平面連續(xù)點源模型模擬某尾礦庫中銅、鋅、鉛的遷移情況

朱時佳，孫艷玲，張麗玲

吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春 130102

0 引言

礦產(chǎn)開采是人類生存和發(fā)展的重要活動，Pb、Zn等金屬在生產(chǎn)中的為人類的生活帶來了巨大便利。然而在采選礦物的過程中，會使用到CuSO4等淋選藥品，淋選后的礦渣將與殘留的淋溶液一同排入尾礦庫。某地現(xiàn)有一座使用中的尾礦庫，該濕排尾礦庫的底部具有防止污染物泄漏的防滲層，通過理論分析和多年監(jiān)測結(jié)果可知尾礦庫底部不會出現(xiàn)滲漏影響地下水水質(zhì)。然而在極限情況下，該防滲層存在局部滲漏的可能。本文主要探討在模擬防滲層局部滲漏的情況下，選擇具有代表性的重金屬，通過模擬重金屬離子在地下水遷移過程中的擴散過程，可以分析重金屬對當?shù)氐叵滤绊懙姆秶统潭?，從而能夠更加有針對性地對地下水污染采取治理和修?fù)。

1 區(qū)域自然條件

1.1 氣候條件

該區(qū)屬北寒溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，冬長夏短，四季分明，降雨集中在 6—8 月份，冰凍期11 月中旬至翌年 3 月末，常年主導(dǎo)風(fēng)向為西北—東南，年平均風(fēng)速變化平緩。

1.2 地質(zhì)條件

該濕排尾礦庫位于中朝準地臺的遼東臺隆上，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強烈且較復(fù)雜，有東西向、南北向、北東向、北西向構(gòu)造，控制了區(qū)域呈北西向雁形式排列的斷陷盆地。尾礦庫區(qū)及壩址區(qū)地層為大面積華力西晚期巖體，未發(fā)現(xiàn)斷層痕跡，巖體節(jié)理烈隙不發(fā)育，巖石風(fēng)化層厚度較小。

尾礦庫下方地層主要由尾礦堆積物、人工填土及庫基原始天然地層組成。尾礦堆積物主要為尾粉砂、尾粉土及尾粉質(zhì)粘土等；人工填土主要為尾礦初期壩（碎石土壩）及各級子壩上部的碎石層填筑物；庫基原始天然地層主要為含礫粉質(zhì)粘土、碎石土、風(fēng)化花崗巖等。見圖1。

1.3 水文地質(zhì)條件

尾礦庫附近地貌類型主要為低山丘陵區(qū)，因地形切割強烈，大部基巖出露，表層風(fēng)化裂隙發(fā)育。區(qū)內(nèi)地勢起伏較大，地勢東南高，西北低。區(qū)內(nèi)地層簡單，地下水賦存類型較為單一，根據(jù)提供材料，評價區(qū)地下水類型為HCO3-Ca型。根據(jù)該區(qū)地下水賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征等，可劃分為松散巖類孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水兩種類型。

尾礦庫所在地地勢為西北高東南低、高差較大、切割強烈的低山丘陵。大氣降水滲入補給是區(qū)內(nèi)各類地下水的主要補給來源；其排泄方式主要為通過地表徑流及地下徑流排泄，地表徑流排泄過程中伴有蒸發(fā)排泄，此外，人工開采也是工作區(qū)地下水的重要排泄方式。區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)是一個開放的地下水系統(tǒng)，其地下水動態(tài)變化是地形地貌、地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣象水文和人類活動等多種因素綜合影響的結(jié)果，因此地下水呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

總體而言，當?shù)氐叵滤兓饕艽髿饨涤暧绊戄^大，因此在汛期地下水位會明顯上升，反之地下水位下降。其余因素對地下水影響相對較小。

2 評價方法及指標選取

2.1 評價方法的選取

對于污染物在地下水中擴散的模擬方法有很多，主要可歸納為數(shù)值法和解析法兩大類[1]。數(shù)值法主要是指有限元位移法，一般認為只要力學(xué)模型正確，利用軟件獲得的結(jié)果就會比較準確[2]。解析法是應(yīng)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、演繹去求解數(shù)學(xué)模型的方法，又稱分析法[3]。由于本項目地下水環(huán)境較簡單，地下水動力系統(tǒng)易分析推導(dǎo)，因此適宜運用解析法對污染物遷移規(guī)律進行模擬測量。

本次模擬防滲層滲漏的情況為局部滲漏，污染物遷移模式為連續(xù)點源擴散，因此套用數(shù)學(xué)模型是，選擇連續(xù)注入示蹤劑的平面連續(xù)點源模型，其數(shù)學(xué)表達式如下：

式中：x,y—計算點處的位置坐標；t—時間，d；

C(x，y，t)—t時刻點 x，y 處的示蹤劑濃度，g/L ；

M—承壓含水層的厚度，m；

mt—單位時間注入示蹤劑的質(zhì)量，kg/d；

u—水流速度，m/d；

ne—有效孔隙度，無量綱；

DL—縱向彌散系數(shù)，m2/d;

DT—橫向y方向的彌散系數(shù)，m2/d；π—圓周率。

K0(β)—第二類零階修正貝塞爾函數(shù)；—第一類越流系數(shù)井函數(shù)[4]。

2.2 評價因子的選取

根據(jù)地下水與污染物的動力特征，特征污染物的選取需遵循兩個原則，一是選取的污染物必須就有代表性，即污染物必須是生產(chǎn)過程中主要殘留物；二是需考慮各污染物等級量化與測量的難易程度，選擇易測可靠、經(jīng)濟成本小的污染物進行分析，確保特征污染物的選擇真實、有效[5]。根據(jù)對濕排尾礦庫中存水的測量，發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Pb濃度較高，且三者測量方法易操作，同時，Cu、Zn、Pb又為采礦的主要產(chǎn)物，因此選擇Cu、Zn、Pb作為本次預(yù)測的特征污染物。對尾礦庫存水中的主要污染物濃度檢測結(jié)果見表1。

表1 尾礦庫存水主要污染物及含量Table1 Main pollutants and their contents of the water in tailing reservoir

3 分析及結(jié)果

當上述防滲失效情景發(fā)生時，假設(shè)主要特征污染物Cu、Zn和Pb的污染源強為三者的極限濃度，即三者在尾礦庫積存水中的濃度（詳情見表1），防滲失效面積為1 m2，根據(jù)平面連續(xù)點源模型中所選擇的參數(shù)（見表2），模擬過程中所使用的參數(shù)均為經(jīng)驗值。

表2 模型參數(shù)值及單位Table 2 Parameters and their units of the model

根據(jù)預(yù)測模型和參數(shù)，取得的計算結(jié)果如圖1～圖3所示，圖中+x為地下水遷移方向，-x為其相反方向，y為x的垂直方向。由圖4-1～圖4-3可知，在下滲水濃度與庫內(nèi)存積水濃度相等的極限情況下，Cu、Zn和Pb向下游地下水遷移至約25 m處時，濃度基本降低為0；在遷移反方向運移約為15 m時，濃度基本降低為0；在與水流方向垂直的方向上遷移至約7m時，濃度基本降低為0。由于庫區(qū)下方有一層致密含礫粉質(zhì)黏土層，滲水在此層將被大量隔絕，少數(shù)下滲的污水也與下層土壤其發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用，如膠體吸附、離子交換作用等，在這些作用下，污染物在土壤中附著和分解，達到自凈化效果，因此即使出現(xiàn)滲漏情況，下滲污水濃度也將遠小于現(xiàn)庫內(nèi)積存水的污染物濃度，其彌散半徑將更小。所以即使發(fā)生尾礦庫防水層滲漏情況，特征污染物的影響范圍也將小于25 m。

圖1 Cu遷移最遠距離Fig.1 The farthest distance of Cu movement

圖2 Zn遷移最遠距離Fig.2 The farthest distance of Zn movement

圖3 Pb遷移最遠距離Fig.3 The farthest distance of Pb movement

4 結(jié)論

本文通過選取解析模型，模擬了特征污染物Cu、Zn、Pb在尾礦庫防滲層局部滲漏時可能對鬧枝鎮(zhèn)地下水的影響范圍。模擬計算結(jié)果表明，Cu、Zn、Pb三種污染物在遷移過程中，沿地下水流動方向遷移距離不會超過25 m，在地下水流動反方向遷移距離不會超過15 m，在垂直地下水流動方向遷移距離不會超過7 m。從當?shù)卣w范圍來說，污染物影響范圍較小。

本次模擬計算采用解析法，評價指標的選取和收集數(shù)據(jù)資料收集的全面性和準確性有完善的空間，計算結(jié)果有待通過數(shù)值法模擬驗證，具有借鑒價值。

[1]陳秀艷,劉啟蒙,李鵬飛.涌水量預(yù)測的解析法與數(shù)值法對比研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，(24)：100-157.

[2]胡 鵬，李 陽.工程地質(zhì)數(shù)值法發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].武漢科技報·科教論壇，2013，(11).

[3]田國林,暢俊斌,王 瑋.解析法在地下水允許開采量計算中的應(yīng)用研究[J].人民珠江，2016，(10)∶1-7.

[4]環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境(HJ 610-2016)[C].環(huán)境保護部.2016.

[5]趙 微,楊巧鳳,林健北,等.北京平原區(qū)地下水承壓含水層組防污性能評價[J].城市地質(zhì)，2017，(03)：64-70.