疏干降水條件下礦渣回填對地下水環(huán)境的影響研究

柳 山，李洪偉，金曉文，李燕妮

(1.湖北理工學院環(huán)境科學與工程學院，湖北 黃石 435003；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655011；3.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；4.武漢中地環(huán)科水工環(huán)科技咨詢有限責任公司，湖北 武漢 430074)

金屬礦產(chǎn)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基石，我國一半以上的金屬礦山分布在長江以南地區(qū)[1～2]，主要賦存于碳酸鹽巖地層中[3～4]。充沛的降雨，適宜的溫度和復雜的巖溶發(fā)育情況決定了相當一部分金屬礦床屬于水文地質(zhì)較為復雜的大水礦床[5]，疏干降水是其正常生產(chǎn)的重要保障手段。經(jīng)過長時間的疏干，往往形成降落漏斗，水文地質(zhì)條件發(fā)生重大變化[6～7]。與此同時，在礦山逐漸向深部開采過程中，由采空區(qū)帶來的地表沉降、塌陷，由地層壓力帶來的深井巖爆等災害問題多發(fā)，嚴重影響我國金屬礦山的安全生產(chǎn)[8]。

近年來，尾砂充填在礦區(qū)災害防治中的應用引起了國內(nèi)外的高度重視[9～11]，此方法一方面可以有效防止采空區(qū)塌陷、緩和應力集中；一方面可以解決采礦所形成的大量尾砂堆放難題，降低建設投入，并減少環(huán)境污染風險[12～13]。然而當下礦區(qū)疏干條件下尾砂充填對環(huán)境的潛在影響和環(huán)境風險等問題還缺乏系統(tǒng)的研究[14]。

云南某大型金屬礦山，屬于巖溶含水層充水礦床，經(jīng)歷了60余年的疏干降水，形成了1 000 m以上的巨厚包氣帶。不僅如此，礦渣堆置所導致的污染物滲漏污染了周圍土壤及地下水環(huán)境，引發(fā)嚴重的環(huán)境事故，礦渣膏體回填正適用于破解此矛盾。本文以此為例，利用數(shù)值模擬手段，探究礦區(qū)疏干水文地質(zhì)條件下，巨厚包氣帶中礦渣膏體回填后對地下水環(huán)境的影響，分析由此帶來的地下水環(huán)境風險問題，為礦渣膏體回填后的地下水污染防治與環(huán)境管理提供科學依據(jù)。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)天然條件水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于云南省會澤縣東北部(圖1)，云貴高原烏蒙山脈中部，屬溶蝕及侵蝕緩坡中山地貌，山脈呈北東—南西展布(圖2)。B河位于礦區(qū)東部約3 km處，為區(qū)內(nèi)最低排泄基準面，呈“V”字形深切峽谷，自南向北徑流，高程約為1 561 m，多年平均流量約為112.03 m3/s，同礦區(qū)山頂標高2 668.9 m相對高差達1 000 m以上。區(qū)域年均降雨量約858.4 mm。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

圖2 研究區(qū)綜合地質(zhì)圖Fig.2 General geological map of the study area

1.2 疏干條件下礦區(qū)水文地質(zhì)條件

圖3 研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 Geological structure profile of the study area

歷經(jīng)60余年的疏干降水，礦區(qū)天然水文地質(zhì)條件發(fā)生了巨大變化，逐步形成了穩(wěn)定的降落漏斗，原飽水帶變?yōu)榫藓癜鼩鈳?，地下水穩(wěn)定水位降至最低排泄基準面以下，區(qū)內(nèi)大部分泉點均已消失。據(jù)礦區(qū)歷史資料，2009—2013年間礦區(qū)疏干水平約1 584 m，日均降雨補給量約5.5×103m3/d，日均坑道抽排量約4.9×103m3/d；目前疏干水平已降至1 274 m，礦坑抽排量約為5.0×103m3/d。此部分地下水主要源于大氣降雨入滲、河流滲漏及深部含水層補給。大氣降雨入滲進入包氣帶后以垂向運動為主，一部分被巖層留存，一部分被巷道排水系統(tǒng)收集，一部分補給深層巖溶水。而河流滲漏和深層上涌補給的地下水與巷道收集的地下水一道被抽排出地下水系統(tǒng)，形成一個與天然條件截然不同的人工疏干地下水系統(tǒng)。(圖4)。

圖4 礦區(qū)疏干條件下地下水系統(tǒng)補徑排概念模型圖Fig.4 Conceptual model of the groundwater recharge-runoff-discharge system in the dewatering mine area

2 礦渣回填的地下水環(huán)境影響預測

2.1 源強分析

依疏干礦區(qū)水文地質(zhì)特征，巨厚包氣帶中地下水持續(xù)垂向淋濾回填膏體，假定膏體開裂，回填膏體將成為一個連續(xù)源，不斷產(chǎn)生的淋濾液可能對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。

回填礦渣膏體的主要成分為礦渣及自制石膏，特征因子包括鉛、鋅、汞及鎘。據(jù)多次水平振蕩法浸出試驗結(jié)果顯示，浸出液中鉛濃度最高為0.011 8 mg/L，其它特征因子濃度均低于檢出限以下。因此本研究以特征因子鉛為例，分析一旦膏體開裂鉛在巨厚包氣帶中遷移過程。

2.2 模型概化

依源強分析，本研究建立1 274 m水平巷道方向的垂向飽和-非飽和流動二維模型，預測回填膏體浸出液在巨厚包氣帶中的遷移規(guī)律，分析其對地下水環(huán)境的影響。研究區(qū)二維模型概化如下：

(1)邊界概化：本模型剖面西北部天然地表分水嶺為左邊界，疏干情景下，礦區(qū)地下水系統(tǒng)的降雨入滲補給量和抽水量基本平衡，說明剖面左邊界對本系統(tǒng)的補給量相對較小，對礦區(qū)抽水條件下的地下水運移的影響有限，將其定義為零通量邊界；模型右邊界截止至B河，即區(qū)域最低排泄基準面，模型上邊界接受降雨補給和蒸發(fā)；為探究抽水水平以下飽水帶中巖溶水的遷移過程，模型下邊界設為1 274 m抽水水平以下，高程為1 000 m處，以上模型結(jié)構(gòu)包含一個相對完整獨立的地下水補徑排過程。

依礦區(qū)疏干地下水補徑排特征，地下水在1 274 m水平被抽排出地下水系統(tǒng)。故將1 274 m水平巷道刻畫為Seepage Face邊界。考慮研究尺度效應，巷道規(guī)模相較于約1 000 m厚包氣帶層，不會對地下水的下滲過程造成實質(zhì)性的影響，故未針對水平巷道進行單獨刻畫。

(2)介質(zhì)概化：在現(xiàn)場調(diào)查中，礦區(qū)內(nèi)未見大型巖溶管道，且相較于模擬范圍尺度，裂隙發(fā)育規(guī)模相對較小，故將模型刻畫為巖溶發(fā)育相對均質(zhì)的巨厚包氣帶模型。

(3)礦渣膏體概化：本著風險最大化原則，將填充膏體概化為剖面上長約700 m，寬約28 m，面積約0.02 km2的持續(xù)源，距1 274 m水平垂直距離約425 m。

2.3 數(shù)學模型

國內(nèi)外關(guān)于飽和-非飽和滲流的研究主要采取壓力水頭來表示，在數(shù)值求解時有較大的數(shù)值振蕩和彌散，而曹淵等人提出以總水頭表示統(tǒng)一的飽和-非飽和滲流方程，簡化了方程的復雜程度和求解難度[16]。據(jù)此本文建立飽和-非飽和滲流二維數(shù)學模型：

(1)

式中：S——容水度(包氣帶)或貯水率(飽水帶)/m-1；

H——總水頭/m；

t——時間/d；

Kxx，Kzz——滲透系數(shù)在x，z方向上的分量/(m·d-1)，假設滲透系數(shù)的主軸方向與坐標軸一致；

W——源匯項單位體積流量/(m3·d-1)，用以代表源(正)或匯(負)的水量；

vx，vz——x，z方向的滲流速度/(m·d-1)。

邊界條件為：

第一類邊界：

H(x,z,t)|Γ1=H1(x,z,t)

(x,z,t)∈Γ1

(2)

第二類邊界：

(x,z,t)∈Γ2,i,j=x,z

(3)

第三類邊界：

(x,z,t)∈Γ3

(4)

初始條件：

H(x,z,t)|t=0=H0(x,z)

(5)

式中：Γ1，Γ2，Γ3——第一、二、三類邊界；

H1(x，z，t)——邊界Γ1上的總水頭/m；

q(x，z，t)——邊界Γ2上的水流通量，即單位時間垂直通過單位邊界面積進入研究域的水體積/(m·d-1)；

n——邊界的外法線矢量；

cos(n，x)，cos(n，z)——n與兩個坐標軸正向之間夾角的余弦；

f(x，z，t，H)——邊界Γ3上給定的水流量隨總水頭變化函數(shù)；

H0(x，z)——給定的初始總水頭/m。

考慮風險最大原則，本次模擬過程僅考慮對流彌散對鉛遷移的影響，忽略阻滯、水巖相互作用、生物作用、化學反應及巖層吸附等不利于鉛遷移的作用[17～18]。

溶質(zhì)運移的水動力彌散方程數(shù)學模型如下：

C(x,z,0)=C0(x,z) (x,z)∈Ω,t=0

(6)

式中：右端前兩項為彌散項，后兩項為對流項；

Dxx、Dzz——x、z主方向的彌散系數(shù)；

μx，μz——x、z方向的實際水流速度；

C——溶質(zhì)濃度/(mg·L-1)；

Ω——溶質(zhì)滲流的區(qū)域/m2；

C0——初始濃度/(mg·L-1)。

2.4 模型初始條件刻畫

基于區(qū)域地下水流程連續(xù)性理論[15]及礦區(qū)補給疏干水均衡特征，巨厚包氣帶中地下水以垂向運動為主。本次模擬將預測剖面參數(shù)刻畫進行均一化處理。

據(jù)礦區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)試驗、多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)及Geihar等提供的世界59個特征區(qū)域彌散資料[19]，確定礦區(qū)水文地質(zhì)初始參數(shù)取值表(表1)。將模擬區(qū)邊界條件、參數(shù)取值等輸入模型，經(jīng)過穩(wěn)定流計算得到模擬區(qū)天然流場。初始流場及地下水非飽和度圖(圖5)顯示：在1 274 m水平以上，地下水呈非飽和狀態(tài)，兩側(cè)呈漏斗形態(tài)，同多年監(jiān)測漏斗范圍較為一致，可以以此為基礎開展后續(xù)地下水環(huán)境影響預測評價工作。

表1 礦區(qū)水文地質(zhì)初始參數(shù)取值

2.5 模擬預測結(jié)果

預測模擬結(jié)果顯示(圖6)，鉛遷移主要隨巨厚包氣帶中地下水垂向下遷移。在開裂發(fā)生第3 650天，鉛將遷移至1 274 m水平，垂向遷移距離約424.24 m，影響范圍約0.41 km2。此后受疏干降水所形成的水力截獲作用影響，至工程項目服務期結(jié)束(第4 745天)，鉛最遠垂向遷移距離約483.21 m，影響范圍約0.51 km2，相較于第3 650天僅擴大了約24%。說明回填膏體開裂對地下水環(huán)境的影響有限且可控。

圖5 模擬區(qū)初始流場及不飽和度圖Fig.5 Diagram showing the initial flow field and unsaturation in the study area

圖6 預測情景中鉛垂向遷移特征圖Fig.6 Simulation results of the vertical distribution of Pb when the backfill material was cracked(a)預測剖面圖；(b)3 650 d后鉛垂向遷移特征圖；(c)4 745 d后鉛垂向遷移特征

3 礦渣回填的地下水環(huán)境風險分析

在采礦期，受疏干降水影響，依預測結(jié)果，礦渣回填對地下水環(huán)境影響程度有限，通過優(yōu)化回填礦渣膏體的配制及施工工藝等“控源”措施，可以降低污染物質(zhì)的含量和膏體開裂風險；通過加強礦區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查，封堵優(yōu)勢入滲補給通道等“斷徑”措施，可有效降低入滲補給量；而疏干降水下的地下水流場相當于水力截獲，能夠?qū)崿F(xiàn)“截流”作用。在“控源、斷徑、截流”的防控思想下，礦渣回填帶來的地下水環(huán)境風險水平低且危害后果可控。

需要注意的是，礦區(qū)封場后停止疏干降水，地下水位將逐步回升，最終可能完全淹沒回填區(qū)，此時當膏體出現(xiàn)開裂等情況后，特征因子將在飽水帶中遷移擴散，其影響范圍和程度可能變大加深。應進一步開展相關(guān)研究，制定有針對性的防控措施，確保礦渣回填在全服役周期內(nèi)地下環(huán)境風險的可接受性，解決礦區(qū)采空區(qū)安全隱患及礦渣堆置難題的同時不引發(fā)新的環(huán)境危害。

4 結(jié)論及建議

(1)常年疏干降水導致礦區(qū)天然水文地質(zhì)條件被徹底改變，原飽水帶已被改變成巨厚包氣帶。在礦區(qū)疏干降水條件下，礦渣膏體回填有助于解決采空區(qū)的安全隱患及礦渣堆置影響環(huán)境這兩大難題。

(2)回填膏體開裂后鉛對地下水環(huán)境的影響有限，第4 745天后垂向最遠遷移約424.24 m，影響范圍約0.41 km2。一旦抵達抽水水平，在水力截獲的控制下，其影響將被有效控制。

(3)“控源、斷徑、截流”的防控措施能有效降低及控制礦渣回填帶來的地下水環(huán)境風險及危害后果。若疏干停止，地下回水完全淹沒回填區(qū)后，膏體開裂產(chǎn)生的地下水環(huán)境影響和相關(guān)風險需進一步研究并制定有針對性的防控措施。