某尾礦庫自然狀態(tài)下水土污染地質(zhì)災(zāi)害模擬研究

朱澤勛,吳 莉

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院, 云南昆明 650051)

某尾礦庫自然狀態(tài)下水土污染地質(zhì)災(zāi)害模擬研究

朱澤勛,吳 莉

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院, 云南昆明 650051)

采用 ComsolMultiphysics軟件進(jìn)行滲流場數(shù)值模擬,研究某尾礦庫在自然狀態(tài)下地下環(huán)境中污染物運(yùn)移特征。二維和三維溶質(zhì)遷移場數(shù)值模擬結(jié)果表明,100 a內(nèi)尾礦庫下灰?guī)r中地下水的 F、As和 Zn的濃度滿足二類水標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)分析得出了當(dāng)前污染物濃度分布規(guī)律和將來污染物濃度分布規(guī)律等,可為尾礦庫地下環(huán)境污染評價(jià)和治理提供依據(jù)。

尾礦庫;污染物;滲流模擬;濃度分布

0 前 言

某礦尾礦庫于 1958年建成使用,經(jīng)過 50多年的運(yùn)營,目前已經(jīng)堆至 2036 m(獨(dú)立高程系),相對于場地東南側(cè)合田磷肥廠地面,高差為 71 m;相對于場地南部昆明三養(yǎng)肥料有限公司地面,高差為 56 m;相對于場地西南部西山區(qū)看守所大門地面,高差為 50 m。渣場未設(shè)置壩體和防滲設(shè)施,堆積過程中自然形成了 3個(gè)臺階,見圖1。經(jīng)檢測,該尾礦庫中尾渣的主要有害物質(zhì)為氟 (F)、鋅離子 (Zn)和砷離子 (As),經(jīng)過長時(shí)間自然狀態(tài)下的雨水的淋濾,有害物質(zhì)直接滲透到地下水當(dāng)中。

圖1 某尾礦庫影像示意

1 污染物運(yùn)移分析數(shù)值模型

通過對該尾礦庫自然狀態(tài)下地下環(huán)境滲流場和污染物運(yùn)移場的三位數(shù)值模擬分析,研究污染物濃度分布規(guī)律。數(shù)值模擬采包含污染物運(yùn)移數(shù)值模擬算法的國際商用軟件 Comsol Multiphysics進(jìn)行,滲流場按照飽和 -非飽和穩(wěn)定滲流模擬,污染物運(yùn)移場按照非穩(wěn)定溶質(zhì)運(yùn)移模擬。

1.1 污染因子的選擇

在自然狀態(tài)下對淋濾液進(jìn)行溶質(zhì)成分鑒定,結(jié)果表明:氟 (F)的濃度值為 4.50 mg/L,鋅離子 (Zn)的濃度值為 0.608 mg/L,砷離子 (As)的濃度值為0.051 mg/L,其濃度都超出了地下水Ⅱ類濃度要求,因此選擇這 3種離子進(jìn)行污染物遷移過程模擬。

1.2 模型的建立

1.2.1 模擬地層

計(jì)算模型地層主要分為 6種材料:污染源包括熔煉渣、施工棄土和生活垃圾層合并為同一地層建模設(shè)為材料 1;粘土和人工填土層合并為同一地層建模設(shè)為材料 2;離地下水面一定距離后非飽和灰?guī)r建模設(shè)為材料 3;飽和狀態(tài)的灰?guī)r建模設(shè)為材料4;為了模擬二維模型底部不滲水特征,假設(shè)有滲透系數(shù)很低的基巖,并將其設(shè)為材料 5;另外砂礫石設(shè)為材料 6。

滲流計(jì)算用的各巖土層的飽和滲透系數(shù)見表1,粘土層滲透系數(shù)主要參考了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并適當(dāng)考慮了重力耦合作用。計(jì)算中材料 1和材料 2設(shè)置為飽和 -非飽和滲流特性材料,相對滲透率取為和有效飽和度一樣大,其它材料設(shè)置為飽和滲流特性材料。

表1 滲流計(jì)算材料參數(shù)

彌散度是地下水動力彌散理論中用來描述空隙介質(zhì)彌散特征的一個(gè)重要參數(shù),對于它的取值是當(dāng)今彌散理論研究的一個(gè)熱點(diǎn),其中的一個(gè)重要原因是它的尺度效應(yīng),在此彌散度測參照巖土工程界實(shí)驗(yàn)結(jié)果取值。彌散計(jì)算用的各巖土層的材料參數(shù)見表2。

表2 彌散試驗(yàn)計(jì)算材料參數(shù)

1.2.2 滲流問題初始及邊界條件確定

埋場頂部接受降雨垂直入滲,屬于第二類的給定通量邊界。對于二維模型,北邊界地下水位以下部分以離場地地面 130 m的水位設(shè)置水頭邊界條件,地下水位以上部分按照該處是分水嶺可以設(shè)置為對稱邊界 (隔水邊界),南邊界以滇池水位設(shè)置水頭邊界條件,底部設(shè)置隔水邊界。對于三維模型,北邊界地下水位以下部分以場地北部約 200 m處居民供水井靜止水位埋深 130 m對應(yīng)的空間水位設(shè)置水頭邊界條件,地下水位以上部分按照該處是分水嶺可以設(shè)置為對稱邊界 (隔水邊界),東邊因地形近似對稱設(shè)置隔水邊界,考慮到降雨對地下水滲流影響不大,西邊近似設(shè)置為隔水邊界,東邊界以二維模型計(jì)算得到的該截面水頭設(shè)置水頭邊界條件,底部設(shè)置隔水邊界。

頂部入滲流量邊界的流量和降雨量、和土壤相關(guān)的入滲率、蒸發(fā)量、場外徑流進(jìn)入場地的水量、水井提水量等因素相關(guān)。取頂部入滲流量為昆明年降雨量,昆明多年平均年降雨量為 1011.8 mm,頂部入滲平均速為 3.2e-8 m/s。對于一般地面,考慮到地表粘土滲透系數(shù)小入滲率低,存在蒸發(fā)量和人工井取水等因素,取頂部入滲流量為昆明年降雨量的5%,頂部入滲平均速為 1.6e-9 m/s。

另外巖土體中水流速和滲透壓分布在此按照穩(wěn)定滲流計(jì)算求取,因此計(jì)算結(jié)果和初始條件無關(guān),在此初始水頭設(shè)置為滇池水位水頭。

1.2.3 污染物彌散問題初始及邊界條件確定

渣場頂部設(shè)置通量邊界,其量值近似設(shè)置為(3.2e-8)×x,x是自然狀態(tài)下滲濾液中污染物的濃度,北邊界設(shè)置為 0濃度邊界,南邊界設(shè)置為平流通量邊界,其余邊界設(shè)置為 0通量邊界。材料 1中水的初始濃度是 x,其余材料初始濃度是 0。

1.2.4 建立模型

為了更好模擬污染物在地下水中遷移情況,建立了 2個(gè)模型進(jìn)行研究。第一個(gè)模型是二維模型,范圍是從渣場北邊的分水嶺到南邊的滇池,總長度10.462 km,最大高度差 1.058 km,生成 21648個(gè)節(jié)點(diǎn),42236個(gè)單元。第二個(gè)模型是三維模型,采用了貫穿渣場的 8個(gè)剖面建模,北邊以渣場北邊的分水嶺為邊界,南邊以在尾礦庫以南 0.992 km處設(shè)面為邊界,西邊以尾礦庫往西 0.155 km設(shè)面為邊界,東邊以尾礦庫往東 0.400 km設(shè)面為邊界,長 1.820 km,寬 0.875 km,最大高度差 0.439 km,生成 14041個(gè)節(jié)點(diǎn),67828個(gè)單元。

2 模型計(jì)算結(jié)果及其分析

2.1 二維模型計(jì)算結(jié)果及其分析

利用軟件 COMSOL Multiphysics進(jìn)行滲流場數(shù)值模擬。根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行污染因子 F、As和 Zn的運(yùn)移計(jì)算,其中 F和 As的模擬時(shí)間分別為30,52,60和 100 a,Zn的模擬時(shí)間分別為 52 a和100 a,污染因子的初始濃度均取自然狀態(tài)下的淋濾濃度,根據(jù)它們對應(yīng)的地下水Ⅱ類的濃度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算遷移距離,同時(shí)得到遷移距離處灰?guī)r地下水中濃度,其中地下水Ⅱ類的濃度標(biāo)準(zhǔn)值為 F≤1 mg/L、Zn≤0.5 mg/L和 As≤0.01 mg/L。具體結(jié)果見表3。

表3 二維模型污染因子遷移計(jì)算結(jié)果對照

由表中可以看出,在 100 a內(nèi),尾礦庫下灰?guī)r中地下水的 F、As和 Zn 3種污染物的濃度能夠滿足二類水的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 三維模型計(jì)算結(jié)果及其分析

模型計(jì)算分析結(jié)果如下:100 a內(nèi) F濃度等于 1 mg/L沿著地表在水平方向向前遷移最大距離為170 m,大于二維計(jì)算結(jié)果。同時(shí)隨著時(shí)間推移,具有初始濃度的溶液慢慢往下、前方向遷移,往下遷移到地下水附近 F彌散速度很大導(dǎo)致擴(kuò)散很快,從而再往下位置 F濃度不再因時(shí)間推移而增大;100 a內(nèi)As濃度等于 0.01 mg/L沿著地表在水平方向向前最大遷移距離為 180 m,大于二維計(jì)算結(jié)果。同時(shí)得到:隨著時(shí)間推移,具有渣場溶液濃度的溶液慢慢往下、前方向遷移,往下遷移到地下水附近 As彌散速度很大導(dǎo)致擴(kuò)散很快,從而再往下位置As濃度不再因時(shí)間推移而增大;100 a內(nèi) Zn濃度等于 0.5 mg/L,沿著地表在水平方向向前最大遷移距離為 29 m,大于二維計(jì)算結(jié)果。同時(shí)得到:隨著時(shí)間推移,具有渣場溶液濃度的溶液慢慢往下、前方向遷移,往下遷移到地下水附近 Zn彌散速度很大導(dǎo)致擴(kuò)散很快,從而再往下位置 Zn濃度不再因時(shí)間推移而增大。

總之,在 100 a內(nèi),尾礦庫下灰?guī)r中地下水的 F、As和 Zn 3種污染物的濃度均能夠滿足二類水的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

在野外調(diào)查、鉆探、野外實(shí)驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、監(jiān)測、水環(huán)境污染分析等工作基礎(chǔ)上,建立了二維溶質(zhì)遷移數(shù)值模擬模型和三維溶質(zhì)遷移數(shù)值模擬模型,對某礦尾礦庫中的有害物質(zhì) F、As、Zn 3種溶質(zhì)遷移場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得到以下結(jié)論:

(1)二維和三維溶質(zhì)遷移場數(shù)值模擬結(jié)果表明,隨著時(shí)間推移,具有尾礦庫溶液濃度的溶液慢慢往下方向遷移,往下遷移到地下水附近彌散速度很大導(dǎo)致擴(kuò)散很快,從而再往下位置污染物濃度不再因時(shí)間推移而增大;

(2)二維溶質(zhì)遷移場數(shù)值模擬結(jié)果表明,隨著時(shí)間推移,流入滇池地下水中污染物濃度越來越大。對于模擬時(shí)間為 52 a的情況,F遷移到滇池處濃度大約為 0.0278 mg/L,As遷移到滇池處濃度大約為0.000316 mg/L,Zn遷移到滇池處濃度大約為0.00383 mg/L。對于模擬時(shí)間為 100 a的情況,氟遷移到滇池處濃度大約為 0.0322 mg/L,As遷移到滇池處濃度大約為 0.000366 mg/L,Zn遷移到滇池處濃度大約為 0.00434 mg/L;

(3)三維溶質(zhì)遷移場數(shù)值模擬結(jié)果均表明,尾礦庫污染物最大污染范圍不超過 180 m;

(4)二維和三維溶質(zhì)遷移場數(shù)值模擬結(jié)果表明,100 a內(nèi)尾礦庫下灰?guī)r中地下水的 F、As和 Zn的濃度滿足二類水標(biāo)準(zhǔn)。

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2011-05-31)

朱澤勛 (1964-),男,云南宣威人,工程師,主要從事巖土工程方面的工作,Email:619910377@qq.com。