研究, 从而降低了试验规模, 节约了试验成本并缩短了试验周期。然而, 相似物理模型能否真实地表征实际工程环境并如何合理选取控制量是当前急需解决的问题。本文以公路双车道为例, 提出了一种地下工程相似物理模型试验与数值计算结果特征参数的误差分析方法, 分别考虑了其在开挖和应力释放后增加了衬砌支护的特征点变形参数, 并与不同相似常数下的相似模型特征点参数作对比分析, 得到的结论是:一是相似物理模型试验无法保证隧道开挖过程中的特征点参数物理相似, 因而是不适合做开挖过程的变形和破坏机理方面的测试研究;二是相似物理模型试验在衬砌支护后特征点参数能够保证物理相似, 但仍有不同程度的误差, 在相似常数为20时的误差相对较小且经济合理。

关键词：相似模型试验,对比分析,数值模拟,公路双车道,相似常数

参考文献

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[8]范立础等.高架桥梁抗震设计.北京:人民交通出版社

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地下核试验与环境保护 第4篇

内容摘要：针对黏性土地区考古现场地下水排水困难的问题，采用了构筑人工填砂导水排水沟的方法，在考古探方周边形成导水排水体系。现场模拟试验证明，该方法不仅能够排除黏性土中的地下水，而且能够隔断毛细水运动，从而有效控制地下水位，防治考古探方渗水，保障考古工作顺利进行。该方法同样可用于潮湿环境地下水浅藏地区的遗址保护和陈列馆渗水防治。

关键词：潮湿环境；黏性土；考古；地下水

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）02-0095-05

Abstract： This study aims to solve the problem of underground water drainage happening in archaeological sites in cohesive soil regions. The method is to build drainage ditches artificially filled with sand so as to form a drainage system surrounding tombs under excavation. Experiments show that this method is useful for the discharge of underground water from cohesive soil and the obstruction of capillary action， which will efficiently control the underground water level and protect the tomb from water seepage， thus ensuring the proceedings of archaeological work. The same method can be used in the shallow underground water of humid environments， not only for the conservation of ancient sites， but also for preventing seepage in galleries.

Keywords： humid environment； cohesive soil； archaeology； underground water

引 言

在我国长江流域的下游地区，人口分布比较密集，大小城市星罗棋布，社会发展历史悠久，人类活动留下了众多的遗迹。这些遗迹记录着人类发展的历史过程，记录着古代人类生活生产方式，记录着当时的生产力发展水平，记录着科学技术的发展过程，也记录着自然环境的演化过程[1]。其内容博大精深，是中华文明探源工程[2-5]的重点区域。这类地区的自然环境相对优越，地势宽广平坦，以平原和缓坡丘陵为主要地貌形态，大气降雨量比较充沛，河流湖泊发育，地表水、地下水资源丰富，土壤以河湖沉积物为主，黏性土分布面积广，植被覆盖度高，物产丰富。从环境干湿度来讲属于潮湿地区或潮湿环境[6-7]。

在潮湿环境开展考古发掘，往往受到渗水和积水的干扰，严重时甚至造成水灾[8]，使考古发掘难以进行。为此人们首先想到的办法是在考古挖坑中一边排水一边发掘，但这样往往会使发掘坑变成泥坑，不仅增加了考古发掘的难度，而且对土遗址文物造成损坏，丧失许多有价值的信息。人们也试想采用在发掘探方周围打井排水的办法来降低地下水位[9]，但是，黏性土地层的弱透水性特征，使得打井排水不能奏效[10]，就是在边长5m的探方周围打上4眼水井，也不能控制地下水位，也不能阻止黏性地层中地下水在探方缓缓渗出。可见，防治考古发掘坑中的渗水是潮湿环境黏性土地区考古现场面临的一个重要问题。

为解决黏性土地区考古现场渗水困扰的难题，保障这类地区考古发掘工作顺利开展，遏制地下水对遗址，尤其是土遗址发掘的影响，为这类地区文化遗产的研究和保护消除不良环境危害，我们经过几年的调查研究，运用水文地质学理论和方法，设计了人工填砂沟导水排水方案，并经过实地现场试验，证明该方案能够有效地排除黏性土地层的地下水，降低考古现场周围的地下水位，同时能隔断黏性土中的毛细水运动，从而有效遏制或消除考古探方渗水问题。

1 试验部分

1.1 试验设计

试验场地选择在位于长江下游的浙江省科技考古与文物保护技术研究试验基地，该区为潮湿环境黏性土地层分布区，地下水位埋藏深度小于1m。在这里选择一块平地，按照1984年文化部《田野考古工作规程（试行）》通常的田野考古发掘坑的面积大小[11]，布置5m×5m的考古探方，探方四边向外扩1.0m形成7m×7m的正方形，再向外扩1m形成9m×9m的正方形。然后在最大正方形的三个内角和一边中间的内侧各布置井孔（图1a），井径0.3m，井深要求超过考古探方深度0.5m—1.0m。4眼井均按抽水井要求成孔。成井以后，待井中水位稳定后观测其静水位，确定考古现场地下水位的埋藏深度。然后选取其中1眼井为抽水井（1号井），其他3眼井为观测井，进行抽水试验和水位恢复试验。水位观测采用地下水位记录仪，记录间隔设定为10秒；如果用人工观测，时间序列设定为：10秒、20秒、30秒、1分、1分30秒、2分、3分、4分、5分……直到水位降到井底。抽水停止后的水位恢复观测时间序列与上述相同，直到水位恢复到原始水位（静止水位）。

场地原状黏性土地层抽水试验完成以后，沿9m×9m正方形边线内侧开挖宽1.0m、深度超过考古探方设计深度0.5m的沟槽，充填透水性能好的砂砾（卵）石，临近地面0.2m填上原状黏土层，与原来地面保持一样（图1b）。这样用人工充填的透水层将原先打成的4眼水井联通起来，形成闭合的填砂导水沟。填砂导水沟施工完成，待井中水位恢复到静止水位，再次进行抽水试验和水位恢复试验，抽水井、观测井的布置与观测方法与第一次试验相同。

对比分析填砂导水沟建成前后的两次抽水试验结果，验证填砂导水排水沟设置的作用，验证该方法对考古现场地下水的控制效果。

1.2 黏性土原状地层中的抽水试验

2014年6月20日试验工作人员进入模拟考古现场场地，按上述规则布置了地下水抽水试验场地及井孔位置，聘请当地打井队钻进，7月2日成孔。随后连续3天观测各井水位，待地下水位稳定后，测定了各井的地下水静止水位，确定了试验场地地下水位埋深约0.6m。随后以1号井为抽水井，其他井为观测井，于7月6日做了场地原状黏性土地层地下水抽水试验和水位恢复试验。试验类型属非稳定试验[12]，试验全过程中抽水井和各观测井水位变化监测结果如图2所示。

抽水试验以定流量Q=51.87L/min进行抽水，仅仅用了1.5min，1号井中的水被抽完，抽水井水位下降迅速，抽出水量总计77.80L，观测到的水位降深s=2.45m。抽水停止时算起的水位恢复观测时间t =800mins，水位恢复比较缓慢。2号、3号、4号观测井水位在整个试验期间变化十分微弱，水位线紧靠横坐标轴没有明显变化（图2）。

1.3 填砂排水沟建立后的抽水试验

黏性土原状地层打井抽水试验完成后，按照试验方案，聘用民工和试验技术人员一起经过15天的开挖沟槽、填筑砂砾石，建成了预先设计的填砂导水排水沟。待试验场地地下水位恢复到原始水位后，于2014年7月23—24日，进行了模拟考古场地填砂排水沟建成之后的抽水试验，仍然以1号井为抽水井，2—4号井为观测井，抽水设施和试验方法与原状土地层抽水试验基本相同。试验类型同样属于非稳定试验，试验全过程监测的抽水井和各观测井水位变化如图3所示。

填砂导水排水沟建立后的抽水试验和水位恢复试验，平均抽水流量Q=0.84m3/h ，抽水延续时间tp=4.5h，井中水位降至井底后停止抽水，抽水井观测到的水位最大降深s=2.41m。随后开始水位恢复，延续恢复时间t =29.5h，直到抽水井、观测井中水位恢复到了抽水前的静止水位，即水位埋深0.6m。

2 试验结果讨论

2.1 填砂排水沟建立前的抽水试验讨论

黏性土原状地层地下水抽水试验表明，抽水井水位降深从0—2.45m变化，时间仅仅为短暂的90s。在这短暂的时间内抽水井水位迅速下降，图2所示的水位下降曲线紧贴纵坐标轴。短暂的抽水时间从井中抽出的水量只有0.0778m3（77.8L）。这些水量主要是抽水井井管中的积水，几乎不包括周围黏性土地层的渗出水。这说明黏性土含水层虽然处于饱水状态，但透水性和给水性能很差，不可能在短时间渗出[13-14]。试验显示该黏性土地层的渗透系数k=9.4362×10-7cm/s，对应的给水度μ≤0.10。 从水位恢复情况来看，抽水停止后800mins，抽水井水位恢复离静止水位约0.2m，第二天的观测表明，抽水井水位需要24—28小时才能恢复到抽水前的静止水位。这充分说明试验场地黏性土地层中的水渗入井孔速度是十分缓慢的。

从图2还可以看出，抽水井水位下降、恢复过程中，观测井水位几乎没有下降的迹象，就是距离抽水井4.5m的观测井也不例外。仔细观察才可以发现，在整个试验进程100mins后观测井水位有很微弱的下降反映。这一重要现象说明，周围黏性土地层中的水分缓慢向抽水井补充，也说明场地黏性土渗透性能的确很差。在这种地层中直接打井排水是不可行的，不能达到排水降低水位的目的，不能控制考古现场的地下水。

2.2 填砂沟建立后的抽水试验讨论

人工填砂排水沟建立后的抽水试验表明，抽水井水位降深从0—2.45m变化，抽水时间需要4.5h，总抽水量达3.86 m3。抽水井水位变化比较缓慢，这说明填砂排水沟具有良好的渗透性能和给水性能，其中所含水量能够不间断地向抽水井渗流补充。现场渗透试验得到填砂层的渗透系数K=4.463×10-2cm/s，对应的给水度μ=0.32。从水位恢复情况来看，抽水停止1小时内抽水井水位恢复很快，停抽后的8小时内水位恢复较快，然后逐渐变慢，直到25小时后，抽水井水位和观测井水位均基本恢复到静止水位。

从图3可以看出，抽水井水位下降过程中，观测井水位变化明显，具有与抽水井水位同步变化的特征，距离抽水井越近的观测井水位下降越明显。这说明抽出的水量既包括人工填砂沟含水层中的水、抽水井和观测井井管中的积水，也包括周围黏土地层中的少量渗水。从水位恢复曲线来看，水位恢复的时间仍然长达24—30小时，这说明从黏土地层中的地下水渗入填砂排水沟的速度是十分缓慢的，而排水沟中的积水进入抽水井被排出是比较迅速的。可见，只要考古探方外围黏性土中的地下水渗入填砂排水沟，就很容易渗入抽水井被排走，就能够有效控制黏性土地区考古现场的地下水。

通过填砂排水沟建立前后的抽水试验可以看出，填砂排水沟的建立显著地改变了地下水的渗透性能和径流条件，利用人工建立砂砾石导水排水沟，可以有效控制黏性地层考古现场的地下水，只要及时抽出填砂排水沟中的地下水，就能保证考古探方没有地下水渗出，就能保证考古工作不受地下渗水的影响。这些效果已经在试验场地模拟考古发掘后续试验研究中得到了验证。

3 结 论

长江下游黏性土层分布地区属典型的潮湿环境，具有水源丰富、地下水埋藏浅的特征[15]，在这类地区进行考古发掘，往往受到地下渗水的严重影响。采取措施有效控制黏性土中地下水，排除地下水对考古现场的干扰，是一项保障考古工作顺利进行，保障遗址本体免遭破坏的关键技术问题。

黏性土含水层渗透性和给水度极差，直接打井抽水不能排走其中的水量，不能达到降低地下水位的目的，不能遏制渗水对考古发掘的严重影响。

现场试验证明，在黏性土层地下水浅埋地区考古探方周围建立人工填砂排水沟，能使渗透系数k由9.4362×10-7cm/s增加到4.463×10-2cm/s，

给水度μ由小于0.10提高到0.32，能起到疏导地下水流动和顺利排走地下水的作用，能够有效降低地下水位，防止地下水向考古探方入渗，保障考古工作不受渗水的影响。

人工填砂排水沟不仅能疏导排泄黏性土层中的地下水，而且能够阻隔黏性土层毛细水的运动。该项技术完全适宜于黏性土层地下水浅埋区考古现场渗水问题的防治，也适用于这类地区遗址陈列馆渗水的防治及地下水的控制。

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地下核试验与环境保护 第5篇

地下水环境影响评价方法与治理研究

摘要：本文叙述了地下水环境影响评价工作要点、方法与治理研究以煤矿开采地区为例说了其情况与问题。论述地下水环境影响评价的重要性，讨论了地下水环评工作的等级划分原则、地下水环境调查的工作内容和重点、地下水环境脆弱性评价。针对煤矿开采对地下水污染的问题,首先分析了煤矿开采对地下水污染的影响因素,然后通过对研究区域地下水污染物组分的分析,考虑各种评价方法的优缺点,采用模糊综合评判法,对煤炭开采对地下水的污染做出了比较合乎实际的评价。最后,对防治煤矿开采对地下水污染工作提出一些建议。关键词：煤矿开采；地下水；环境影响；评价煤炭开采对地下水资源的影响

煤炭开采包括露天开采和井工开采，其中井工开采占94%左右不论哪种开采方式，均易产生地下水环境问题 煤炭开采对地下水资源影响复杂多样，在煤炭开各个时期(采期坑排水期以及矿山尾矿矸石堆积期)都可能对地下不同位置(浅层 中层和深层)改变地下水场流及补径排条件，对地下水资源水量、水质、［2 － 6］水平衡等方面产生深远影响 ［1］

1.1 水量与水循环影响

水资源和煤矿共处于一个地质体中，通常施工单位为了能够维持正常的采矿模式，确保采煤工作面能够横向和纵向的发展会在采矿的同时把工作面周围的水和潜在的水全部排出开采使围岩变形和移动，煤系地层上覆岩层直至地面，出现

［7］冒落带弯曲带和垂直向裂缝带 煤系地层中的水和散松岩类地层中的水快速向

下渗透，形成区域性地下水位降落漏斗区，浅中层的水位逐年被下降并被输干;随着开采深度的加大，深层含水层的水也被截留转化为矿坑水被排出，以矿井为中心的地下水位下降漏斗区范围和幅度不断扩大，在其影响范围内，地下水流动加快，储存量不断减少［4］

因岩层破坏和地表裂隙或塌陷作用，原有的蓄水构造和地下水补径排条件发生变异［8 － 9］地表径流与采区上含水层与采区之间的水力联系通过采动地层沟通［4］ 地表径流基流和潜流中各有一部分或全部由以横向运动为主，变为以垂向运动为主，向矿坑汇流转为矿坑水或渗透地下转为地下水的运动;同时，降雨入渗速度加快 蒸发量减少地下水则由以前的基流和潜流排泄为主，变为以矿坑排水为主［2］;同时，因局部承压水转为无压，含水层变为透水层，地下水调蓄能力降低，向地表水补给量减少这样整个区域地表水地下水均衡系统遭到破坏，造成大面积疏干漏斗泉水干枯水资源逐步枯竭以及河水断流，一定程度上加剧地区的供水紧张问题。

1.2 水质影响

地下水水质的污染源主要来自受污坑井水和煤矸石等固体废弃物。

1.2.1 矿井水造成的水环境污染［4 － 10］

矿井水的污染一部分来开采过程中的井下粪便，煤沙尘，废坑木的腐烂，废机油 废酸液，井下洒水及防火灌浆水等，一部分来自煤层围岩中的硫化物矿物与氧气水接触在微生物的催化作用下，经过一系列复杂的地球化学反应产生的酸性矿井水这些污染物包括汞铅铬等重金属;氟化物氰化物等无机毒物以及无机酸盐类和无机悬浮物等受污染的矿井水在大量未经处理的情况下，一部分通过岩层

裂隙直接下渗到下腹地层，一部分排出地表后，首先污染地表水，继而在流经碳酸盐岩渗漏段时，或随河沟循环流动时再次入渗地下污染地下水此外，大气污染通过大气降水入渗也会产生地下水。

1．2．2 煤矸石等固体废弃物造成的水环境污染［4 － 10］

露天堆放的煤矸石长期经风化降雨降雪淋溶和自身所载水分的作用，产生一系列的理化变化，有毒有害成分随淋溶水向地下渗透，在土壤中浓缩聚集，向地下水中迁移，污染地下水资源其中含有的有害杂质包括硫化物，碳酸盐类混合物，可溶性无机盐以及汞砷氟氯等微量元素此外，选煤厂在煤炭选洗的煤泥水接纳矿区污废水的塌陷坑水体，对地下水都有不同程度的污染在水循环失衡状态下，这些有毒有害物质的释放对水环境造成严重的威胁。煤炭开采地下水环境影响评价

地下水环境影响评价的主要任务是进行地下水环境现状评价和项目的环境影响预测，评价项目实施过程中对地下水环境可能造成的直接影响和间接危害，并针对评价结果提出防治对策，保护水资源，为项目实施提供决策选址管理等科学依据主要涉及确定评价等级现状调查与评价影响预测［11 － 13］

2.1 评价等级的确定

2．1．1 项目分类

依据导则［12］，Ⅰ类项目指在建设生产运行和服务期满后的各个过程中，可能造成地下水水质污染的建设项目;Ⅱ类项目指在建设生产运行和服务期满后的各个过程中，可能引起地下水流场或地下水水位变化，并导致环境水文地质问题的建设项目依据前述分析和导则项目分类，煤炭开采属于Ⅱ类但考虑目前企业节水意识增强，矿井水多能全部回收，水质污染多因煤矸石等固废堆积，因此建议井田(矿田)开采范围确定为Ⅱ类，煤矿工业场地和排矸场地确定为Ⅰ类，进行分区域分类开展地下水环境影响评价工作。

2．1．2 评价级别的划分

Ⅱ类项目根据建设项目地下水供水(或排水注水)规模引起的地下水水位变化范围建设项目场地的地下水环境敏感程度以及可能造成的环境水文地质问题的大小等条件确定 据不完全统计，全国煤矿每年疏排矿井水超过2亿 m3，而煤炭的大规模开采造成的采空塌陷地面裂缝区。域地下水位下降煤矸石堆放矿坑排水等一系列地质灾害和地质环境问题也是显而易见的［1 － 10］ 依据导则中的建设项目供水(或排水注水)规模建设项目引起的地下水水位变化区域范围和建设项目造成的环境水文地质问题大小这三项指标，很容易判断煤炭开采评价级别为二级及以上［12］ 评价级别判定时，地下水排水量应采用经国土资源管理部门批准的矿井(田)地质勘探报告中确定的矿井(田)正常涌水量地下水环境敏感程度的划分中，水土流失重点防治区建议按水利部公告［2006］第 2 号水利部关于划分国家级水土流失防治区的公告中规定的水土流失重点预防保护区执行。

2．2 现状调查与评价

依据导则[12]，煤炭开采建设项目的地下水环境现状调查与评价的范围包括开采项目建设 生产运行和服务期满后三个阶段的地下水水位变化的影响区域，以

及相关的环境保护目标和敏感区域，如已有 拟建和规划的地下水供水水源区，地下水环境影响的敏感区域(如重要湿地与地下水相关的自然保护区和地质遗迹等)，可能出现环境水文地质问题等主要区域必要时应扩展至完整的水文地质单元，以及可能与建设项目所在的水文地质单元存在直接补排关系的区域。

2．2．1 现状调查监测

地下水的现状调查监测包括污染源调查地质现状调查地下水环境现状监测环境水文地质勘查与试验。

地下水污染源调查调查按工业污染源调查技术要求及其建档技术规定的要求进行 煤炭工业对地下水环境可能造成的污染影响仅限于工业场地排矸场地附近，对于矸石属性鉴别为Ⅰ类一般工业固体废物的煤矿建设项目，建议煤矿建设项目污染源调查按工业场地排矸场地确定的评价类别和级别开展地下水污染源调查工作，井田(矿田)开采范围可简化污染源调查工作除项目自身污染源调查外，同时搜集已有污染源调查资料。

地质现状调查包括一般性地质资料收集，水文地质条件调查和水文地质问题调查，具体参见导则针对煤炭开采项目，调查应注重对评价区土壤和植被状况;地层岩性地质构造地貌特征;包气带岩性结构厚度;含水层的岩性组成厚度渗透系数和富水程度;隔水层的岩性组成厚度渗透系数;地下水类型地下水补给径流和排泄条件集中供水水源地或水源井的分布情况(包括开采层的成井的密度水井结构 深度以及开采历史)与项目位置关系以及与地下水有关的其它人类活动情况调查，如保护区划分情况等方面的调查。

2．3 影响预测

影响预测是对建设项目在建设生产运行和服务期满后三个阶段，对地下水水质水位 水量动态变化的影响及由此而产生的主要环境水文地质问题的预测。

2．3．1 预测范围与时段

预测范围可与现状调查一致，由于煤矿建设项目井田(矿田)范围较大服务年限长达几十年甚至上百年，且项目的工程设计仅对项目投产20 年的工作面进行排产方案设计，因此，建议按照远粗近细的原则，重点进行运行期前20年煤炭开采影响范围的地下水环境影响预测。

2．3．2 预测因子与方法

Ⅱ类建设项目预测因子应选取水位及与水位变化所引发的环境水文地质问题相关的因子(如水力联系裂隙带高度变化水资源破坏量等)煤炭工业场地Ⅰ类二级评价除考虑矸石场外，还应考虑选煤厂;矸石场的源强就是淋溶液;选煤厂的源强重点考虑煤泥水储水池 5% ～ 10% 渗漏;污染因子重点考虑重金属有毒有害元素，具体指标选择，结合建设项目工程特征排污种类排污去向及周围地区环境质量概况，结合国家行业等相关标准确定评价因子。

预测方法包括数学模型法和类比预测法依据导则 ［13］，一级评价采用数值法;二级评价中当井田(矿田)水文地质条件件复杂时应采用数值法，当其水文地质条件较为简单，煤炭开采导水裂缝带发育高度不会直接导通潜水和具有开发利用价值的含水层时，可采用解析法。

2．4评价与措施

结合地下水环境现状调查和地下水环境影响预测结果，对建设项目各实施阶段(建设 生产运行和服务期满后)不同排污方案及不同防渗措施下的地下水环境影响进行评价，包括地下水流场或地下水水位(水头)影响及可能出现的环境水文地质问题的类型 性质及其影响的范围特征和程度等根据评价结果的对比，推荐地下水环境影响最小的方案［13］

同时，针对项目方案制定预防保护措施与对策，如地面沉降岩溶塌陷地面裂缝等环境水文地质问题产生的具体措施制定，地下水动态监测系统等。结语

煤炭开采对地下水环境影响深远，煤炭开采的地下水环境影响评价对于保护地下水资源，维护水生态平衡，保障社会经济发展有重要的意义导则的出台，改变了以往的地下水评价工作深度与重点参差不齐的局面，对煤炭行业规范地下水环境影响评价工作具有指导作用本文分析了煤炭开采对下水环境水质水量的影响;结合导则，讨论了地下水环境影响评价的相关内容，提出煤炭开采的地下水环境影响评价可按Ⅱ类项目执行，评价级别为二级及以上;必要时，可对井区(Ⅱ类)和排矸石场等(Ⅰ类)进行分区评价;选择监测评价因子时，应综合考虑常规指标 国家和地方控制污染物指标以及煤炭行业特征污染因子;评价结果应包括地下水流场或地下水水位(水头)影响及可能出现的环境水文地质问题的类型性质及其影响的范围特征和程度等建议。

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地下核试验与环境保护 第6篇

地温水空调使用与地下水资源保护探讨

“地温水空调”的.大量使用,造成了地下水资源的严重浪费,产生了大量的生活污水;在城市和居民区集中使用造成地面沉降,危及人民生命财产安全;在河道堤防管理保护范围内安装使用,危及堤防安全,影响防汛工作.为了保护地下水资源,保护堤防安全,避免地址灾害的发生,要从加强宣传与监管、规范安装与使用和寻找替代能源三个方面加强工作.

作 者：刘大伟 梁承龙  作者单位：山东省高唐县水务局水政监察大队,山东,高唐,252800 刊 名：地下水 英文刊名：UNDERGROUND WATER 年，卷(期)：2009 31(6) 分类号：P641.8 关键词：地温   地下水资源   保护