彌散試驗在羅河鐵礦變更建設項目地下水水質(zhì)污染范圍預測中的應用

崔偉，姬淑麗

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,蚌埠　233000)

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彌散試驗在羅河鐵礦變更建設項目地下水水質(zhì)污染范圍預測中的應用

崔偉，姬淑麗

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院,蚌埠233000)

摘要：羅河鐵礦變更建設工程在項目建設、生產(chǎn)運行和服務期滿后的各個過程中，可能造成地下水水質(zhì)污染。野外彌散試驗用于研究污染物在地下水中運移時其濃度的變化規(guī)律，并通過試驗獲得進行地下水質(zhì)量定量評價的彌散參數(shù)，從而計算出特定時間內(nèi)地下水水質(zhì)污染的范圍。

關鍵詞：羅河鐵礦;彌散試驗;彌散參數(shù)

1工程概況

羅河鐵礦位于安徽省廬江縣境內(nèi)，礦區(qū)總面積4.4 km2，為地下開采的礦山。礦區(qū)已建設工程總體包括主工業(yè)場地、進風井工業(yè)場地、炸藥庫、廢石場及回風井工業(yè)場地。由于開采方法變更為充填法，因此，在已建設工程的基礎上，充填法方案主要增加項目為充填站工業(yè)場地(圖1)。

2地下水污染源分析

2.1采礦工程環(huán)境水文地質(zhì)問題分析

2.1.1采礦工程

礦山擬開采礦體的厚度比較大，傾角緩，適宜采用向下大孔空場嗣后充填采礦法，對厚度較小部分及邊角小礦體，采用其他充填采礦方法作為補充。開拓方式采用豎井開拓，先用炸藥對巖體進行爆破(圖2)，然后鏟裝運輸，坑內(nèi)運輸采用軌道運輸方式，礦石和廢石均采用電機車雙機牽引運輸。開采廢石運往廢石場堆放，廢石場的占地面積14.02×104m2，廢石場配置20 t自卸汽車6輛，其中4輛運行，1輛檢修，1輛備用，推土機1臺。

圖1　工程布置圖

圖2　開采工藝示意流程圖

2.1.2環(huán)境水文地質(zhì)問題分析

(1) 建設期

工程建設期為豎井開拓，在豎井開拓過程中會疏干地下水，但疏干范圍僅局限于巷道和豎井，不會形成大規(guī)模的降水漏斗，對地下水水位影響較小。

(2) 運營期

礦山開采需疏干排水，會引發(fā)區(qū)域地下水水位下降。根據(jù)初步設計報告，東區(qū)-455 m中段礦坑正常涌水量為5 302 m3/d，最大涌水量為18 352 m3/d；西區(qū)-560 m中段礦坑正常涌水量為2 397 m3/d，最大涌水量為10 303 m3/d。礦山開采疏干地下水會改變區(qū)域地下水流場，形成降水漏斗，對地下水水位產(chǎn)生影響。

(3) 服務期滿后

服務期滿后，礦井和采空區(qū)均被充填，地下水水位逐漸恢復，對地下水水位不會產(chǎn)生影響。

2.2工業(yè)場地及其地下水污染源分析

2.2.1工業(yè)場地

工業(yè)場地可分為主工業(yè)場地、進風井、回風井工業(yè)場地等。

主工業(yè)場地主要分為生產(chǎn)區(qū)和辦公生活區(qū)，生產(chǎn)區(qū)主要包括臨時堆礦平臺、破碎廠房、篩分廠房、選礦主廠房、濃縮池、鐵精礦和硫精礦過濾廠房、環(huán)水、事故水池、膠帶運輸系統(tǒng)、總尾礦泵房，倉庫、選礦辦公室和實驗化驗室等。辦公生活區(qū)主要為辦公樓、職教中心、職工宿舍、專家樓、食堂等。

進風井工業(yè)場地主要由進風井、空壓機房、絞車房、辦公樓等組成。

回風井場地主要包括1號和2號回風井、絞車房、空壓機站、水池等，其中回風井東側充填站為新建，充填站設3套獨立系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由6個立式砂倉、控制室及蓄水池等組成。立式砂倉容積1 250 m3，砂倉凈直徑為10 m，砂倉凈高約為22 m。充填料漿輸送設計6條鉆孔，其中3條工作，3條備用。選擇Ф159×18高錳耐磨鋼管。設計年平均充填采空區(qū)體積78.014×104m3/a，年平均充填料漿需用量98.307×104m3/a。

2.2.2污染源分析

(1) 生產(chǎn)建設期

在上述工程建設過程中，施工隊伍會產(chǎn)生生活廢水、生產(chǎn)廢水、固體廢棄物。

生產(chǎn)廢水和生活廢水污染組份一般為SS、pH、COD、BOD、大腸桿菌、礦物油類等污染物，通過排水入滲地下水中，從而污染地下水。

固體廢棄物主要為建筑材料，在降水作用下，形成淋濾水，污染組份為SS，淋濾水入滲進入地下水，污染地下水。

(2) 運營期污染物分析

正常施工狀態(tài)下，各工業(yè)場地建筑排水經(jīng)化糞池預處理后，通過排水管網(wǎng)匯集到生活污水處理站，處理達標后排至附近河流，一般不會產(chǎn)生污染物。

但在事故狀態(tài)下，破碎廠房、過濾廠房、濃縮池等選礦設施可能出現(xiàn)泄露，可能污染地下水，污染組份為礦物油類、重金屬、pH、SS、COD、BOD、大腸肝菌等。

(3) 服務期滿后

服務期滿后，工業(yè)場地均被拆除，一般不會污染地下水。

2.3尾礦庫及其污染源分析

2.3.1尾礦庫工程

尾礦庫位于選礦廠東側的付沖溝，付沖溝尾礦庫距選礦廠約7 km，尾礦庫所在溝的地形較平坦，該溝南北走向，溝長1 239 m，此溝匯水面積0.98 km2，平均坡度27.8‰。

為了充分利用尾礦庫的庫容，初期壩選在距溝口處，其地面標高約為58.0 m，初期壩壩頂標高75.0 m，初期壩最大壩高約17.0 m。尾礦最終堆積標高120.0 m，總庫容2 173×104m3,按選礦廠年處理原礦300×104t，可使用16.1 a。尾礦庫最終占地面積約92.67 hm2。

2.3.2污染源分析

(1) 生產(chǎn)建設期

在尾礦庫的建設過程中，施工隊伍會產(chǎn)生生活廢水和固體廢棄物。

生活廢水污染組份一般為SS、pH、COD、BOD、大腸桿菌、礦物油類等污染物，通過排水入滲地下水中，從而污染地下水。根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014-2006)中的BOD5人均排污量為0.02～0.035 kg/Cap·d，計算COD排污量為0.04～0.07 kg/Cap·d，按施工人員100人考慮，則BOD5、COD排放量分別為0.2～0.4 kg/d、0.4～0.8 kg/d。施工期生活污水排放量少，且周邊無大的地表水體，施工生活污水排放對周圍水環(huán)境影響較小。

固體廢棄物主要為生活垃圾和建筑材料，在降水作用下，會形成淋濾水，污染組份為SS，淋濾水入滲進入地下水，可能會污染地下水。尾礦庫在施工現(xiàn)場廢棄的建筑垃圾采用分類回收，施工中產(chǎn)生的碎磚、石、砼塊、黃沙等建筑垃圾，收集作為地基的填筑料。生活垃圾及時清運并送往城鎮(zhèn)垃圾填埋場進行填埋。因此，固體廢棄物淋濾水對地下水環(huán)境影響較小。

(2) 營運期

① 正常工況下

在正常工況下，入庫尾礦漿中的尾礦沉積于庫內(nèi)，而澄清尾礦水經(jīng)溢流塔，流入回水池，正常生產(chǎn)尾礦水總的溢流量為227 m3/h，全部由回水泵加壓送選礦廠選礦生產(chǎn)循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)利用。因此，在正常工況下，尾礦庫溢流水不會對地下水造成影響。

② 非正常工況下

在非正常工況下，尾礦庫的溢流水無法送往循環(huán)利用，或出現(xiàn)泄漏，從而使得污染水入滲地下，對地下水造成不良影響。由《羅河鐵礦選礦試驗污水特性及處理試驗研究報告》可知，尾礦溢流水的水質(zhì)成分主要包括SS、硫化物、Mn、Cu、Cd、Cr6+，濃度滿足《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)一級排放標準的限值要求。因此，在事故狀態(tài)下，尾礦庫的溢流水會對地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響，但影響程度較小。

(3) 閉庫期

尾礦庫服務期滿后，相關設施、設備拆除或運走，尾礦庫廢水處理后進行達標排放，尾礦庫封場后會進行土地復墾，進行生態(tài)恢復，因此，尾礦庫封場后不會對地下水產(chǎn)生影響。

3布設監(jiān)測點

項目區(qū)水流向清楚，地下水坡度較小，因此采用抽水試驗附加人工流場，進行了野外彌散試驗。監(jiān)測點布設如圖3。

圖3　監(jiān)測點布置圖

4彌散試驗

由于氯化物的成本低、不易被吸附、易于檢測，效果也最好，因此，本次選擇NaCl作為示蹤劑。由于天然水力坡度對彌散試驗的時間要求相對較長，因此，本次彌散試驗通過對ZK01號孔進行穩(wěn)定流抽水，待三個孔的水位穩(wěn)定后，ZK01、ZK02和ZK03形成一個人工的水力坡度，首先向87.5 l水中加入25 kg食鹽，配制成285.7 g/l的NaCl溶液，然后瞬時向投源孔(ZK03)投入285.7 g/l的NaCl溶液，根據(jù)觀測孔(ZK01和ZK02)的濃度變化確定時間間隔進行取樣，一般為0.5 h取一次樣，然后使用相應濃度的HgNO3溶液進行滴定，來測定各觀測井的NaCl濃度，并繪制相應曲線(圖4)。

圖4　彌散試驗時間-濃度變化曲線圖

5彌散參數(shù)

根據(jù)繪制的濃度-時間變化曲線(圖4)，通過逐點求參法可得到縱、橫向水動力彌散系數(shù)DL、DT(表1)。

式中，u為滲流的實際速度(m/d)；C1為t1時刻示蹤劑濃度(mol/l)；C2為t2時刻示蹤劑濃度(mol/l)；Q為抽水流量(m3/d)；W為垂直水流方向橫截面積(m2)；n為含水層有效孔隙度。

表1　彌散系數(shù)計算結果表

6水質(zhì)污染范圍預測

在模擬污染物擴散時，重點考慮了對流、彌散作用，不考慮吸附作用、化學反應等因素。本次模擬根據(jù)泄漏情景不同選取不同的污染物作為模擬因子。本次模擬預測時間設定為羅河礦一期服務年限為40 a，尾礦庫總服務期60 a，模擬得出污染物時空變化過程，從而確定本區(qū)地下水環(huán)境影響范圍和程度。

6.1預測模型概化

6.1.1水文地質(zhì)模型概化

(1) 結構特征概化

根據(jù)項目區(qū)的水文地質(zhì)特征，由于第一隔水層的存在，且分布連續(xù)，礦山生產(chǎn)會對第二含水層組進行疏干，但二含與上部一含無水力聯(lián)系，疏干對上部含水層水位影響較小，礦山生產(chǎn)的污染物也不會滲入到二含，污染物僅會影響到一隔上部含水層組，而第一弱透水層和第一含水層水力聯(lián)系密切，因此，在預測時將項目區(qū)自上而下概化為第一含水層組和第一隔水層(圖5)。

圖5　水文地質(zhì)概化模型示意圖

(2) 地下水流場概化

評價區(qū)主要分為兩部分，主場區(qū)和尾礦庫分屬為兩個獨立、完整的水文地質(zhì)單元。主要場區(qū)地下水總徑流方向以中部分水嶺向東西兩側徑流，局部受地形影響有所變化，尾礦庫由南向北徑流，兩處地下水徑流量小且緩慢。

(3) 邊界條件概化

羅河鐵礦建設工程污染源主要分布在主場區(qū)、廢石場轉(zhuǎn)運站、尾礦庫，其地下水污染主要影響場區(qū)及下游地區(qū)；根據(jù)收集到的區(qū)域地形、水文、水文地質(zhì)資料，結合本次野外調(diào)查，將主場區(qū)四面河流概化為定水頭分界，局部地段為隔水邊界；將尾礦庫四面概化為隔水邊界。

6.1.2污染源概化

根據(jù)污染源分析中可能出現(xiàn)的情景，選取廢石轉(zhuǎn)運站、生活污水處理站、選礦廠、尾礦庫4個地點進行預測，根據(jù)這4個地點可能出現(xiàn)泄漏的最大污染濃度的污染物，其中廢石轉(zhuǎn)運站污染源強選擇Mn，濃度取50 mg/l，為長期的點狀污染源；生活污水處理站污染源強選擇氨氮，濃度取150 mg/l，為長期點狀污染源；選礦廠污染源強選擇硫化物，濃度取50 mg/l，為長期點狀污染源；尾礦庫污染源強選擇Fe，濃度取50 mg/l，為長期點狀污染源。評價區(qū)降雨補給為2 000 mm/a，排水溝水力傳導系數(shù)為169 m2/d。

6.1.3水文地質(zhì)參數(shù)選取

水文地質(zhì)參數(shù)選取《羅河鐵礦變更項目水文地質(zhì)勘查報告》中的滲透系數(shù)、總孔隙度，結合本次彌散試驗獲得彌散系數(shù)(表2)。

表2　水文地質(zhì)參數(shù)選取一覽表

6.2模型運行

本次模擬使用的軟件為GMS 6.0，子模塊為MODFLOW 2000模擬水流模型，MT3D 1.5模擬污染物運移。將水文地質(zhì)參數(shù)和污染源指示劑(氨氮、硫化物、Mn和Fe)數(shù)據(jù)輸入模型，主場區(qū)運行時長為1 d后、1 000 d后和14 600 d(40 a)后，尾礦庫運行時長為1 d后、1 000 d后和21 900 d(60 a)后，運行結果見圖6、圖7。

6.3結果分析

由模擬結果可知，主場區(qū)污染物Mn的遷移距離最遠，為106 m；污染物硫化物的遷移距離次之，為95 m；污染物氨氮的遷移距離為70 m；尾礦庫Fe的遷移距離分別為125 m和206 m。

圖6　模型運行泄漏發(fā)生1 d后、1 000 d后和14 600 d(40 a)后污染物濃度分布圖(主場區(qū))

圖7　模型運行泄漏發(fā)生1 d后、1 000 d后和21 900 d(60 a)后污染物濃度分布圖(尾礦庫)

7結語

正常情況下，羅河鐵礦變更項目在工程建設期、生產(chǎn)運營期和服務期滿后都不會對地下水水質(zhì)造成大的影響。但在事故狀態(tài)下污染物會進入地下水，根據(jù)預測結果，主場區(qū)污染物在事故發(fā)生30 a后和尾礦庫事故發(fā)生60 a后的遷移結果，受到污染的區(qū)域范圍較小，不會對區(qū)域地下水水質(zhì)造成嚴重影響。

由污染途徑分析可知，只要建立切實可行的防范措施，并確保各項防滲、防泄漏措施得以落實的前提下，可有效控制廠區(qū)內(nèi)的廢水污染物下滲或外溢現(xiàn)象，避免污染地下水，因此，本項目不會對區(qū)域地下水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。

參考文獻

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THE APPLICATION OF DISPERSION TEST IN GROUNDWATER WATER QUALITY POLLUTION RANGE FORECAST IN LUOHE IRON CONSTRUCTION PROJECT

CUI Wei,JI Shu-li

(Anhui Provincial Bureau of geological prospecting in the first hydrogeological and Engineering Geological Exploration Institute，Bengbu233000,China)

Abstract:Luohe iron deposit changes construction engineering in project construction, operation and services after the expiry of the period each process, may cause the pollution of underground water.Field dispersion test is used to study how the concentration of pollutants in the groundwater migration change rule, and through the test to get the groundwater quality quantitative evaluation dispersion test. To calculate the specific time groundwater water quality pollution of the scope .

Key words：Luohe iron deposit; dispersion test; dispersion parameters

文章編號：1006-4362(2016)02-0063-06

收稿日期：2016-03-06改回日期：2016-04-15

中圖分類號：TV131.6；X52

文獻標識碼：A

作者簡介：崔偉(1985-)，男，工程師，長期從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)相關工作。E-mail:ysdds2928@163.com