銅陵焦沖金硫礦地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價

鄧廣柱，張振飛，管斌

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊， 安徽銅陵 244000）

1 工程概況

該礦為采選聯(lián)合生產(chǎn)礦山，開采礦種為金礦、硫鐵礦。礦山采用地下開采方式，豎井開拓方案，自上而下開采。建設(shè)及運營期地下水污染源主要是生產(chǎn)廢水和生產(chǎn)固廢，即尾礦庫水和廢石淋溶水。

2 評價區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地形與地貌

評價區(qū)總的地勢是中間高兩側(cè)低，中間山體總體走向北東，山頂呈園圓頂狀，最高點大尖山標高267.7m，一般120～200m，北西側(cè)谷地最低點標高21.3m，南東側(cè)谷地最低點標高28.8m，地勢高差較大，地形坡度一般18°～33°，有利于地表水的自然排泄。

評價區(qū)地貌類型為丘陵，微地貌有高丘和山前斜地。其中高丘分布于中部，標高50～267.7m，丘頂渾圓，坡度18°～33°；山前斜地分布于東西兩側(cè)坡麓地段，地面標高28～50m，主要由第四系坡積粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土組成。

2.2 地層

評價區(qū)地表出露地層為三疊系中統(tǒng)分水嶺組、南陵湖組及下統(tǒng)塔山組，深部鉆孔揭露有三疊系下統(tǒng)小涼亭組、二疊系上統(tǒng)大隆組、龍?zhí)督M和下統(tǒng)孤峰組、棲霞組、石炭系上中統(tǒng)黃龍船山組、泥盆系上統(tǒng)五通組。

2.3 評價區(qū)所處的水文地質(zhì)

評價區(qū)位于大通-順安復(fù)向斜次級青山背斜中段，總體含水特征為背斜貧水，向斜富水。該復(fù)向斜形成丘陵區(qū)，其西北部和東南部分別為銅官山背斜和天屏山背斜形成的低山區(qū)，構(gòu)成了區(qū)域地表分水嶺。

2.4 地下水補給、徑流、排泄條件

大氣降水為區(qū)內(nèi)地下水的補給水源。降水入滲后，在低山丘陵區(qū)由于溝谷切割，一部分涌出地表成泉，徑流較短；另一部分沿斷裂、層面、溶隙等通道匯入向斜盆地形成區(qū)域地下水徑流。泉是區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式。礦山排水和供水井開采是區(qū)內(nèi)地下水的另一排泄方式。

3 地下水影響預(yù)測與評價

3.1 礦坑涌水量預(yù)測

3.1.1 充水因素分析

礦區(qū)含水層在垂向上富水程度差異明顯，塔山組、小涼亭組富水程度弱-中等，賦存于標高-200m之上，是深部巷道充水的補給來源；其下大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組富水程度弱-極弱，視為相對隔水層，局部少量的導(dǎo)水裂隙是上部地下水的下滲通道；棲霞組富水程度弱-極弱，礦體產(chǎn)于其中，為礦坑直接充水水源。

3.1.2 邊界條件

在垂向上由于大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組相對隔水層的阻隔，淺部地下水與礦坑充水聯(lián)系不大。棲霞組大理巖含水層為直接充水源，其與周邊圍巖的富水性相差較小，故在平面上可視為無限補給邊界。

3.1.3 礦坑涌水量計算

Ⅰ號主礦體分布在26～33線之間及兩側(cè)，主要賦存于二疊系下統(tǒng)棲霞組上硅質(zhì)層及其下部1～10m處，以及閃長玢巖與棲霞組接觸帶部位。經(jīng)過多年開采，現(xiàn)有巷道分布標高為-340～-580m，礦山井下排水先由泄水井下放至-580m中段，再集中排出地表。未采礦體分布在-580m中段下方，與已采礦體的開采技術(shù)條件相似，采用水文地質(zhì)比擬法預(yù)測礦坑涌水量，以近五年 -580m中段平均涌水量1045.77m3/d作為正常涌水量比擬，以近五年中最大涌水量1211.62m3/d作為最大涌水量進行比擬。

用比擬法選用公式：

式中：Q-580：-580m中段礦坑涌水量；S-580：-580m中段水位降深，取627.7m。

計算結(jié)果見表1：

3.2 礦坑排水影響預(yù)測

表1 中段涌水量計算一覽表Table 1 Calculation of water inflow in the middle section

3.2.1 礦區(qū)地下水位影響預(yù)測

隨著開采深度的增加，深井水位也不斷地下降，降落漏斗的范圍也不斷擴大[1]。根據(jù)單井影響半徑經(jīng)驗公式：R= 10S√K，計算參數(shù)：S取907.7m，K取0.0127m/d（相鄰礦山深部含水層滲透系數(shù)）。經(jīng)計算，礦山-820m以下中段排水所形成的降落漏斗半徑為1023m。由此可見，在以礦山開拓系統(tǒng)為中心、半徑為1023m范圍內(nèi)地下水位將會不同程度的下降，在礦山開拓系統(tǒng)中心部位，地下水水位已降至底板，在降落漏斗邊緣地下水位下降較小，在其外圍的地下水位不受礦山排水影響。

3.2.2 民井水位影響分析

現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，在地下水水位降落漏斗影響范圍內(nèi)沒有集中的地下水飲用水源及保護區(qū)，周圍居民均以自來水（長江水）作為飲水水源，原有的民井多作為綠化、清洗等用水。由于民井主要分布在背斜的北西翼，與礦山開采系統(tǒng)中心直線距離大于1250m，處于礦山排水降落漏斗范圍之外。因此，礦坑排水對周邊民井水位影響較小。

3.3 水文地質(zhì)概念模型的建立

根據(jù)評價區(qū)的巖性、構(gòu)造、水動力場、水化學(xué)場的分析，確定了概念模型的要素[2～3]。

3.3.1 模擬范圍

地下水環(huán)境影響預(yù)測的模擬范圍以尾礦庫為中心，東側(cè)以地表分水嶺為界，北部以佘家大院為界，西部以牌坊村和田畈村為界，面積約0.6km2。

3.3.2 含水層概化

模擬區(qū)大體以青山背斜軸線為界限劃分為東部和西部兩個水文地質(zhì)單元。模擬區(qū)范圍主要是在西部水文地質(zhì)單元，根據(jù)地下水的賦存形式及含水介質(zhì)的不同，西部水文地質(zhì)單元在空間上呈現(xiàn)為：淺部為第四系粉質(zhì)黏土夾碎石孔隙含水層，下伏灰?guī)r裂隙巖溶含水層，空間上表現(xiàn)為潛水。因此，將模擬區(qū)范圍內(nèi)含水層空間上概化為一層，即潛水含水層。

3.3.3 邊界條件

模擬區(qū)東側(cè)地下分水嶺為邊界，概化為零流量邊界；北側(cè)為流入邊界；南側(cè)及西側(cè)為流出邊界。含水層上邊界為降雨補給、蒸發(fā)排泄邊界，上邊界地表高程根據(jù)地形圖進行刻畫。下邊界為隔水邊界，下邊界高程根據(jù)鉆孔資料進行刻畫。

3.4 水流數(shù)學(xué)模型

綜合模擬區(qū)地層巖性、地下水類型、地下水補徑排特征、地下水動態(tài)變化等水文地質(zhì)條件及模擬區(qū)水均衡分析等，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，可將模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性、空間單層結(jié)構(gòu)、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，用下列的數(shù)學(xué)模型表述：

式中：

Ω—地下水滲流區(qū)域；

H—地下水水頭（m）；

S1—模型的零流量邊界；

S2—模型的流量邊界；

Kxx，Kyy，Kzz—分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)（m/d）；

w—源匯項，包括降水入滲補給等（m3/d）；

q（x,y,z） —第二類邊界單位面積流量函數(shù)（m3/d）；

n—邊界S2上的外法線方向。

3.4.1 網(wǎng)格剖分

本次模擬采用有限差分軟件GMS對模擬范圍進行剖分。網(wǎng)格剖分的疏密對計算的精度和效率有重要的影響。在平面上將研究區(qū)剖分為50行×50列，在垂向上為層的矩形網(wǎng)格，共計2500 個單元格，其中2146個為有效單元格。

3.4.2 源匯項的處理和確定

所謂源匯項是指地下水系統(tǒng)接受的補給與排泄，礦區(qū)地下水補給量主要為大氣降水入滲補給量、側(cè)向徑流補給量，排泄量主要為礦山排水、潛水蒸發(fā)量、側(cè)向徑流排泄量。

影響降水入滲補給量的主要因素是降水量、潛水水位埋深和包氣帶巖性。降水入滲補給是礦區(qū)獲得補給的主要方式。降水入滲補給量采用如下計算公式：

式中：

Q降為降水入滲補給量，104m3/a；

p為年降水量，mm；

α為降水入滲系數(shù)，無因次；

F為降水入滲計算面積，km2。

3.4.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及初值

礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)主要包括滲透系數(shù)、給水度、降水入滲系數(shù)、潛水蒸發(fā)系數(shù)。水文地質(zhì)參數(shù)只作為模型的初始值，模型識別后方為最終值。

3.4.4 模型的識別與驗證

模型的識別與檢驗過程是整個模擬工作中極為重要的一步，模型識別檢驗是一個不斷調(diào)節(jié)水文地質(zhì)參數(shù)、使模型結(jié)果盡可能與實際調(diào)查資料相吻合的過程。模型識別與檢驗的主要原則為：①模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致，即模擬的地下水流場要與實測地下水流場的形狀相似；②模擬的地下水水位的動態(tài)變化要與實測的地下水水位動態(tài)變化基本一致；③從水均衡的角度出發(fā)，模擬的各源匯項的均衡量要與實測的量相符；④識別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合實際的水文地質(zhì)條件。

3.5 溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型

3.5.1 模型建立

（1）控制方程：

（2）初始條件。污染源概化為補給濃度邊界，將補給濃度邊界的初始濃度定為C0，其余地方均為0mg/L，具體表述為：

（3）邊界條件。本次模擬將含水層各個邊界均看做二類邊界條件（Neumann 邊界），且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

式中：Γ2為Neumann邊界。

3.5.2 事故情景設(shè)計

礦區(qū)潛在的地下水污染源主要包括選礦水池、尾礦庫等含重金屬或類金屬液體的場地。在設(shè)計可能出現(xiàn)的事故情景時，重點考慮尾礦庫底部防滲系統(tǒng)泄露對地下水產(chǎn)生的污染。地下水預(yù)測評價的風(fēng)險源選擇尾礦庫，污染因子選擇As。事故情景設(shè)計為：非正常狀況下，尾礦庫防滲系統(tǒng)破裂情況下廢水泄漏。

3.5.3 模擬條件概化

在模擬中，將上述情景的污染源設(shè)定為濃度邊界，污染源位置按實際情況概化。預(yù)測原則為風(fēng)險最大原則：在模擬污染物擴散時不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點考慮地下水的對流、彌散作用。

3.5.4 模擬時段設(shè)定

總時段設(shè)為30年，一共10950天。具體到每一個情景時，則視污染物泄漏時間、擴散時間及擴散范圍而定。擴散時間較長的，以100天或1000天為時間步長來預(yù)測；擴散時間較短的，以10天等不同的時間步長來預(yù)測。

3.5.5 溶質(zhì)運移參數(shù)

縱向彌散度參數(shù)值取8。根據(jù)經(jīng)驗，橫向彌散度取值應(yīng)比縱向彌散度小一個數(shù)量級。在防滲系統(tǒng)破裂的情況下，廢水以包氣帶的飽和滲透系數(shù)速度下滲。選擇As為預(yù)測因子，泄露污染物濃度為0.454mg/L?？紤]最不利情況，將污染源概化為定濃度連續(xù)點源污染，在其下游設(shè)置地下水動態(tài)監(jiān)測點，通過模擬試算，廢水泄漏引起的地下水污染將在泄漏后的60天內(nèi)被監(jiān)測到，因此將發(fā)現(xiàn)污染物泄漏并采取措施停止泄漏的時間確定為2個月。

3.5.6 溶質(zhì)運移預(yù)測結(jié)果及評價

在溶質(zhì)運移模型中，泄漏點設(shè)為補給濃度邊界，泄漏源強通過Well子程序包及point source子程序包實現(xiàn)，As的初始濃度為0.454mg/L，模擬期為30年，利用MT3DMS軟件包運行水質(zhì)模型，得到As的運移擴散結(jié)果，見圖1～圖4。

以上各圖分別給出了泄漏后90天，停止泄漏后100天、1000天、30年，As在含水層水平方向上的運移范圍。按照《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-93）中III類標準，As的標準限值為0.05mg/L，各圖中污染范圍的外邊界即為0.05mg/L。 As污染暈中心的運移擴散情況及濃度變化情況見表2。

上述分析結(jié)果及模擬圖件可知， 尾礦庫的廢水泄漏后，其下游監(jiān)測井中的As濃度在第60天時即可達到0.05mg/L，超過《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-93）中III類標準，最大擴散距離達20m。如果2個月內(nèi)控制住污染源，考慮最不利因素，含水層中的污染物僅在水流稀釋的作用下，濃度逐漸下降，泄漏后第30年污染暈中心濃度達到0.0012mg/L，污染物的最大擴散距離沒有超過其下游150m范圍。根據(jù)模擬結(jié)果，尾礦庫下游民井在污染物泄露1500天時濃度為0.040mg/L，受到污染物泄露的影響較小，滿足標準的要求。

表2 As的遷移擴散預(yù)測結(jié)果Table 2 Migration and diffusion prediction results of As

4 結(jié)論及建議

圖1 防滲破裂時廢水泄漏100天后，As在含水層中的擴散（外邊界為標準限值）Fig.1 Diffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 100 days after waste leakage from breaks of antiseepage system

圖2 防滲破裂時廢水泄漏1000天后，As在含水層中的擴散（外邊界為標準限值）Fig.2 Ddiffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 1000 days after waste leakage from breaks of antiseepage system

圖3 防滲破裂時廢水泄漏30年后，As在含水層中的擴散（外邊界為標準限值）Fig.3 Ddiffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 30 years after waste leakage from breaks of anti-

圖 4 尾礦庫下游民井處污染物的濃度隨時間變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of pollutant concentration changing with time in the residential wells downstream of tailings pond

（1）調(diào)查評價區(qū)礦坑排水對礦區(qū)地下水位和周邊民井水位影響較小。

（2）調(diào)查評價區(qū)污染源主要是礦山廢石堆場和尾礦庫。

（3）根據(jù)調(diào)查評價資料，將模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性、空間單層結(jié)構(gòu)、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，采用GMS中的MODFLOW和MT3D軟件，聯(lián)合運行水流和水質(zhì)模型，設(shè)置可能出現(xiàn)的事故情景進行分析預(yù)測。在非正常狀況下，尾礦庫、選礦廠等防滲系統(tǒng)破損后，廢水泄露會對地下水產(chǎn)生影響。當廢水泄露60天以后被監(jiān)測井發(fā)現(xiàn)并采取措施后，含水層中的污染物僅在水流稀釋的作用下，濃度逐漸下降，泄漏后第100天、1000天、30年污染物最大擴散距離分別為35m、128m、150m，污染物濃度低于《地下水質(zhì)量標準》（GB/T14848-93）中III類標準。尾礦庫下游民井在污染物泄露1500天時濃度為0.040mg/L，受到污染物泄露的影響較小。

（4）針對礦山地下水環(huán)境保護現(xiàn)狀，提出以下地下水污染防控措施與對策。主要包括：各工業(yè)場地、管道、設(shè)備、污水儲存等設(shè)施應(yīng)做防滲措施，從源頭控制；將尾礦庫、選礦廠劃為污染重點防治區(qū)，主井工業(yè)場地、風(fēng)井工業(yè)場地、生活服務(wù)和行政辦公區(qū)等劃為污染一般防治區(qū)，進行分區(qū)防控；建立尾礦庫下游地下水監(jiān)控體系，共布設(shè)6眼地下水監(jiān)測井，及時發(fā)現(xiàn)地下水水質(zhì)污染，及時控制；制定地下水污染應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，一旦出現(xiàn)地下水污染事故，立即啟動應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急處置辦法，控制地下水污染[4]。