基于MT3DMS的某采煤廠污染物運(yùn)移模擬

董 潔，周佩瑤，葛佳亮，王 昕

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054;3.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710068)

1 研究背景

煤炭資源是現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展的基本能源，是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，大量采煤造成了礦區(qū)土地資源的坍塌和浪費(fèi)、水資源水量與水質(zhì)的變化、固體及氣體污染等一系列問(wèn)題[1-5]，已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。為了響應(yīng)新時(shí)代下綠色開(kāi)采的理念，我國(guó)煤礦行業(yè)開(kāi)始對(duì)各地煤炭的開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行整改，堅(jiān)決不走“先污染后治理”的道路。

陜西是一個(gè)以煤為主的能源大省，雖然煤炭資源豐富，但是由于前期開(kāi)采技術(shù)落后，造成了煤炭資源的回收率低、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，加大了陜西省內(nèi)的環(huán)境壓力及生態(tài)危害程度。陜北地區(qū)的煤炭資源開(kāi)采技術(shù)研究已相對(duì)成熟[6]；而陜南作為一個(gè)石煤資源廣泛分布的典型區(qū)域，復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境阻礙了當(dāng)?shù)亻_(kāi)采技術(shù)的研究，因此對(duì)于陜南石煤開(kāi)采技術(shù)的研究顯得極為重要。安康石煤普遍具有高灰、高硫、發(fā)熱量低、含氟等特點(diǎn)[7]，直接燃燒降低了煤炭的利用率，產(chǎn)生了大量的固體及氣體污染物，造成了當(dāng)?shù)鼐用竦男罘e性氟中毒[8]。改變當(dāng)?shù)厥洪_(kāi)采技術(shù)，提高石煤利用率迫在眉睫。陜西煤業(yè)在2013年首次提出，將含釩石煤通過(guò)循環(huán)硫化床鍋爐燃燒，將燃燒后的飛灰進(jìn)行多次加工產(chǎn)出五氧化二釩，燃燒后生成的廢渣進(jìn)行處理制作成建材，實(shí)現(xiàn)對(duì)石煤的高效利用[9]。開(kāi)采工藝的改進(jìn)減小了煤礦正常開(kāi)采工況下的危害，但煤礦一旦發(fā)生非正常工況的泄漏，同樣會(huì)造成當(dāng)?shù)厮Y源的污染。因此，掌握地下水污染物運(yùn)移規(guī)律是預(yù)報(bào)水質(zhì)及污染治理的基礎(chǔ)。

地下水污染物運(yùn)移模型是建立在水流及溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上探究污染物運(yùn)移規(guī)律的一種方式。Visual Modflow是由加拿大Waterloo Hydrogeologic公司開(kāi)發(fā)的具有系統(tǒng)化、規(guī)范化、精確化、簡(jiǎn)單化、直觀性等特點(diǎn)的數(shù)值模擬軟件[10]，被廣泛應(yīng)用于氣田開(kāi)采、礦產(chǎn)開(kāi)采、石油開(kāi)采項(xiàng)目諸多領(lǐng)域[11-14]。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，Visual Modflow 在不同水文地質(zhì)條件下的污染物運(yùn)移結(jié)果均是可靠的，并為當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)及環(huán)境保護(hù)提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)[15-18]。本文以安康市某采煤廠為研究對(duì)象，在對(duì)提釩采煤技術(shù)工藝及水文地質(zhì)條件綜合分析的基礎(chǔ)上，利用Visual Modflow中的MT3DMS模塊預(yù)測(cè)了污染易發(fā)區(qū)的多種特殊污染物的運(yùn)移，為采煤區(qū)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省安康市漢濱區(qū)，地處北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，光照適中、雨量充足，氣候溫和，四季分明。由于受地形的影響，氣候具有明顯的垂直地帶性特征，南北山區(qū)氣溫低，中部河谷與丘陵區(qū)氣溫高。多年平均氣溫15.5℃，多年平均降水量799.3 mm[19]，一年之中，連陰雨主要在春、夏、秋三季出現(xiàn)，相對(duì)集中于秋季。廠區(qū)所在主溝為馬槽溝，溝道下游段常年有水，上游斷雨后數(shù)天干涸，屬漢江北側(cè)支溝，溝內(nèi)溪水自北而南流入漢江。

廠區(qū)所在地質(zhì)部位屬秦嶺南坡與安康盆地接壤地帶。其地貌形態(tài)從北到南依次為低山丘陵、洪積臺(tái)地和漢江谷地。區(qū)內(nèi)發(fā)育的地層主要有志留系的變質(zhì)巖、第四系洪積、沖洪積和沖積層，按沉積時(shí)代由老至新依次為：志留系(S)、第四系中更新統(tǒng)洪積層(Qp2pl)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Qh1al+1pl)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Qh1al)。研究區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于志留系全、強(qiáng)-中風(fēng)化千枚巖裂隙含水層及第四系全新統(tǒng)沖洪積碎石土孔隙含水層中。區(qū)內(nèi)地下水以大氣降水和北部千枚巖裂隙含水層中側(cè)向徑流為主要補(bǔ)給來(lái)源，主要通過(guò)向漢江及支溝中的地表水體和下游相鄰含水層徑流排泄、以泉的形式排泄及人工開(kāi)采地下水3種方式進(jìn)行排泄。

3 模型建立

3.1 概念模型

研究較復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境時(shí)，應(yīng)不考慮對(duì)研究區(qū)影響較小的因素，以完整流域的自然邊界確定水文地質(zhì)模型范圍可以增強(qiáng)其真實(shí)性與完整性[20]。

此次選取馬槽溝匯流流域作為研究區(qū)模擬范圍，東、西、北部邊界均為分水嶺(圖1中A2)，均可用第二類(lèi)零流量邊界刻畫(huà)；南部馬槽溝溝谷匯入漢江區(qū)域用第一類(lèi)定水頭邊界刻畫(huà)(圖1中A1)；研究區(qū)頂部接受大氣降水補(bǔ)給，用潛水面邊界刻畫(huà)；微風(fēng)化基巖的結(jié)構(gòu)完整、透水性差作為研究區(qū)底部，用第二類(lèi)零流量邊界刻畫(huà)；馬槽溝內(nèi)的間歇性河流及少量出露的泉點(diǎn)用Drain邊界刻畫(huà)。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，區(qū)內(nèi)的滲透系數(shù)介質(zhì)用多孔非均質(zhì)各向異性介質(zhì)刻畫(huà)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖

3.2 水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型

3.2.1 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型以對(duì)實(shí)際水文地質(zhì)概念模型的高度認(rèn)知為基礎(chǔ)，分為隨機(jī)性和確定性?xún)煞N模型[21]。確定性數(shù)學(xué)模型是由完全肯定的函數(shù)關(guān)系建立的，隨機(jī)性模型是由隨機(jī)變量建立的模型。此次建立的數(shù)學(xué)模型是確定性模型，包括地下水水流模型及溶質(zhì)運(yùn)移模型。

根據(jù)研究區(qū)概況將模擬區(qū)概化為均質(zhì)各向異性、穩(wěn)定的三維地下水流系統(tǒng)。在不考慮地下水流的密度及黏滯性變化的情況下結(jié)合模型邊界的概化結(jié)果，建立與之對(duì)應(yīng)的三維水流數(shù)學(xué)模型。

通過(guò)對(duì)提釩工藝中產(chǎn)生的廢水水質(zhì)進(jìn)行分析，確定污染源的初始及邊界條件，在不考慮含水層中生物化學(xué)反應(yīng)的作用下，結(jié)合水動(dòng)力彌散方程建立污染物溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型。

3.2.2 數(shù)值模型 利用Visual Modflow建立一個(gè)東西長(zhǎng)3.2 km，南北長(zhǎng)4.1 km的三維水流模型，水平面上采用10 m等間距剖分成131 200個(gè)單元格，代表實(shí)際面積2.97 km2。垂向上剖分為3層，對(duì)應(yīng)實(shí)際的第四系全新統(tǒng)沖洪積碎石土孔隙含水層、志留系全、強(qiáng)-中風(fēng)化千枚巖裂隙含水層以及微風(fēng)化基巖裂隙含水層。研究區(qū)參數(shù)分區(qū)圖見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)參數(shù)分區(qū)圖

3.3 模型驗(yàn)證

為了讓建立的三維水流模型真實(shí)地反映含水層中地下水流的運(yùn)動(dòng)，利用實(shí)際流場(chǎng)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證是必不可少的[22]。將各分區(qū)參數(shù)(見(jiàn)表1)代入模型進(jìn)行計(jì)算，得到研究區(qū)內(nèi)多年平均穩(wěn)定流場(chǎng)，分析流場(chǎng)可知，接受大氣降水入滲補(bǔ)給后的地下水從周邊分水嶺向馬槽溝溝谷匯流，溢出地表形成間歇性河流及少量泉水，與實(shí)際調(diào)查地下水流場(chǎng)方向相一致。將模型計(jì)算的穩(wěn)定流場(chǎng)與2018年2月實(shí)測(cè)地下水位進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2)，結(jié)果表明，計(jì)算地下水位與實(shí)測(cè)地下水位的平均誤差為0.29，基本滿(mǎn)足模型精度要求。

表1 模型水文地質(zhì)參數(shù)表

表2 研究區(qū)地下水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)水位對(duì)比表

4 污染物模擬預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)某采煤廠提釩技術(shù)進(jìn)行工程分析，發(fā)現(xiàn)廢水處理站內(nèi)沉降池中的吸附余液與沉釩母液中各離子濃度較其他廢水濃度高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，當(dāng)未來(lái)發(fā)生非正常泄漏時(shí)，此處污染物的泄漏對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境將會(huì)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的危害，故將沉降池作為預(yù)測(cè)點(diǎn)?？紤]到當(dāng)污染物發(fā)生泄漏時(shí)，可以采取兩種途徑降低危害：一是采取防滲措施，降低污染物泄漏濃度；二是加快檢漏頻率，縮短污染物泄露時(shí)間。故本次對(duì)3種情況進(jìn)行了模擬：一是未采取任何措施，污染物直接泄漏；二是安裝防滲層，降低污染物濃度至原濃度的1/10；三是改變檢漏頻率，每周進(jìn)行一次檢漏，泄漏時(shí)間約是原來(lái)的1/2。在對(duì)研究區(qū)工程資料與多年降水量資料綜合分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算出這3種情況下污染源的源強(qiáng)(見(jiàn)表3)，影響的含水層均為潛水含水層。

表3 非正常工況下污染物源強(qiáng)

以《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)作為超標(biāo)限，采用各離子檢測(cè)方法可檢測(cè)出的最低值作為檢出限，通過(guò)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型進(jìn)行模擬，可以得到在3種情況下不同特征污染物在不同時(shí)間的超標(biāo)范圍、影響范圍和最大運(yùn)移距離。因項(xiàng)目的服務(wù)年限為20 a，所以模型運(yùn)行時(shí)間設(shè)計(jì)為7 300 d，并將污染物在100、1 000、7 300 d運(yùn)移結(jié)果輸出，結(jié)果顯示7 300 d各類(lèi)污染物均未檢測(cè)出，因此僅對(duì)100、1 000 d的各污染物運(yùn)移情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖3～5)。

圖3 情況1各污染物運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果圖

圖4 情況2各污染物運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果圖

因Al3+在3種情況下對(duì)地下水的影響都較為明顯，因此選取Al3+作為代表性的污染物，Al3+濃度隨時(shí)間運(yùn)移情況見(jiàn)圖6～8(圖中還標(biāo)出了地下水位高程等值線(xiàn)，單位為m)。

圖5 情況3各污染物運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果圖

圖6 情況1下Al3+在100、1000d的運(yùn)移圖

從3種情況下Al3+濃度隨時(shí)間運(yùn)移圖可知，污染物運(yùn)移沿著水流方向及垂直水流方向逐步擴(kuò)散，范圍越來(lái)越大，但水流方向運(yùn)移速度比其他方向速度快。在污染暈形心處，污染物濃度最高，向四周逐漸減小。隨著時(shí)間的推移，形心距離污染物泄漏點(diǎn)越遠(yuǎn)，最大濃度也越來(lái)越小。由圖6～8可以看出，隨著時(shí)間推移，污染物濃度逐漸降低，對(duì)地下水環(huán)境影響變小[23]。因廠區(qū)位于第四系全新統(tǒng)沖洪積碎石層，其南部區(qū)域?yàn)榈谒南抵懈陆y(tǒng)粉質(zhì)黏土層，污染物在碎石層內(nèi)運(yùn)移速度較快，但污染物始終未運(yùn)移出廠界，同時(shí)南部的黏土層對(duì)污染物的運(yùn)移起到了一定的阻滯作用，污染物未來(lái)將不會(huì)影響到下游敏感保護(hù)目標(biāo)。對(duì)比圖6～8可知，當(dāng)未采取任何措施致使污染物濃度較高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，雖地下水會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的稀釋作用，但污染物濃度在開(kāi)始運(yùn)移的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)均高出超標(biāo)限，此時(shí)污染物對(duì)地下水環(huán)境的影響還是極為明顯的。

因此，建議從以下3方面來(lái)減小污染物帶來(lái)的危害 ：(1)在建設(shè)前期，將可能發(fā)生污染物滲漏的區(qū)域，選取復(fù)合襯層作為防滲層，其防止?jié)B濾液和污染物泄漏較土工膜襯層及壓實(shí)黏土襯層有明顯優(yōu)勢(shì)[24]；(2)在做好防滲的基礎(chǔ)上提高建設(shè)單位檢漏的頻率，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染物泄漏情況并采取應(yīng)對(duì)措施；(3)若發(fā)生污染物泄漏，可采取排除處理凈化法、流線(xiàn)控制法、屏蔽法、有效黏土技術(shù)、電化學(xué)動(dòng)力技術(shù)、生物技術(shù)、天然生物技術(shù)、原位生物技術(shù)等方法及時(shí)對(duì)已發(fā)現(xiàn)的污染水體及土體進(jìn)行恢復(fù)處理[25]。

圖7 情況2下Al3+在100、1000d的運(yùn)移圖

圖8 情況3下Al3+在100、1000d的運(yùn)移圖

5 結(jié)論與建議

(1)利用Visual Modflow中MT3DMS模塊建立的溶質(zhì)運(yùn)移模型在安康某采煤廠適用性很好，滿(mǎn)足模型精度要求，可用于分析污染物運(yùn)移規(guī)律，并為提出污染防治對(duì)策提供依據(jù)。

(2)污染物主要沿著水流方向運(yùn)移，且濃度在泄漏發(fā)生100 d內(nèi)存在一定范圍的超標(biāo)，但均未運(yùn)移出廠界，不會(huì)影響下游敏感保護(hù)目標(biāo)。

(4)開(kāi)采前期做好采煤廠污染防治工作，建議在污染易發(fā)區(qū)選取復(fù)合襯層作為防滲層，以降低污染物發(fā)生泄漏的可能性和削減污水的排放量；在實(shí)際運(yùn)行期間提高檢漏頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染物泄漏并采取應(yīng)急措施，盡可能降低石煤開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響。