基于GMS的某金屬尾礦庫地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

王英剛, 李小川, 孫宏亮, 陳曉博, 馬溶涵, 高 丹

(1. 沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110044;2. 生態(tài)環(huán)境部 環(huán)境規(guī)劃院, 北京 100012; 3. 鐵嶺市環(huán)境保護(hù)局, 遼寧 鐵嶺 112000)

GMS(Groundwater Modeling System)是目前國際上最先進(jìn)的綜合性地下水模擬軟件包,其功能強(qiáng)大,幾乎可以用來模擬與地下水相關(guān)的所有水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題[1-6].隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,GMS版本和功能也進(jìn)行了升級(jí)和完善,其模擬運(yùn)行的精確度也不斷提高[7].目前,國內(nèi)外已有一些關(guān)于運(yùn)用GMS模擬地下水溶質(zhì)運(yùn)移的研究[8-18].

本文研究的銅礦尾礦庫于1960年建成并投入使用,1964年進(jìn)行加高,1985年標(biāo)高達(dá)到225 m(超過設(shè)計(jì)標(biāo)高5 m).1985年在此尾礦庫上游,距離其初期壩約1 200 m處新建一尾礦庫,為Ⅳ等山谷型尾礦庫,接替原尾礦庫放礦,1998年堆積達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后閉庫.銅尾礦庫自1985年超過設(shè)計(jì)標(biāo)高后開始對(duì)尾礦進(jìn)行回采,用來充填礦井.截至1998年,已回采大部分尾礦,同時(shí)新建尾礦庫閉庫,尾礦庫開始重新接受尾礦,使用至今.尾礦庫總庫容390×104m3,服務(wù)年限12 a.重新啟用時(shí),庫區(qū)底平均標(biāo)高199.64 m,庫區(qū)頂平均標(biāo)高221.46 m,壩體平均高度為34 m,壩底平均寬度為35 m,壩頂平均寬度為150 m.目前,剩余庫容120×104m3,服務(wù)年限5 a.尾礦庫平面布置見圖1.

圖1 尾礦庫平面布置圖Fig.1 Layout plan of tailings pond

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)概況

研究區(qū)域如圖2所示,尾礦庫選礦廠位于遼寧省撫順市北端清原滿族自治縣境內(nèi),東與吉林省東豐縣、梅河口市、柳河縣毗鄰,南與新賓滿族自治縣接壤,西與撫順縣、鐵嶺縣交界,北與西豐縣、開原市相連.所在區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆陞^(qū),尾礦庫位于一條呈 “V” 字型的山間溝谷內(nèi),庫區(qū)縱深方向近北東向,縱深長度約2 500 m,三面環(huán)山,西南面為溝口,庫區(qū)范圍無規(guī)劃的耕地或居民,但壩下有少量耕地,地勢(shì)北高南低,并向西南傾斜.

圖2 研究區(qū)域Fig.2 The study area

該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,春季少雨多風(fēng),夏季熱而短,秋季涼爽,冬季寒冷干燥,年平均氣溫7.6 ℃.降水集中在夏季,年平均降水量837 mm左右.渾河干流流經(jīng)該區(qū)域長204.4 km,流域面積7 353 km2,占全流域面積的63.7%,占該地區(qū)總面積的64.8%,上游河床寬度約為130 m;下游河床寬約為153 m.該研究區(qū)域的總面積約為4 km2.

1.2 區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

礦區(qū)地形地貌見圖3,區(qū)內(nèi)山脈為長白山山脈向西分支部分,屬晚壯年期,以侵蝕下切為主的丘陵-中高山陡坡山嶺地形,礦床賦存于遼北太古宙綠巖帶中,是我國典型的海底火山噴發(fā)-沉積-區(qū)域變質(zhì)形成的塊狀硫化物礦床,由矽線石黑云母片麻巖、柘榴石、黑云母片麻巖、陽起石黑云母片麻巖、花崗片麻巖等巖石組成.

圖3 礦區(qū)地形地貌圖Fig.3 Topographic map of mining area

本區(qū)地下水大致分為第4系沖積層孔隙潛水和前震旦系基巖裂隙水,其中以前者最為重要,是本區(qū)較有價(jià)值的供水水源.區(qū)內(nèi)“基巖裂隙不大發(fā)育,巖石含水性微弱”,故對(duì)供水意義不大.

1.3 尾礦庫污染狀況

礦山附近的某監(jiān)測(cè)井的水樣部分檢測(cè)結(jié)果見表1.

表1 某監(jiān)測(cè)井的水樣部分檢測(cè)結(jié)果

2 數(shù)值模擬及其結(jié)果

2.1 地下水流模型

2.1.1 水文地質(zhì)概念模型

數(shù)學(xué)模型是在水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上建立起來的.綜合搜集區(qū)域水文地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料,以達(dá)西定律和滲流連續(xù)性方程為基礎(chǔ),將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性、空間多層的三維穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),將模型概化在垂直方向上分為3層:第1層為潛水含水層,該層的主要補(bǔ)給源為降水補(bǔ)給;第2層是隔水層,是由滲透系數(shù)較小的黏土、亞黏土構(gòu)成;第3層為承壓含水層.概念建模的方法在水平方向上按2 000 m×2 000 m進(jìn)行位置校準(zhǔn),區(qū)域地下水流方向自北向南.因?yàn)檠芯繀^(qū)域面積較小,所以將模擬區(qū)域的邊界設(shè)置為南部河流為定水頭邊界,北部為定水頭和隔水邊界.大氣降水是潛水含水層的主要補(bǔ)給源,屬于面狀入滲垂直補(bǔ)給,由于潛水地下水位較深,故忽略潛水蒸發(fā).

2.1.2 源匯項(xiàng)

(1) 補(bǔ)給項(xiàng).降水補(bǔ)給是模擬計(jì)算區(qū)地下水主要補(bǔ)給源,據(jù)統(tǒng)計(jì)該尾礦庫所在區(qū)域降水量為837 mm·a-1,平面補(bǔ)給區(qū)的入滲速率為4×10-5m·d-1,污染物增強(qiáng)區(qū)域的入滲速率達(dá)到7×10-5m·d-1.

(2) 排泄項(xiàng).主要排泄方式為人工開采地下水,將其概化為點(diǎn)狀開采強(qiáng)度,其開采量按單井實(shí)際開采量計(jì)算.

2.1.3 水文地質(zhì)參數(shù)

(1) 滲透系數(shù).通過對(duì)尾礦庫所屬范圍內(nèi)鉆孔和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)得出潛水含水層和承壓含水層的滲透系數(shù)為17.28 m·d-1,隔水層滲透系數(shù)為8.64×10-6m·d-1.

(2) 孔隙度.將研究區(qū)域的土樣帶到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得為0.3.

平臺(tái)中層主要包括各類數(shù)據(jù)匯總形成的資源層以及根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行的模型設(shè)置、服務(wù)管理設(shè)置及大數(shù)據(jù)分析處理形成的要素層。

(3) 縱向彌散系數(shù)及彌散度.多數(shù)學(xué)者認(rèn)為彌散系數(shù)是由介質(zhì)的非均勻性引起的[21],其特點(diǎn)是具有明顯的尺度效應(yīng),即當(dāng)區(qū)域尺度較大時(shí)其尺度效益明顯.本尾礦庫研究區(qū)域面積較小,即參考類似條件下的工程取值,縱向彌散系數(shù)為10 m2·d-1,體積密度為1 700 kg·m-3.

2.2 數(shù)學(xué)模型

以達(dá)西定律和滲流連續(xù)性方程作為基礎(chǔ)構(gòu)建與研究區(qū)域地下水流系統(tǒng)概化模型相對(duì)應(yīng)的三維流動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為[22]

式中:Kxx,Kyy,Kzz為x,y,z方向滲透系數(shù),m·d-1;H為地下水水頭,m;H0為含水層初始水頭,m;H1為各層邊界水位,m;B1為上游水頭己知邊界,即第一類邊界;B2為下游河流已知邊界,即第二類邊界;ε為源匯項(xiàng);μs為含水層給水度;q1為含水層一類邊界單位面積過斷水面補(bǔ)給流量,m·d-1;Ω為滲流區(qū)域;n為滲流區(qū)邊界的單位外法線方向.

2.3 模型校正識(shí)別

模型校正是地下水值模擬中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),只有通過識(shí)別和驗(yàn)證的模型才能證明其對(duì)地下水系統(tǒng)的模擬是正確的.模型是一個(gè)不斷反演和實(shí)驗(yàn)的過程,通過不斷調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù),重復(fù)計(jì)算來擬合各監(jiān)測(cè)孔的實(shí)際測(cè)量水位,直到模擬結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)值的誤差在精度要求范圍內(nèi),則可認(rèn)為模擬結(jié)果是正確的.校準(zhǔn)目標(biāo)及誤差量級(jí)如圖4所示.

收集該區(qū)域觀測(cè)井的地下水位高程數(shù)據(jù),以2016年3月采集的質(zhì)量濃度場(chǎng)為初始濃度場(chǎng),將收集到觀測(cè)井的地下水位數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MODFLOW模型中,運(yùn)用軟件自動(dòng)生成具有觀測(cè)屬性的圖層進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證,設(shè)置置信區(qū)間為±0.5,即計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果誤差不超過±0.5視為準(zhǔn)確[23].由于所有數(shù)據(jù)是從2016年3月開始進(jìn)行整理和模擬,所以采取識(shí)別和驗(yàn)證時(shí)間為2017年3月,其校核結(jié)果見圖5和圖6,由此可以看出模擬的擬合效果比較理想.

圖4 校核目標(biāo)及誤差量級(jí)Fig.4 Checking target and error magnitude

圖5 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)GMS模擬的效果圖Fig.5 Parts of monitoring point of GMS simulation

圖6 模擬水位與觀測(cè)水位對(duì)比

2.4 溶質(zhì)運(yùn)移模型

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際情況,溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型為[24]

2.5 MT3DMS初始化

把MT3DMS模型進(jìn)行初始化,然后把污染傳輸模擬參數(shù)導(dǎo)入到MT3DMS模型中,可將該尾礦庫場(chǎng)地看做定質(zhì)量濃度的點(diǎn)污染源,設(shè)定時(shí)間步長Δt=100 d,應(yīng)力期7 300 d,模擬污染物從2016年3月份開始進(jìn)入承壓含水層后,第1 a、第2 a、第5 a、第8 a、第10 a、第20 a后的污染遷移距離及影響面積,共模擬20 a,保存并運(yùn)行模型.運(yùn)行結(jié)果如圖7～圖12(見封3).

由圖7可以看出污染物已經(jīng)開始向下游遷移,并開始對(duì)下游村莊造成一定的污染,質(zhì)量濃度在1 500～1 750 mg·L-1之間,這與我們2017年3月份檢測(cè)的結(jié)果相吻合.由圖8可知,第2 a后污染程度開始加劇,污染物質(zhì)量濃度不斷升高并開始向下游村莊遷移,污染源中心質(zhì)量濃度接近2 400 mg·L-1,已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo),此時(shí)應(yīng)該及時(shí)對(duì)地下水給予調(diào)查和評(píng)估,以免村民飲用該區(qū)域地下水對(duì)身體健康造成危害.

圖9顯示第5 a污染物繼續(xù)向下游遷移,污染面積不斷增加,覆蓋住了小半個(gè)村莊.圖10可以看出污染物即將遷移到2#抽水井,即全村重要的飲水源頭之一,此時(shí)應(yīng)該給予及時(shí)的水樣檢測(cè),否則容易造成大面積的人口健康疾病.

圖11顯示第10 a污染物已經(jīng)遷移到了2#井,模擬結(jié)果顯示此時(shí)井中污染物質(zhì)量濃度為500 mg·L-1.由圖12可以看出,經(jīng)過20 a的遷移,此時(shí)2口水井都已經(jīng)受到了污染物的污染,而且此時(shí)2#井污染物的質(zhì)量濃度為2 000 mg·L-1,已經(jīng)不能食用.綜合來看,污染物是以近似橢圓形狀沿水流方向自北向南擴(kuò)散,利用構(gòu)建弧度工具和構(gòu)建多邊形計(jì)算出第20 a污染區(qū)域面積約為8.47×105m2,向下游擴(kuò)散長度約1 540 m,尚未污染到河流,故不能影響河流的水質(zhì).

3 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用GMS軟件模擬的結(jié)果可以得出尾礦庫滲濾液中的污染物隨地下水溶質(zhì)運(yùn)移情況,通過模型校正調(diào)參,其模擬效果較好,反映了關(guān)于該區(qū)域地下水的一些基本情況,不僅在理論上是合理的,而且在實(shí)際模擬過程也是可行的.

(2) 通過對(duì)地下水溶質(zhì)運(yùn)移的模擬可以看出,第2 a污染物開始污染村莊北部部分區(qū)域,此時(shí)應(yīng)提前對(duì)該區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè),以免部分村民誤食水源;第8 a應(yīng)該給予2#抽水井水質(zhì)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè),從而確定水井是否含有重金屬和有害化學(xué)物質(zhì).

(3) 尾礦庫滲濾液中的主要污染物是以分子的形式沿地下水流方向自北向南呈橢圓型擴(kuò)散.通過模擬結(jié)果可以看出污染物的濃度和污染的范圍在逐步擴(kuò)大,逐漸滲入到深層含水層中的污染物,會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生較大的影響.目前來看,雖暫時(shí)未影響到下游抽水井,但是村莊北部部分區(qū)域已經(jīng)存在污染,若不加以控制抽水量,在抽水井附近形成的地下水降落漏斗面積就會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大,進(jìn)而改變地下水位的分布,污染物的擴(kuò)散速度將進(jìn)一步加劇.

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 竇艷兵,鄭佳. 地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件及其應(yīng)用[C]∥2008年北京市水文科學(xué)技術(shù)研討會(huì), 2010:285-289.

DOU Y B,DENG J. Groundwater modeling system (GMS) software and application[C]∥Hydrological Science and Technology Symposium, Beijing, 2010:285-289.

[ 2 ] 祝曉彬. 地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2003,30(5):53-55.

ZHU X B. Groundwater modeling system (GMS) software[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2003(5):53-55.

[ 3 ] 徐盛洪,程全國. 遼寧某地地下水中(重)金屬污染評(píng)價(jià)[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016,28(6):467-473.

XU S H,CHENG Q G. Evaluation of (heavy) metals pollution of groundwater in some place in Liaoning Province of China[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2016,28(6):467-473.

[ 4 ] 薛禹群,謝春紅. 地下水?dāng)?shù)值模擬[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2007.

XUE Y Q,XIE C H. Numerical simulation of groundwater[M]. Beijing: Science Press, 2007.

[ 5 ] 戴永旺,常云龍. 基于GMS軟件的地下水?dāng)?shù)值模擬應(yīng)用研究[J]. 商品與質(zhì)量·學(xué)術(shù)觀察, 2012(11):75-75.

DAI Y W,CHANG Y L. Numerical simulation of groundwater based on GMS software application[J]. Product and Quality, Academic Watch, 2012(11):75-75.

[ 6 ] 薛紅琴. 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 勘察科學(xué)技術(shù), 2008(6):17-22.

XUE H Q. Present situation and development of research on groundwater solute transport model[J]. Survey of Science and Technology, 2008(6):17-22.

[ 7 ] 譚文清,孫春,胡婧敏,等. GMS在地下水污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 東北水利水電, 2008,26(5):54-55.

TAN W Q,SUN C,HU J M,et al. Application of GMS in numerical simulation of groundwater pollutant transport[J]. Northeast Water Conservancy and Hydropower, 2008,26(5):54-55.

[ 8 ] 魏林宏,束龍倉,郝振純. 地下水流數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000,23(Z1):50-52.

WEI L H,SHU L C,HAO X C. Research status and development trend of numerical simulation of groundwater flow[J]. Journal of Chongqing University (Natural Science), 2000,23(Z1):50-52.

[ 9 ] 吳曉艷,熊正為,彭小勇,等. 降雨對(duì)鈾尾礦庫地下水中核素遷移影響的模擬研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,13(1):92-95.

WU X Y,XIONG Z W,PENG X Y,et al. Simulation research on the effects of precipitation on the nuclide migration in the groundwater of the uranium tailings impoundment[J]. Journal of Safety and Environment, 2013,13(1):92-95.

[10] 王喆,盧麗,夏日元. 基于GMS的北京西郊垃圾場(chǎng)地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬[J]. 人民黃河, 2012,34(11):85-87.

WANG Z,LU L,XIA R Y. West of Beijing based on GMS landfill groundwater solute transport simulation[J]. People of the Yellow River, 2012,34(11):85-87.

[11] 朱錦程. 某化工廠廠區(qū)地下水污染現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)[J]. 科學(xué)中國人, 2015(3):19.

ZHU J C. Present situation and evaluation of groundwater pollution in a chemical factory[J]. Science in China, 2015(3):19.

[12] 朱廣軼,馬亞麗,徐征慧,等. 地下水對(duì)老采區(qū)地表殘余移動(dòng)變形的影響[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,27(3):238-242.

ZHU G Y,MA Y L,XU Z H,et al. Influence of groundwater on surface residual deformation in goaf[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2015,27(3):238-242.

[13] 薛瑞,常遠(yuǎn). 利用GMS模擬技術(shù)分析礦坑涌水對(duì)周圍村莊的影響[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2015,41(2):77-79.

XUE R,CHANG Y. GMS simulation analysis of gushing water on surrounding villages[J]. Environmental Science, 2015,41(2):77-79.

[14] 翁幫華,劉國東,楊潔,等. 氣田開發(fā)地下水污染預(yù)測(cè)模型參數(shù)的測(cè)定[J]. 石油與天然氣化工, 2003,32(4):257-260.

WENG B H,LIU G D,YANG J,et al. Determination of parameters of groundwater pollution prediction model of gas field development[J]. Oil and Gas Chemicals, 2003,32(4):257-260.

[15] 張平,陳彥群,黃奇文,等. 沈陽石蠟化工有限公司廠區(qū)地下水污染模擬預(yù)測(cè)[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,24(1):48-52.

ZHANG P,CHEN Y Q,HUANG Q W,et al. Simulation forecasting of underground water contamination at factory district of Shenyang Paraffin Wax Chemical Limited Company[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2012,24(1):48-52.

[16] QADIR A,AHMAD Z,KHAN T,et al. A spatio-temporal three-dimensional conceptualization and simulation of Dera Ismail Khan alluvial aquifer in visual MODFLOW: a case study from Pakistan[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2016,9(2):1-9.

[18] CHITRAKAR P,SANA A. Groundwater flow and solute transport simulation in eastern Al Batinah Coastal Plain, Oman: case study[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2016,21(2).

[19] 游哲遠(yuǎn),肖懷德,趙珂. 尾礦庫滲濾液對(duì)地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究:以一電解金屬錳項(xiàng)目尾礦庫為例[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2014,39(3):192-194.

YOU Z Y,XIAO H D,ZHAO K. Evaluation of the influence of leachate from tailings reservoir on groundwater environment[J]. Environmental Science and Management, 2014,39(3):192-194.

[20] 李珊珊,陸海建,藍(lán)俊康,等. 基于GMS的廣西平果鋁赤泥堆場(chǎng)巖溶含水層溶質(zhì)運(yùn)移模擬[J]. 地下水, 2017,39(1):54-58.

LI S S,LU H J,LAN J K, et al. Prediction of karst groundwater pollution by red mud stack field in Pingguo country Guangxi based on GMS simulation[J]. Ground Water, 2017,39(1):54-58.

[21] 郁磊. MATLAB智能算法30個(gè)案例分析[M]. 2版. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2015.

YU L. MATLAB intelligent algorithm 30 case analysis area[M]. 2nd ed. Beijing: Beihang University Press,2015.

[22] 陳舟,施佳會(huì),楊小輝,等. 某垃圾發(fā)電廠地下水污染模擬研究[J]. 工程勘察, 2014,42(12):38-42.

CHEN Z,SHI J H,YANG X H. Simulation study on groundwater pollution of a garbage power plant[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2014,42(12):38-42.

[23] 孫麗鳳,王闖. 基于GMS應(yīng)用的化工區(qū)地下水污染模擬與分析[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2016,34(18):176-181.

(SUN F L,WANG C. Simulation and analysis of groundwater pollution in chemical industry area based on GMS[J]. Science and Technology Review, 2016,34(18):176-181.

[24] 陳舟,劉金星,張文章,等. 某化工園區(qū)地下水污染模擬研究[J]. 廣東化工, 2014,41(20):92-94.

CHEN Z,LIU J X,ZHANG W Z,et al. Simulation of groundwater pollution in a chemical industry park[J]. Chemical Industry of Guangdong, 2014,41(20):92-94.