秦嶺山區(qū)尾礦庫環(huán)境防護距離研究

鄒 寧

(中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054)

我國目前已經(jīng)步入世界礦業(yè)大國行列，主要礦產(chǎn)每年尾礦排放量約3 億t，除一小部分回用于礦山充填或綜合利用外，絕大部分尾礦采用構(gòu)筑尾礦庫的方式儲存［1］.尾礦庫對其周邊環(huán)境造成的不利影響包括大氣環(huán)境影響、地表水環(huán)境影響、地下水環(huán)境影響、土壤環(huán)境影響以及潰壩事故影響［2］. 為減輕尾礦庫對其周邊居民的不利影響，通常在尾礦庫周邊設置一定的防護距離，該距離內(nèi)原有居民必須進行搬遷.以前尾礦庫周邊防護距離主要根據(jù)《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599—2001)中第5.1.2 條確定為500 m，因制定該標準時研究水平有限，確定的500 m 防護距離不盡合理，不能起到較好的防護作用. 根據(jù)環(huán)境保護部2013年第36 號公告［關(guān)于發(fā)布《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599—2001)等3 項國家污染物控制標準修改單的公告］，現(xiàn)在應依據(jù)環(huán)境影響評價結(jié)論確定尾礦庫與周圍人群的防護距離.所以開展對尾礦庫周邊防護距離確定方法的研究，對保護尾礦庫周邊環(huán)境，減少尾礦庫環(huán)境污染對周邊人群健康的影響有重要意義.

1 尾礦庫對環(huán)境的環(huán)境影響方式

尾礦庫對環(huán)境的影響方式主要可以分為大氣環(huán)境影響、水環(huán)境影響和固體廢物影響3個方面.

1.1 大氣環(huán)境影響

尾礦在堆存的過程中長期受到水流侵蝕和風吹日曬，表面會發(fā)生風化，一旦遇到適宜的風速將導致尾礦飛揚，形成揚塵，造成附近大氣環(huán)境的污染，如果人體吸入過量粉塵，將可能導致塵肺?。?］.

1.2 水環(huán)境影響

尾礦廢水對環(huán)境造成的影響主要包括地表水和地下水兩個方面.

正常運行時，尾礦砂通過大氣降水形成的滲濾液，會淋溶出一部分污染物. 污染物中主要含有濃度較高的金屬鹽類、酸根離子、大量有機物、硫化物及其他有害物質(zhì)，這些污染物通過包氣帶污染地下水，甚至通過排泄區(qū)污染地表水. 一旦發(fā)生潰壩事故，尾礦廢水流向下游，容易造成地表水大面積污染，對尾礦庫下游水體造成嚴重威脅.

由于秦嶺山區(qū)尾礦庫周邊居民飲用水一般為通過管道輸送的山區(qū)泉水，因此尾礦庫對下游地下水環(huán)境及地表水環(huán)境的影響通常不會污染周邊居民的飲用水源.

1.3 固體廢物影響

尾礦庫是一旦發(fā)生潰壩，會導致大量尾礦砂下泄，覆蓋下游大面積的土地和農(nóng)田，沖毀房屋，造成重大經(jīng)濟損失及人身傷亡.

綜上所述，尾礦庫對周邊居民造成的主要影響為大氣環(huán)境影響及固體廢物影響.

2 環(huán)境防護距離確定方法

2.1 大氣環(huán)境防護距離

目前大氣環(huán)境防護距離的確定通常采用導則推薦的SCREEN3 估算模式來確定［4］，在推薦的計算模式中已將氣象參數(shù)設定為最不利的條件. 因此，大氣環(huán)境防護距離計算值的準確性就主要取決于尾礦庫無組織排放源強調(diào)查的結(jié)果. 因此，尾礦庫最主要的無組織排放源為揚塵. 干燥尾礦砂起塵量的計算公式為［5］:

式中:Q 為起塵量，gs－1;q 為起塵率，gm－2s－1;M 為干灘面積，m2;U*0為起動摩阻風速，mms－1.

式中:d 為尾礦砂粒徑，mm.

2.2 環(huán)境風險防護距離

尾礦庫的環(huán)境風險主要為潰壩事故，潰壩影響范圍的確定目前尚沒有系統(tǒng)、統(tǒng)一的方法，一般采用經(jīng)驗類比和經(jīng)驗公式推理分析估算確定. 尾礦庫一旦發(fā)生潰壩，其下泄流體不同于一般的水流，是尾礦砂和水的混合物，類似于泥漿的流動［6］. 目前常用的方法包括經(jīng)驗公式計算法、數(shù)學模型法及相似試驗法.經(jīng)驗公式計算法主要借鑒水庫潰壩后泥石流的演進經(jīng)驗公式，該方法對于潰壩過程都是假設一次性全潰，對計算結(jié)果影響較大，但使用方便.數(shù)學模型法主要是通過建立描述潰壩下泄砂流運動的連續(xù)方程和動力方程，運用數(shù)值分析的方法，求出尾礦庫潰壩下泄砂流在下游各點的流速和深度，以及潰壩后尾礦下泄引起的砂流覆蓋范圍，該方法精度較高，但計算過程復雜，要求較高. 相似試驗法根據(jù)模型流動與實際流動的相似性，即流場中相應點上各同類物理量將具有各自固定的比例關(guān)系，可將模型試驗的成果方便的應用于實際流動中［7］.但該方法需要室外模擬潰壩試驗，花費成本較大.由于環(huán)境評價的工作時間一般較短，費用有限，所以推薦采用的還是經(jīng)驗公式法.

3 實例研究

某新建鐵礦尾礦庫位于陜西省商洛市柞水縣，地處秦嶺北麓山區(qū)谷地，占地面積39.8 hm2，初期壩高40 m，設計總壩高140 m，總庫容1 561.39 ×104m3.尾礦采用濕法排放，全庫采取防滲處理，匯水面積2.95 km2，下游1.7 km 以外為溝口，地勢較開闊，下游1 km 內(nèi)無居民點，溝口有地表水體，上游匯水以潛流形式匯至地下水中. 尾礦庫所在地地層簡單，表層為第四系松散覆蓋層，下部為泥盆系板巖.

3.1 大氣環(huán)境防護距離

尾礦砂起動摩阻風速為6.4 m/s (dp =0.025 mm)［8］.因為當?shù)啬昶骄L速僅為1.3 m/s，風速多在5.0 m/s 以下，所以一般氣象條件下，該鐵礦尾礦砂不會因起塵而對周圍環(huán)境空氣造成影響. 當?shù)仫L速≥7.0 m/s 的天數(shù)年平均1.1 d，起塵率為1.38×10－4gm－2s－1，起塵量為1.38 g/s(干灘面積M =10 000 m2)，該尾礦庫的大氣環(huán)境防護距離為200 m，即當風速=7.0 m/s 時，該尾礦庫可能對距干灘中心200 m 范圍內(nèi)的敏感目標的環(huán)境空氣造成影響.

3.2 環(huán)境風險防護距離

按最不利的潰壩情況考慮，即尾礦庫在使用后期(壩高140 m)發(fā)生潰壩，按浸潤線形成的最危險滑面進行計算，潰壩時的排砂量約為1 173 ×104m3，庫內(nèi)沉積區(qū)洪水按全部排空考慮，則洪水量約為36 ×104m3(200年一遇);本次預測計算取泄流總量為1 209 ×104m3.

潰壩最大流量可采用文獻［9］的計算式［9］:

式中，λ 為流量參數(shù)，取0.22(四次拋物線斷面);bm為潰壩口門寬度，m;H0為壩前最大水深，m，取132 m;W 為潰前總庫容，m3，取1 209 ×104m3;K 為沖刷系數(shù)，計算得0.000 04;E 為壩橫斷面面積，m2，取600 m2;φ 為土質(zhì)系數(shù)，碾壓式透水堆石壩取0.495.

下泄砂流洪峰流量不僅與單一洪水洪峰流量有關(guān)，而且還與潰壩時加入尾礦砂的量以及尾礦砂與水相互作用的關(guān)系有關(guān)，可將下泄砂流的洪峰流量Qdmax 表示為

式中，Qmax為水庫潰壩洪水洪峰流量;k 為考慮尾礦砂因素的洪峰流量系數(shù)，主要由加入尾礦砂的量決定，可按下泄砂流的容重來計算，即

式中，γd為尾礦砂流的容重，γw為水的容重，可取10 kN/m3，γe為尾礦砂固體顆粒的容重.

由式(2)可以得出，潰口的平均寬度為35 m，由式(1)可以得出，潰壩時壩址的最大流量為3.7 ×104m3/s，經(jīng)式(4)校正后尾礦砂的最大下泄流量為5.0 ×104m3/s.

根據(jù)潰壩下泄砂流向下游的演進過程，利用:

其中，矩形斷面n=1.

可計算出下游沿程的最大流量及下游某處的洪峰高度，而由式(8)可計算出下泄砂流最大洪峰到達的時間.

因此，通過選取下游的典型斷面，可計算出各典型斷面下泄砂流向下游演進過程的參數(shù). 計算結(jié)果見表1.

當?shù)鼐用穹课菥嚯x溝底最小高度為3 m，因此最大防護距離按洪峰高度達到3 m 計.

表1 下游斷面計算成果(翻譯)Tab.1 The calculating results of lower cross section

3.3 防護距離小結(jié)

根據(jù)防護距離計算結(jié)果，最大防護距離由尾礦庫潰壩影響決定，為3 000 m，大大超過原標準確定的500 m 距離.由此可知，如果按原標準防護距離實施搬遷，則不能保證下游居民的生命及財產(chǎn)安全，必須根據(jù)環(huán)境評價計算結(jié)果確定相應的防護距離.

4 結(jié) 語

該文通過環(huán)評實例，對尾礦庫周邊環(huán)境防護距離的確定方法進行了研究，包括大氣環(huán)境防護距離與尾礦庫潰壩防護距離，最后發(fā)現(xiàn)尾礦庫最大防護距離由潰壩防護距離確定. 雖然人們對尾礦庫潰壩泥石流的演進做了大量的研究工作，但尚無完善的計算模型可以應用，導致影響距離計算結(jié)果尚存有誤差.此外，泥沙演進對下游居民造成的損害效果目前還沒有深入的研究成果，計算的影響距離尚不能等同于防護距離.

總之，尾礦庫潰壩計算模型還不完善，泥沙演進損害效果研究還不深入，需要借助土力學、水力學、泥沙動力學、建筑學及安全工程等學科的交叉進一步研究.

［1］敬小非，尹光志，魏作安，等.基于不同潰口形態(tài)的尾礦壩潰決泥漿流動特性試驗研究［J］. 巖土力學，2012，33(3):745-752.

［2］朱 寧，陳玉明，劉相純，等.尾礦庫環(huán)境污染分析與預防對策［J］.黃金，2014，35(2):67-69.

［3］黃 燕. 金屬尾礦庫揚塵影響分析及污染防治措施建議—以金礦尾礦庫為例［J］. 化學工程與裝備，2009(7):218-219.

［4］環(huán)境影響評價技術(shù)導則［S］.大氣環(huán)境(HJ2.2-2008).

［5］張鴻雁，王 元，陳祥芬.鐵礦尾礦庫區(qū)粉塵污染源強研究［J］.西安建筑科技大學學報，1998;30(4):396-398

［6］陳殿強，何 峰，王來貴.鳳城市某尾礦庫潰壩數(shù)值計算［J］.金屬礦山，2009(10):74-80.

［7］胡敏良. 流體力學［M］. 武漢:武漢理工大學出版社，2007.

［8］丁 峰，蔡 芳，李時蓓. 應用AERMOD 計算衛(wèi)生防護距離方法探討［J］.環(huán)境保護科學，2008，34(5):56-59.

［9］謝任之. 潰壩水力學［M］. 濟南:山東科學技術(shù)出版社，1989.