基于數(shù)值模型的尾礦庫項(xiàng)目地下水污染的環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

馬曉東

摘要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾日益突出，礦山尾礦庫滲漏造成的地下水重金屬污染已成為一大環(huán)境問題。本文以甘肅隴南某礦山尾礦庫加高擴(kuò)容項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過構(gòu)建評(píng)價(jià)區(qū)地下水滲流模型，耦合污染物運(yùn)移方程，建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，并應(yīng)用該模型對(duì)尾礦壩發(fā)生泄漏情況下特征污染物污染情景進(jìn)行了數(shù)值模擬與環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：該研究對(duì)幫助企業(yè)和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門從源頭上防治和管理潛在的地下水重金屬污染、保護(hù)地下水環(huán)境具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：地下水：重金屬污染;環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià);數(shù)值模擬：尾礦庫項(xiàng)目目

1.地質(zhì)概況

研究區(qū)位于甘肅省南部的隴南山區(qū)，該地區(qū)地形切割比較強(qiáng)烈，地貌特征主要是侵蝕、剝蝕為主，山勢(shì)比較陡峭，有尖峰、魚脊和“V”形的溝壑。水系發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為中泥盆統(tǒng)安家岔組（ D2a）（廠壩礦床為西漢水群D2x2n-2b）和少量下泥盆統(tǒng)吳家山組（D1W2），由一套碎屑巖及碳酸鹽巖為主的淺變質(zhì)巖系構(gòu)成地層。研究區(qū)主要構(gòu)造呈東西走向，褶皺發(fā)育，以吳家山復(fù)背斜為骨架，該背斜對(duì)區(qū)內(nèi)地層和礦帶的展布起控制作用，軸面西部向北到轉(zhuǎn)，東部直立。其北翼有干魚廊向斜、王家山背斜，南翼三架山背斜、薛家溝向斜及畢家山背斜等。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以東西向?yàn)橹?，北東～北北東向次之。在不同巖性的接觸面上多發(fā)育有層間斷裂，這種斷裂一般為成礦前斷裂;北東向橫斷層多為成礦后斷層，對(duì)礦體的破壞較大。研究區(qū)內(nèi)的地下水埋藏條件、動(dòng)力特征和富水程度，主要受到地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性條件所制約。地下水類型主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類溶隙裂隙水。

2.水文地質(zhì)概念模型

2.1模擬范圍

項(xiàng)目尾礦庫位于柒家溝上游溝腦，庫場(chǎng)址地形變化較大，其中東、北、南三面地勢(shì)較高，尾礦庫下游正對(duì)柒家溝主溝，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，總評(píng)價(jià)面積為3.2l km2。

2.2邊界條件

根據(jù)尾礦庫區(qū)的地形地貌、水文地質(zhì)條件分析，尾礦庫下游柒家溝主溝定位排泄邊界，主溝東側(cè)為弱流量邊界，其他邊界為隔水邊界。

2.3含水層概化

根據(jù)水文地質(zhì)勘查結(jié)果，本區(qū)大部分為基巖出露區(qū)，第四紀(jì)地層在本區(qū)零星分布，因此把第四系含水層和碎屑巖類裂隙含水巖組概化為一層。

2.4水文地質(zhì)參數(shù)的選取

①降雨人滲系數(shù)，根據(jù)《廠壩鉛鋅礦環(huán)境影響評(píng)價(jià)水文地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》及《水文地質(zhì)手冊(cè)》，取值為0.23。②滲透系數(shù)，地下水的水文地質(zhì)參數(shù)參與數(shù)值模擬在這個(gè)礦區(qū)主要含水層滲透系數(shù)k。尾礦池水文地質(zhì)勘探抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)是最初分區(qū)和分配數(shù)值模型的參數(shù)識(shí)別依據(jù)。③給水度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取值為0.1。④彈性釋水系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取值為2.0×10-5。

3.地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)巖性、地下水類型、地下水補(bǔ)給特征等水文地質(zhì)條件，在已有資料的基礎(chǔ)上，將評(píng)價(jià)區(qū)地下水流動(dòng)系統(tǒng)視為某一時(shí)期的穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，將評(píng)價(jià)區(qū)地下水流系統(tǒng)概括為非均質(zhì)各向異性、空間多層結(jié)構(gòu)和三維穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型表示為：

式中：Ω是地下水滲流區(qū)域;H是地下水水頭（m）;S2是模型的第二類邊界;kxx，kyy，kzz分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)（m/d）;W是源匯項(xiàng)，包括降水入滲補(bǔ)給、河流入滲補(bǔ)給、井的抽水量等（n13/d）;q（x，y，z）是第二類邊界單位面積流量函數(shù)（m3/d）;I1為邊界S上的外法線方向。

4.地下水流場(chǎng)數(shù)值模擬

在建立水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用基于有限差分法的MODFLOW軟件包，建立了評(píng)價(jià)區(qū)地下水流動(dòng)的數(shù)值模型。通過參數(shù)識(shí)別和模型校核，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地下水流系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析。作為地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬的基礎(chǔ)。

4.1模擬軟件的選取

本次模擬除了應(yīng)用MODFLOW軟件包外，還用到MT3DMS軟件包，用來模擬地下水系統(tǒng)的對(duì)流、彌散、吸附、化學(xué)反應(yīng)等的溶質(zhì)運(yùn)移現(xiàn)象。本次評(píng)價(jià)基于這兩個(gè)軟件包對(duì)尾礦庫區(qū)地下水的溶質(zhì)遷移問題進(jìn)行模擬。

4.2模型網(wǎng)格剖分

基于MODFLOW模型，將評(píng)價(jià)區(qū)3.2lkm2的范圍，模型共剖分為3174個(gè)計(jì)算單元。降雨人滲等面狀補(bǔ)給采用re -charge子程序包;民井采用well子程序包;溝渠采用drain子程序包;流量邊界采用specifiedflow子程序包，定濃度污染源采用specifiedconc.子程序包。

4.3參數(shù)識(shí)別

根據(jù)滲透系數(shù)的建議值，利用GMS建立概念模型并輸入所有計(jì)算要素之后，運(yùn)行modflow模型，形成地下水流場(chǎng)。在流場(chǎng)擬合的基礎(chǔ)上，根據(jù)注水試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際水文地質(zhì)條件，利用pest軟件包自動(dòng)反演滲透系數(shù)，并結(jié)合人工調(diào)節(jié)得到滲透系數(shù)分布。滲透系數(shù)的分區(qū)如圖l所示。含水層滲透系數(shù)的最終值如表l所示。

5.地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

5.1溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

（1）控制方程。本次建立的地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型是三維水流影響下的三維彌散問題。水流的主方向與坐標(biāo)軸一致，溶液密度恒定，存在局部平衡吸附和一級(jí)不可逆動(dòng)力學(xué)反應(yīng)、溶解相和吸附相。速率相等，即λl=λ2。在此前提下，溶質(zhì)運(yùn)移三維水動(dòng)力彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：

C：地下水中組分的溶解相濃度，ML-3;

O：地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱;

t：時(shí)間，T：

xi：沿直角坐標(biāo)系軸向的距離，L;

Dij：水動(dòng)力彌散系數(shù)張量，L2T-1;

Vi：孔隙水平均實(shí)際流速，LT-1;

qs：?jiǎn)挝惑w積含水層流量，代表源和匯，L3T-1;

Cs：源或匯水流中組分的濃度，ML-3;

∑Rn：化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)，ML-3T-1;

（2）初始條件。由于本次模擬污染源概化為補(bǔ)給濃度邊界。因此將補(bǔ)給濃度邊界的初始濃度定為C。，其余地方均為Omg/L，具體表述為：

C（xi，yj，Zk，0）=C0

（xi，yi，zk處為補(bǔ)給濃度邊界）

C（x，y，z，0） =0（其余地方）

（3）邊界條件。本模擬將含水層各邊界視為第二類邊界條件（Neumann邊界），跨邊界擴(kuò)散通量為0，可以表示為：

式中：r2為Neumann邊界。

5.2溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)主要包括彌散度和有效孔隙度。有效孔隙度根據(jù)尾礦庫工勘實(shí)測(cè)的孔隙率數(shù)據(jù)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值確定，彌散度的確定相對(duì)比較困難。一般來說，空隙介質(zhì)中的分散度隨著溶質(zhì)傳輸距離的增加而增加。這種現(xiàn)象被稱為水動(dòng)力彌散尺度效應(yīng)。具體表現(xiàn)為：現(xiàn)場(chǎng)彌散試驗(yàn)得到的彌散度遠(yuǎn)大于室內(nèi)實(shí)測(cè)值，差異可達(dá)4個(gè)—5個(gè)數(shù)量級(jí);即使在同一含水層中，溶質(zhì)運(yùn)移距離也較大，進(jìn)行了計(jì)算。分散度越大。因此，即使在現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)分散試驗(yàn)中也難以獲得準(zhǔn)確的分散值。因此，該模型參考了前人的研究成果，本次模擬縱向彌散度取lOm。

6.尾礦庫污染源分析

6.1尾礦庫滲漏分析

選礦排出的尾礦經(jīng)廠前濃密后（濃度45%—50%），用泵揚(yáng)至現(xiàn)有尾礦庫內(nèi)堆存。隨著2014年底礦山充填制備站和尾礦脫水壓濾車間的建成，現(xiàn)有選礦系統(tǒng)排出的尾礦將經(jīng)廠前濃密后（濃度45%～50%），用泵揚(yáng)至礦山充填制備站經(jīng)尾礦深錐濃縮、脫水壓濾后（尾礦水分15%）全部用于井下充填，尾礦庫不再堆存尾礦，庫內(nèi)積水采取排水、自然蒸發(fā)、沉降、固結(jié)等辦法，現(xiàn)已形成全部沉積灘和干灘面，達(dá)到尾礦庫尾礦干堆的各項(xiàng)安全技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。因此，本次只模擬庫內(nèi)尾砂含水經(jīng)尾礦壩滲漏的情況。

6.2預(yù)測(cè)因子

根據(jù)2014年2月隴南市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)廠壩鉛鋅礦尾礦庫壩外回水池水質(zhì)檢測(cè)，選取超標(biāo)倍數(shù)最大的CODer和特征污染物Pb、Zn作為本次模擬的污染因子。其中Pb濃度為17.02mg/L，超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)340倍;CODer濃度為174mg/L，參照地下水高錳酸鹽指數(shù)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，超標(biāo)58倍;Zn濃度0.31mg/L。

7.尾礦庫滲漏污染物溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)

（1）滲漏位置：假設(shè)滲漏位置位于尾礦壩底部。（2）污染源概化：滲濾液的定濃度補(bǔ)給源。（3）滲漏污染物濃度：考慮到尾礦庫內(nèi)水沉淀以及天然過濾作用才到回水池，因此保守起見，模擬時(shí)污染物CODer濃度取174mg/L，Pb濃度為17.02mg/L，Zn濃度為0.31mg/L。（4）預(yù)測(cè)結(jié)果與分析：將相關(guān)參數(shù)輸入水質(zhì)模型，利用軟件進(jìn)行模擬后，得到污染物CODer和Pb在lOOd、lOOOd、4000d、8030d后運(yùn)移的預(yù)測(cè)結(jié)果和ZnlOOd.8030d的運(yùn)移趨勢(shì)。①CODer污染運(yùn)移分析：尾礦庫運(yùn)行100天，含水層中COD擴(kuò)散范圍較小，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散95.35m。尾礦庫運(yùn)行1000天，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散178.64m。尾礦庫運(yùn)行4000天，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散620.94m。尾礦庫運(yùn)行8030天，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散925.31m。②Ph污染運(yùn)移分析：尾礦庫運(yùn)行100天，含水層中COD擴(kuò)散范圍較小，污染暈（前鋒值<0.05mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散96.05m。尾礦庫運(yùn)行1000天，污染暈（前鋒值<0.05mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散136.28m。尾礦庫運(yùn)行4000天，污染暈（前鋒值≤0.05mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散688.29m。尾礦庫運(yùn)行8030天，污染暈（前鋒值<0.05mg/L）往尾礦壩下游擴(kuò)散1085m。③Zn污染運(yùn)移分析：雖然Zn為廠壩鉛鋅礦尾礦庫的特征污染物，但尾礦庫回水中Zn濃度為0.31mg/L低于地下水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤Img/L），不會(huì)對(duì)地下水造成污染，因此本次評(píng)價(jià)只觀察Zn在地下水中的污染趨勢(shì)，尾礦庫運(yùn)行100天，含水層中COD擴(kuò)散范圍較小，污染暈往尾礦壩下游擴(kuò)散68.lOm。尾礦庫運(yùn)行8030天，污染暈往尾礦壩下游擴(kuò)散817.60m。

綜上所述，在尾礦壩底部局部泄露情況下，經(jīng)過溶質(zhì)遷移模擬，CODer在8030天內(nèi)污染暈范圍為壩下游925.31m; Pb在8030天內(nèi)污染暈范圍為壩下游1085m，與尾礦庫運(yùn)行4000天時(shí)相比，CODer和Pb的運(yùn)移范圍分別擴(kuò)大304.37m和396.71m。

8.地下水影響分析

8.1對(duì)淺層地下水的污染影響

在正常情況下，地下水污染主要是由污染物通過包氣帶遷移到含水層中造成的。項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)地出露巖性多為表層分化結(jié)晶灰?guī)r、大理巖及結(jié)晶灰?guī)r透鏡體或第四系松散堆積物。其滲透性較強(qiáng)，包氣帶防污性能弱，說明淺層地下水很容易受到污染。根據(jù)地下水預(yù)測(cè)結(jié)果，如果尾礦廢水泄漏，污染物會(huì)迅速通過包氣帶進(jìn)入淺層地下水，并向下游遷移，污染范圍擴(kuò)大。

8.2對(duì)深層地下水的污染影響

該地區(qū)地下水的形成、賦存和運(yùn)移往往受地表水盆地控制，形成與地表水盆地不同層次對(duì)應(yīng)的水文地質(zhì)單元，并在其單元內(nèi)完成地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄過程。降水時(shí)，空氣可以直接充人，并通過地表裂縫和縫隙補(bǔ)充到深層含水層。地下潛水取決于地形從高到低，深承壓水從高水頭（通常也在較高的海拔）到低水頭。在山谷底部以暗流排干。該水文地質(zhì)單元中地下水之間的水力聯(lián)系最小，因此，深層地下水受工程污水滲透的影響較小。

8.3對(duì)周圍水源地及周圍居民飲用水的影響

擴(kuò)建項(xiàng)目周圍居民生活飲用水主要來自選廠上游賈家壩水源地的淺層地下水，水源地與尾礦庫距離較遠(yuǎn)（5.4km以外）且位于尾礦庫地下水徑流上游。尾礦庫內(nèi)尾礦水與尾礦滲濾液全部返回選礦廠綜合利用，不向外排。與區(qū)域地表水及地下水均無水力聯(lián)系，因此不會(huì)對(duì)周圍居民飲用水造成不良影響。

9.結(jié)論

根據(jù)地下水預(yù)測(cè)結(jié)果：如果尾礦廢水泄漏，污染物會(huì)迅速通過包氣帶進(jìn)入淺層地下水，并向下游遷移，對(duì)淺層地下水造成更大的污染。深層地下水受T-程污水滲入的影響較小。項(xiàng)目能有效防止各種可能引起地下水影響的途徑。確保各種防滲措施能夠?qū)崿F(xiàn)，所以這個(gè)項(xiàng)目不會(huì)對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

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