尾礦庫排放的重金屬鋅在廠區(qū)的遷移模擬分析

徐志成

摘要：近年來，隨著礦物的開采開發(fā)，對(duì)地下水造成了嚴(yán)重的污染，尤其是在選礦和尾礦堆放過程中。對(duì)方的尾礦經(jīng)過淋漓作用釋放出重金屬，重金屬淋漓液經(jīng)滲透進(jìn)入地下水造成地下水污染。本文在北衙某尾礦堆放場(chǎng)地下水環(huán)境影響調(diào)查及分析的基礎(chǔ)上，建立研究區(qū)滲流模型及污染物遷移模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)定不同的污染情況并進(jìn)行模擬分析。研究表明重金屬鋅的遷移主要受含水層性質(zhì)、污染物泄漏事件以及防滲工程等因素影響。

Abstract： In recent years， with the exploitation of mineral resources， groundwater has caused serious pollution， especially in the process of mineral processing and tailings stacking. The tailings releases heavy metals through the heavy rain， and the heavy metal liquid through infiltration into groundwater causes groundwater pollution. In this paper， based on groundwater environmental impact survey and analysis a the Beiya tailings disposal site， it established the seepage model and pollutant transport model in the study area， and on the basis， set different pollution conditions and took a stimulation.

關(guān)鍵詞：尾礦；溶質(zhì)運(yùn)移；數(shù)值模擬

Key words： tailings；solute transport；numerical simulation

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）16-0128-03

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，對(duì)資源的需求也來越大，礦產(chǎn)資源的開采造成了各種污染問題，尾礦就是其中之一。尾礦庫就是用來容納尾礦和廢水的設(shè)施，同時(shí)，尾礦庫也是高能污染源[1]，它一旦失事發(fā)生污染事故，將對(duì)環(huán)境造成不可估量的破壞。尾礦庫環(huán)境污染主要來自尾礦廢水中的各種有毒物質(zhì)造成的環(huán)境污染及尾礦庫潰壩造成事故造成的環(huán)境破壞。尾礦庫泄露尾礦水將造成寶貴的地表水、地下水污染[2]，土壤污染等，影響生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)尾礦廢水經(jīng)由地下水途徑對(duì)環(huán)境造成的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，從而對(duì)尾礦庫的選址、設(shè)計(jì)、建造和管理提供依據(jù)。

目前廣泛采用的評(píng)價(jià)方法是依據(jù)廠址相關(guān)地址數(shù)據(jù)構(gòu)建地下水污染物遷移數(shù)值模型[3，4]，模擬污染物在地下水中的遷移行為，預(yù)測(cè)污染物在地下水中遷移的時(shí)間和濃度。GMS在溶質(zhì)運(yùn)移問題上被廣泛的應(yīng)用。本文應(yīng)用GMS針對(duì)尾礦庫區(qū)勘察數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)庫區(qū)污染物遷移進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)污染物的遷移行為和所產(chǎn)生的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件

二選廠位于北衙盆地東部山麓分水嶺西北側(cè)山體斜坡地段，地勢(shì)南東高，北西低，自然坡度介于10～25°。地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄主要受地形地貌、巖性和構(gòu)造等因素所控制。根據(jù)地層巖性特征及賦存地下水介質(zhì)的孔隙特征，將場(chǎng)地地下水類型劃分為松散類孔隙水、巖漿巖類裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水三大類型。

1.1 松散巖類孔隙水

賦存于建設(shè)區(qū)內(nèi)第四系粘性土及人工填土層中。地下水位埋較淺，一般埋深0.5～1m，受季節(jié)影響明顯，透水性弱，富水性較弱，以大氣降雨為主要補(bǔ)給源。

1.2 巖漿巖類裂隙水

分布于建設(shè)區(qū)東部，地下水主要賦存于巖漿巖的節(jié)理裂隙中，水位埋深較淺，受季節(jié)影響明顯，屬風(fēng)化裂隙水。透水性弱。根據(jù)區(qū)域資料，泉流量0.2L/s～7.6L/s，平均1.4L/s，富水性弱。

1.3 碳酸鹽巖巖溶水

為建設(shè)區(qū)主要含水層，地下水賦存于三疊系中統(tǒng)白衙組（T2b）地層中，地下水位較深，沒有統(tǒng)一的地下水面。地下水主要賦存于巖體的溶蝕裂隙、溶洞及巖溶管道中，由于白衙組（T2b）碳酸鹽巖溶蝕裂隙、地下溶洞等巖溶較為發(fā)育，且?guī)r體厚度大，補(bǔ)給充足，地層含水層富水性極強(qiáng)，透水性極強(qiáng)。

建設(shè)區(qū)地下水補(bǔ)給主要由大氣降水入滲補(bǔ)給。地下水的補(bǔ)給方式主要是在淺部由大氣降水于地表通過第四系及裸露巖體補(bǔ)給孔隙水、巖漿巖類裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水。經(jīng)過補(bǔ)給的孔隙水及巖漿巖類裂隙水受地形影響，多順坡徑流，以散溢形式于坡腳地段排泄出地表；接受補(bǔ)給的巖溶水則通過巖體的溶蝕裂隙、巖溶管道徑流，排泄點(diǎn)為鍋廠河中游的區(qū)域地下水排泄出口北衙暗河出口。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水分為孔隙水、裂隙水及巖溶水。地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給，孔隙水賦存于土體的孔隙中、裂隙水賦存于巖漿巖的風(fēng)化裂隙中、巖溶水則賦存于碳酸鹽巖巖體的溶蝕裂隙及巖溶管道中。各類地下水徑流、排泄條件相差較大，孔隙水及裂隙水主要為順坡徑流排泄，并存在一定的水力，巖溶水則通過深部巖溶管道向鍋廠河中游的北衙暗河出口（大泉）排泄。故建設(shè)區(qū)內(nèi)地下水中孔隙水及裂隙水二者存在一定的水力聯(lián)系，但與巖溶水水力聯(lián)系較弱，且互為相互獨(dú)立的徑流、排泄條件。

2 污染物遷移數(shù)值模型

2.1 地下水水流及污染物遷移數(shù)值模型

2.1.1 地下水水流數(shù)值模型

兩個(gè)方程式分別為多孔介質(zhì)中滲流和污染物遷移的基本方程式，在具體的應(yīng)用過程中，需要對(duì)其加以相應(yīng)假設(shè)和限制，即邊界條件和初始條件，即可對(duì)方程進(jìn)行求解，從而獲得滲流場(chǎng)的空間分布情況和污染物遷移情況。

2.2計(jì)算單元格剖分

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。將研究區(qū)在平面上剖分成100×100的矩形網(wǎng)格單元，廠區(qū)進(jìn)行了加密處理，垂向上為1 層，模型頂部高程為地表標(biāo)高，底部至潛水底板。有效計(jì)算單元為6478個(gè)，無效計(jì)算單元為3522個(gè)，共計(jì)10000個(gè)。其平面和垂向剖分網(wǎng)格見圖1，圖2。

2.3 模擬范圍及邊界條件和初始條件

本次研究區(qū)邊界條件主要是基于已有調(diào)查數(shù)據(jù)，將項(xiàng)目區(qū)邊界結(jié)合調(diào)查結(jié)果，圈定模擬區(qū)范圍如圖3所示，模擬區(qū)面積為2.2km2，尾礦庫面積0.423km2，總體上地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，向東南側(cè)排泄，整個(gè)模擬區(qū)構(gòu)成一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，而模擬區(qū)范圍內(nèi)深切割溝谷用GMS中的排水溝模型進(jìn)行概化，西北側(cè)和東南側(cè)概化為定流量邊界，西南側(cè)和東北側(cè)概化為隔水邊界。

初始條件主要包括初始水頭值和初始濃度，本次研究區(qū)地下水初始水頭根據(jù)施工鉆孔穩(wěn)定水位及泉點(diǎn)出露位置高程，其他部位根據(jù)地形形態(tài)特征插值推測(cè)，采用克里金插值方法獲得模擬區(qū)地下水等水位線如圖4所示，該水頭值也用做模擬計(jì)算的初始水頭值。而初始濃度本次主要根據(jù)浸出液最高檢出濃度鋅為0.03mg/L作為模擬區(qū)泄漏初始濃度，分布于整個(gè)渣場(chǎng)庫區(qū)范圍內(nèi)。將實(shí)驗(yàn)獲取的滲透系數(shù)帶入GMS模擬軟件中，結(jié)合如前所概化的邊界條件和初始條件，對(duì)模型進(jìn)行校正及驗(yàn)證，最終獲得模擬區(qū)穩(wěn)定滲流場(chǎng)水頭分布如圖5所示。

3 泄漏和防滲工況水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)

在得到滲流場(chǎng)誰偷得基礎(chǔ)上，利用MODFLOW和MT3DMS模塊對(duì)污染物遷移進(jìn)行模擬。聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型。針對(duì)非正常情況下的尾礦庫Zn污染物泄漏情況，重點(diǎn)考慮了對(duì)流、彌散作用，不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，將泄漏點(diǎn)設(shè)為補(bǔ)給濃度邊界，進(jìn)行了尾礦庫Zn泄漏及防滲條件下污染物遷移模擬。

3.4.1 尾礦庫Zn泄漏預(yù)測(cè)結(jié)果

Zn初始濃度設(shè)為0.03mg/L，模擬期為7200天（20年），以50為時(shí)間步長(zhǎng)，共模擬了144個(gè)應(yīng)力期。圖6各圖分別給出了在尾礦庫底泄漏發(fā)生100天、500天、2000天、5000天、7200天后的預(yù)測(cè)結(jié)果。

從上述圖6可以看出，Zn在泄露100天后整體沿著尾礦庫東南側(cè)尾礦壩下游遷移，移動(dòng)距離較短，影響范圍限制在尾礦壩下游，中心部分最高濃度可達(dá)到源強(qiáng)濃度0.03mg/L；泄露500天后仍朝南東方向尾礦壩一側(cè)沿著地下水流方向進(jìn)一步遷移，污染羽狀物擴(kuò)散范圍有所增加，由于彌散作用，尾礦庫西北側(cè)溝谷間沿著溝谷反向彌散，羽狀物向尾礦庫四周擴(kuò)散，但是范圍有限，都在尾礦庫范圍周邊區(qū)域數(shù)米范圍之內(nèi)，而東南側(cè)沿著溝谷遷移最遠(yuǎn)距離約80m；泄露2000天后，Zn污染羽狀物沿著尾礦壩東南側(cè)溝谷擴(kuò)散速度加快，污染羽狀物擴(kuò)散面積增加明顯大于500天情景東南側(cè)尾礦壩下游污染物沿著溝谷最遠(yuǎn)遷移距離約200m；泄露5000天后，Zn在水動(dòng)力條件下繼續(xù)運(yùn)移，主要沿著東南側(cè)溝谷繼續(xù)遷移，但是由于溝谷下游地形較為緩和，結(jié)合穩(wěn)定水頭分布圖也可以看出，隨著水力梯度減小，污染物沿著溝谷遷移速度減小，東南側(cè)沿著溝谷最遠(yuǎn)遷移距離約250m，比2000天情景時(shí)羽狀物擴(kuò)散范圍增加，但是增加速度減緩；而7200天后Zn污染物還在不沿著東南溝谷遷移擴(kuò)散，同樣由于溝谷下游水力梯度減小，擴(kuò)散速度減慢，羽狀物形態(tài)與5000天情景相差不大，沿著東南側(cè)溝谷最遠(yuǎn)距離有所增加，約為280m。

3.4.2 防滲條件下污染物模擬結(jié)果

正常工況且人工防滲發(fā)揮作用的滲漏條件下，尾礦庫正常持續(xù)泄漏。尾礦庫設(shè)計(jì)防滲層滲透系數(shù)小于10-12cm/s，為最大限度地預(yù)測(cè)污染物運(yùn)移擴(kuò)散情況，故正常工況并考慮人工防滲發(fā)揮作用下，防滲層整體滲透系數(shù)取1.0×10-7cm/s，本著風(fēng)險(xiǎn)最大原則，Zn初始濃度0.03mg/L，考慮尾礦庫淋溶液年存滲濾液的時(shí)間按365天計(jì)算。聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型，得到Zn擴(kuò)散預(yù)報(bào)結(jié)果，圖7各圖分別給出了在尾礦庫底泄漏發(fā)生100天、500天、2000天、5000天、7200天后的預(yù)測(cè)結(jié)果。

從圖7中可以看出，在尾礦庫進(jìn)行防滲條件下，污染物僅僅在尾礦庫底部發(fā)生微量聚集，在7200天后在尾礦庫底部部分區(qū)域濃度達(dá)到0.00088，但仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.05mg/L。因此說明，在防滲設(shè)施較好條件下，污染物發(fā)生泄漏導(dǎo)致地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)較小。低濃度的Zn污染羽狀物擴(kuò)散趨勢(shì)與情景1類似，主要是沿著尾礦壩東南側(cè)溝谷方向遷移，但濃度均較低，遷移距離較短。

4 結(jié)論

①利用GMS構(gòu)建概念模型，再通過概念模型構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，可以有效地模擬尾礦庫地下水流場(chǎng)分布，研究污染物在地下水中的遷移行為，掌握其遷移規(guī)律和影響狀況。②模擬結(jié)果表明在良好防滲設(shè)施條件下，污染物泄露導(dǎo)致的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較小。

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