尾礦庫重金屬污染物對地下水污染的模擬預(yù)測

賈惠艷，孫美娜，高紅江，李秀博，王開君

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 盤錦 121000；3.遼寧省第四地質(zhì)大隊(duì)，遼寧 阜新 123000)

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尾礦庫重金屬污染物對地下水污染的模擬預(yù)測

賈惠艷1，孫美娜2，高紅江1，李秀博2，王開君3

(1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊(duì)，遼寧 盤錦 121000；3.遼寧省第四地質(zhì)大隊(duì)，遼寧 阜新 123000)

[摘要]對某金礦尾礦庫浸出液中的污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行預(yù)測分析。論文以浸出液中重金屬污染物鋅、鉛、砷、丁基黃藥污染因子作為溶質(zhì)，建立污染因子隨地下水流運(yùn)移和彌散模型，利用Visual Modflow4.2軟件進(jìn)行模擬分析，預(yù)測得出尾礦庫建成1年、2年、5年和10年后，尾礦庫附近和5個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)附近地下水中鋅、鉛、砷和丁基黃藥濃度分布特征。其中鋅、鉛和丁基黃藥等3類污染物在尾礦庫及所在沖溝對地下水影響較為明顯，砷在尾礦庫和監(jiān)測點(diǎn)附近的影響都不大，滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

[關(guān)鍵詞]金礦尾礦庫；地下水；污染物；運(yùn)移預(yù)測

金礦尾礦庫浸出液中含有大量的氰化物、氯化物以及鋅、鉛、砷等重金屬污染物，這些污染物可隨浸出液滲入到地下，對土壤及地下水造成污染，并通過地下水的徑流、排泄將污染物擴(kuò)散，使尾礦庫周邊一定范圍內(nèi)的土壤、地下水受到污染，有的甚至?xí)鹞驳V庫下游水體污染，直接影響尾礦庫周邊居民的正常生產(chǎn)、生活，威脅生命安全[1-2]。這種污染具有潛伏性、不可逆性、長期性和治理與修復(fù)困難的特點(diǎn)，因此在尾礦庫修建之前有必要對尾礦庫周邊及下游水體進(jìn)行地下水污染預(yù)測研究，這對保護(hù)礦區(qū)周圍地下水和土壤不受污染有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[3]。某金礦為了處理尾礦，擬在金礦附近溝谷中修建一個尾礦庫，因尾礦浸出液中含有重金屬污染物鋅、鉛、砷和丁基黃藥等污染物且濃度較高，尾礦庫投入使用后，會使尾礦庫及周邊一定范圍的地下水受到不同程度的污染。為在建庫之前對污染情況做出客觀評價，本文利用Visual Modflow4.2模擬軟件對尾礦庫重金屬污染物在地下水中的運(yùn)移進(jìn)行預(yù)測研究，為該礦尾礦庫建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)水文地質(zhì)條件

擬建尾礦庫位于低山丘陵溝谷中，研究區(qū)內(nèi)有第四系松散孔隙潛水和太古界基巖裂隙潛水。其中第四系巖性為坡、洪積砂礫石，厚度在0.3～1.8 m之間，滲透性較好。太古代混合花崗巖伏于第四系砂礫石之下，受風(fēng)化作用影響，自上至下分為強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、微風(fēng)化層和未風(fēng)化原巖四個層帶：強(qiáng)風(fēng)化層厚度在0.7～1.3 m之間，巖石結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，裂隙較發(fā)育，滲透性較好；中風(fēng)化層厚度在5.6～6.0 m之間，巖石結(jié)構(gòu)部分被破壞，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，滲透性好；微風(fēng)化層巖體完整，發(fā)育少量風(fēng)化裂隙，滲透性差。

圖1　研究區(qū)范圍及邊界概化示意圖

2地下水污染物運(yùn)移預(yù)測

2.1水文地質(zhì)模型概化

根據(jù)研究區(qū)含水層介質(zhì)特點(diǎn)，確定研究為第四系松散層孔隙和太古代混合花崗巖裂隙構(gòu)成的潛水含水層組。確定以沖溝為中心東北部外擴(kuò)20 m，向西南外擴(kuò)15 km的地下水水位比較穩(wěn)定的區(qū)域作為研究區(qū)，研究區(qū)面積約50 km2。假設(shè)研究區(qū)地下水徑流嚴(yán)格受地勢控制，由尾礦庫庫區(qū)通過中部低洼地帶匯入溝谷最后流向南側(cè)河流，依據(jù)庫區(qū)及周圍5個村莊井點(diǎn)多年監(jiān)測，地下水未受到污染，水質(zhì)滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》Ⅲ類地下水的要求。根據(jù)上述分析和假定條件概化為水文地質(zhì)模型，見圖1。模型南邊以河流為邊界，模型的西、北、東三側(cè)設(shè)為給定流量補(bǔ)給邊界，并采用達(dá)西斷面法計算給定流量。模型上邊界為自由潛水面，作為給定水頭邊界，其邊界條件由大氣降水入滲、蒸發(fā)排泄等因素確定；下邊界設(shè)在位于地表以下30 m的未風(fēng)化混合花崗巖中，基本無水量交換，因此，設(shè)為零流量邊界。

表1　水文地質(zhì)參數(shù)表圖

圖2　2012年6月計算地下水位

圖3　2012年12月計算地下水位

2.2地下水流數(shù)學(xué)模型的建立

研究區(qū)地下水為非均質(zhì)、各向異性、穩(wěn)定三維潛水流動系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為[4-5]：

(1)

式中：H為地下水水頭(m)；Kxx，Kyy，Kzz為x，y，z方向主滲透系數(shù)(m/d)；b為潛水含水層底板標(biāo)高(m)；p為含水層源匯項(xiàng)(m/d)；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；H0為含水層初始水頭(m)；Ω為滲流區(qū)域；H1為一類邊界水頭(m)；B1為水頭已知邊界，第一類邊界；B2為流量已知邊界，第二類邊界；n為滲流區(qū)邊界的單位外法線方向。

圖4　計算水位與觀測水位校正圖

注：圖中白色區(qū)域表示無穩(wěn)定地下水潛水面區(qū)域，下同。

圖5　1年后鋅污染暈分布圖

利用Visual MODFLOW中的Grid模塊對計算區(qū)進(jìn)行自動剖分，并在研究區(qū)內(nèi)五個監(jiān)測點(diǎn)處進(jìn)行了網(wǎng)格加密[6]。將模擬期分別定為1 a、2 a、5 a和10 a，以1個月為時間段(Period)，10 d為一個時間步長(Time steps)。研究區(qū)地下水的補(bǔ)給來源，通過有效降雨入滲補(bǔ)給和側(cè)向滲流計算得出，地下水的排泄量通過實(shí)際調(diào)查獲得。結(jié)合《水文地質(zhì)手冊》及勘察報告中實(shí)測滲透系數(shù)，確定研究區(qū)巖土體水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

圖6　10年后鋅污染暈分布圖

圖7　1-10年監(jiān)測井鋅濃度變化

2.3模型識別與驗(yàn)證

為了確保建立的模型能夠正確地反映研究區(qū)的流場變化，達(dá)到與實(shí)際情況接近擬合的效果[7]。將2012年1月至2012年12月這個長時間序列作為模型的識別期和驗(yàn)證期。通過模擬計算得出2012年6月、12月的等水位線圖(圖2-圖3)，圖中等水位線的分布趨勢反映了本區(qū)地下水流場的基本特征，即地下水由地勢較高向較低區(qū)域流動，最后匯集于低洼溝谷中。收集研究區(qū)內(nèi)的3個地下水位觀測孔觀測資料，3個孔的水位在31.0～34.8 m，而模型計算水位在33.4～34.76 m，計算水位與觀測水位平均誤差為0.7 m，所有觀測點(diǎn)水位都是處于95%置信度區(qū)間內(nèi)(圖4)，可認(rèn)為模型參數(shù)設(shè)置良好，達(dá)到精度要求，能作為污染源運(yùn)移的計算模型。

圖8　1年后鉛污染暈分布圖

圖9　10年后鉛污染暈分布圖

圖10　1-10年監(jiān)測井鉛濃度變化

2.4污染物遷移數(shù)學(xué)模型建立

2.4.1模型建立

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況建立污染物遷移數(shù)學(xué)模型[8]：

(2)

式中：θ為介質(zhì)孔隙度；Ck為溶質(zhì)K的濃度(ML-3)；t為時間(T)；xi，j為在直角坐標(biāo)系下沿各方向上的距離(L)；Di，j為水動力彌散系數(shù)張量(L2T-1)；vi為滲流速度(LM-1)；qs為單位體積含水層給出或接受的流體的數(shù)量，代表源匯項(xiàng)，+代表源，-代表匯(T-1)；Csk為源匯項(xiàng)中K的濃度(ML-3)；∑Rn為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)(ML-3T-1)；Ω為為研究區(qū)空間區(qū)域；t為時間(d)。

圖11　1年后砷污染暈分布圖

圖12　10年后砷污染暈分布圖

地層縱向彌散度橫向彌散度第四系101強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖202中風(fēng)化混合花崗巖50.5微風(fēng)化混合花崗巖0.50.05

圖13　1-10年監(jiān)測井砷濃度變化

圖14　1年后丁基黃藥污染暈分布圖

2.4.2溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)選取

隨著互聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)的急速發(fā)展和普及，云計算在提高使用效率的同時，為數(shù)字內(nèi)容安全和用戶個人敏感信息保護(hù)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

根據(jù)相關(guān)部門提供尾礦浸出液監(jiān)測數(shù)據(jù)及研究區(qū)前人研究成果[9]，鋅、鉛、砷、丁基黃藥分別設(shè)定初始濃度為1 414 mg/L、2 260 mg/L、1 mg/L、1 mg/L，分配系數(shù)為1、5、2、10，尾礦庫的補(bǔ)給濃度為63 m3/d，彌散系數(shù)見表2。

2.5預(yù)測分析

當(dāng)浸出液中鋅濃度為1 414 mg/L時，尾礦庫建成后1年，庫中心地下水中鋅濃度達(dá)到1.6 mg/L(圖5)；2年后達(dá)到1.8 mg/L；5年后達(dá)到2.5 mg/L；10年后達(dá)到4 mg/L(圖6)。而5個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)只有Obs.2鋅濃度有小幅上升，但在10年內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)所有點(diǎn)地下水中鋅的濃度均小于1.0 mg/L(圖7)。

當(dāng)浸出液中鉛濃度為2 260 mg/L時，尾礦庫建成后的1年，庫中心鉛濃度達(dá)到2.5 mg/L，0.05 mg/L的范圍到達(dá)小東溝附近，地下水中鉛的污染羽如倒置的鐘型(圖8)；2年后庫中心鉛濃度達(dá)到3 mg/L，0.05 mg/L的范圍分別向東西兩側(cè)略有擴(kuò)大；5年后庫中心鉛濃度達(dá)到4 mg/L，0.05 mg/L的范圍略有增加；10年后，尾礦庫中心達(dá)到6 mg/L，0.05 mg/L的范圍不斷向東西兩側(cè)擴(kuò)散，沿小東溝向東擴(kuò)散的范圍較向西的大(圖9)。而5個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中Obs.2中鉛濃度略有上升，Obs.5略有下降，其余3個監(jiān)測點(diǎn)地下水中鉛濃度較為穩(wěn)定(圖10)。

圖15　10年后丁基黃藥污染暈分布圖

圖16　1-10年監(jiān)測井丁基黃藥濃度變化

當(dāng)浸出液中砷濃度為1 mg/L時，尾礦庫建成后的1年，庫內(nèi)地下水中砷濃度最高達(dá)到0.005 2 mg/L(圖11)；2年后也為0.005 2 mg/L；5年后達(dá)到0.005 8 mg/L；10年后達(dá)到0.007 mg/L(圖12)；而5個監(jiān)測點(diǎn)中，除Obs.5地下水中砷濃度略有下降外，其余4個監(jiān)測的砷濃度基本保持穩(wěn)定(圖13)。

當(dāng)浸出液中丁基黃藥濃度為1 mg/L時，尾礦庫建成后的1年，庫內(nèi)地下水中丁基黃藥濃度最高達(dá)到0.001 mg/L(圖14)；2年后為0.001 2 mg/L；5年后達(dá)到0.001 6 mg/L；10年后達(dá)到0.003 mg/L(圖15)；而5個監(jiān)測點(diǎn)中，除Obs.2地下水中丁基黃藥濃度略有上升外，其余4個監(jiān)測的丁基黃藥濃度基本保持穩(wěn)定(圖16)。

3結(jié)語

由以上模擬結(jié)果可知，尾礦庫建成10年后，尾礦庫中心及周邊和5個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)附近地下水中，僅有砷濃度滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》Ⅲ類地下水的標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》水質(zhì)限值要求。浸出液中的鋅、鉛和丁基黃藥等3類污染物在水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)(共5個)靠近尾礦庫區(qū)域污染物濃度略有上升，遠(yuǎn)離尾礦庫區(qū)域污染物濃度略有下降，但其濃度遠(yuǎn)小于Ⅲ類地下水要求的濃度標(biāo)準(zhǔn)(鋅≤1.0 mg/L，鉛、砷≤0.05 mg/L，丁基黃藥≤0.001 mg/L)，所以5個水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)附近的地下水均滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》Ⅲ類地下水的標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749-2006)》水質(zhì)限值要求。尾礦庫及所在沖溝地下水中鋅、鉛和丁基黃藥等3類污染物影響都較為明顯，污染物沿著尾礦庫所在的沖溝向下游排泄，即從南向北排向溝谷最終流向河流，隨著時間的推移，3類污染物超標(biāo)濃度范圍不斷的擴(kuò)大。其中鉛在尾礦庫附近和所在沖溝下游地下水中濃度已達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》Ⅴ類地下水標(biāo)準(zhǔn)，對尾礦庫周邊地下水污染較為嚴(yán)重。因此，預(yù)測鉛可能會污染河水，建議做專項(xiàng)調(diào)查研究。

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[收稿日期]2015-03-14

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金，項(xiàng)目批準(zhǔn)號：41202180；國家自然科學(xué)基金，項(xiàng)目批準(zhǔn)號：51374124

[作者簡介]賈惠艷(1975-)，女，遼寧錦州人，副教授，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)方面研究。

[中圖分類號]X523

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0075-05