鉀長石礦露天開采對(duì)地下水的影響預(yù)測分析

楚曉美

摘要：露天開采是礦山開采方式中對(duì)地下水影響較為嚴(yán)重的一種。本文針對(duì)鉀長石礦露天開采鐵離子對(duì)地下水資源影響的科學(xué)問題，開展地下水模擬預(yù)測。數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果表明，假設(shè)污染物鐵持續(xù)入滲的前提下，將污染物濃度值放大后，在一定的時(shí)段和范圍內(nèi)，地下水體中鐵的濃度不能滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水體的要求，但污染面積及濃度皆較小。

關(guān)鍵詞：礦山露天開采地下水環(huán)境影響預(yù)測分析

Prediction and Analysis of Influence of Open pit Mining on Groundwater in Potassium Feldspar Mine

CHU Xiaomei

（Liaoning Changxin Environmental Engineering Consulting Co.， Ltd.，Shenyang，Liaoning Province，110000 China）

Abstract： Open-pit mining is one of the mining methods that has a serious impact on groundwater. Aiming at the scientific problem of the influence of iron ions on groundwater resources in opencast mining of potash feldspar mine， this paper carries out groundwater simulation and prediction. The prediction results of numerical simulation show that， under the premise of continuous infiltration of pollutant iron， after amplifying the pollutant concentration， the concentration of iron in groundwater can not meet the requirements of class III water body in groundwater quality standard within a certain period of time and range， but the pollution area and concentration are small.

Key Words： Open pit mining; Groundwater; Environmental impact; Prediction analysis

某鉀長石礦設(shè)計(jì)開采硅石和鉀長石，采用露天開采方式。項(xiàng)目礦區(qū)面積0.0182km2，開采深度標(biāo)高320～363m。采用自上而下的水平分階段采礦方法，工作階段高5m，最終階段高10m，工作階段坡面角60o，最終階段邊坡角43o，工作平均盤寬20～25m。生產(chǎn)規(guī)模為硅石0.5萬t/a，鉀長石2萬t/a。采礦方法采用露天斷面法，采用潛孔鑿巖爆破，人工與機(jī)械相結(jié)合的開采方式，自上而下分臺(tái)階直接開采。項(xiàng)目開采過程可能會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生影響[1-2]。為了解項(xiàng)目開采過程是否會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生影響，本文采用水文地質(zhì)模型預(yù)測其開采過程對(duì)地下水的環(huán)境影響。

1預(yù)測評(píng)價(jià)范圍

建設(shè)項(xiàng)目位于三面環(huán)山的溝谷中，東北側(cè)一季節(jié)性排水溝從礦區(qū)邊界穿過，其余三面皆為分水嶺，為一完整水文地質(zhì)單元。為確定項(xiàng)目區(qū)域水文地質(zhì)情況，對(duì)項(xiàng)目區(qū)附近1.02 km2區(qū)域進(jìn)行了水文地質(zhì)調(diào)查及資料收集工作，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟆⑺?、地質(zhì)條件和本工程三廢排放情況及廠址周圍敏感目標(biāo)情況，依據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）8.2.2.1的“建設(shè)項(xiàng)目（除線性工程外）地下水環(huán)境影響現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)范圍可采用自定義法確定”，本次地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍約為1.02km2。

2水文地質(zhì)特征

礦區(qū)地勢較高，坡度較大，附近無河流及泉出露，地表水主要靠大氣降水補(bǔ)給，通過巖石裂隙補(bǔ)給地下水。巖石透水性較差，對(duì)礦床開采不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

礦區(qū)范圍內(nèi)最高海拔標(biāo)高約為385m，最低海拔標(biāo)高約為240m，開采標(biāo)高320～363m，當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高約260m，開采礦體位于最低侵蝕基準(zhǔn)面之上。附近無大的河流及泉出露，地表水主要靠大氣降水補(bǔ)給;礦區(qū)內(nèi)巖溶不發(fā)育，含少量的裂隙水，巖石富水性較差，涌水量較小，水文地質(zhì)條件屬簡單的裂隙水充水為主的礦床類型。本項(xiàng)目東南側(cè)4256km處為柴河干流。

3水文地質(zhì)模型的概化

本次評(píng)價(jià)建設(shè)項(xiàng)目位于三面環(huán)山的溝谷中，東北側(cè)一季節(jié)性排水溝從礦區(qū)邊界穿過，其余三面皆為分水嶺，為一完整水文地質(zhì)單元。因此，模擬時(shí)以東北側(cè)季節(jié)性排水溝為排水溝邊界，三面環(huán)山以分水嶺為邊界，定義為隔水邊界，區(qū)域內(nèi)地下水主要接受降雨補(bǔ)給，并向模擬區(qū)域東南側(cè)徑流，區(qū)內(nèi)含水層地下水流動(dòng)較小，屬于層流運(yùn)動(dòng)，符合達(dá)西定律，模型模擬時(shí)地形數(shù)據(jù)采自于GLOBAL.MAPPER 獲得的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，共獲取高程點(diǎn)336個(gè)，應(yīng)用反距離加權(quán)法對(duì)地形進(jìn)行插值，建立的模型為三維地形模型。

礦區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)的膠遼臺(tái)隆的鐵嶺—靖宇臺(tái)拱之李家臺(tái)斷凸與凡河凹陷交匯處。項(xiàng)目區(qū)出露地層主要為南康莊組紫色頁巖夾砂巖及凝灰?guī)r，霧迷山組三段深灰色燧石條帶白云巖、偶夾砂巖及板巖，高家峪組灰綠色黑云角閃斜長變粒巖、黑云斜長片麻巖夾絹云石英片巖、斜長角閃巖，石英閃長巖、閃長巖、輝石閃長巖，二輝巖、輝長巖及混合巖。

該區(qū)潛水含水層為全風(fēng)化太古宙花崗質(zhì)片麻巖及第四系殘坡積黏土、亞黏土及細(xì)砂，研究區(qū)完整水文地質(zhì)單元內(nèi)部含水層主要為全風(fēng)化太古宙花崗質(zhì)片麻巖，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，巖層橫向滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)皆取5m/d，擴(kuò)散系數(shù)取130。

由前述地下水系統(tǒng)的概念模型，可抽象地建立本研究區(qū)地下水及溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式。

3.1 地下水運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

地下水運(yùn)移數(shù)學(xué)模型，可用如下偏微分方程表示[3]：

（1）

其中：

Kxx，Kyy和Kzz為滲透系數(shù)在x、y和z方向上的分量。在這里，我們假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致，量綱為（LT-1）;h為水頭（L）;W為單位體積流量（T-1），用以代表流進(jìn)匯或來自源的水量;Ss為孔隙介質(zhì)的貯水率（L-1）;t為時(shí)間（T）。

3.2 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

描述三維地下水流系統(tǒng)中k組分的存在和運(yùn)移的偏微分方程可寫成[4]：

（2）

式中：

Ck為k組分的溶解相濃度（ML-3）;θ為地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱;t為時(shí)間（T）;xi為沿直角坐標(biāo)系軸向的距離（L）;Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量（L2T-1）;vi為孔隙水平均實(shí)際流速（LT-1）;它與單寬流量存在如下關(guān)系：vi=qi/θ;qs為單位體積含水層流量（T-1），它代表源（正值）和匯（負(fù)值）; 為源或匯水流中k組分的濃度（ML-3）;ΣRn為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)（ML-3T-1）。

方程（2）的左側(cè)可展開成兩項(xiàng)

（3）

式中 為地下水儲(chǔ)存量的變化率（單位：T-1）。

方程（2）中的化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)表示污染物存在和運(yùn)移過程中一般的生物化學(xué)和地球化學(xué)反應(yīng)。本處僅考慮化學(xué)反應(yīng)的兩種基本類型：固液表面反應(yīng)（吸附作用）和一階速率反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)可表示成

（4）

式中：

為介質(zhì)容重，ML-1; 為固體吸附k組分濃度（MM-1）;λ1為溶解相的一階反應(yīng)速率（T-1）;λ2為吸附相的一階反應(yīng)速率（T-1）。

將方程（3）和（4）代入方程（2）并去掉組分號(hào)k以簡化表示，整理得：

（5）

根據(jù)掌握的區(qū)域水文地質(zhì)資料，利用GMS地下水模擬軟件建立地下水模型，將預(yù)測區(qū)域劃分為75×75個(gè)單元格，模擬范圍約為1.02km2。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查可知，該區(qū)域第四系覆蓋層較薄，模擬時(shí)候?qū)⒌貙痈呕癁橐粚?，含水層深度?0m。

4模型識(shí)別與驗(yàn)證

模型的識(shí)別和驗(yàn)證是整個(gè)模擬中極為重要的一步工作，通常要進(jìn)行反復(fù)地調(diào)整參數(shù)才能達(dá)到較為理想的擬合結(jié)果，使模型最大程度接近實(shí)際[5-7]。

在進(jìn)行污染物溶質(zhì)運(yùn)移前需要建立區(qū)域初始滲流場。以2019年3月測量水位值以及相關(guān)水文地質(zhì)資料確定地下水初始水位。模擬未來10年內(nèi)項(xiàng)目可能對(duì)地下水水質(zhì)造成的影響，區(qū)域內(nèi)地下水自西北向東南徑流，在東南部分由排水溝進(jìn)行泄。

模擬結(jié)果顯示，模擬流場與實(shí)測流場擬合較好，反映出模擬模型與實(shí)際地下水系統(tǒng)在空間上基本吻合。因此，本次模擬建立的模型基本符合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，并能反映地下水系統(tǒng)的流場特征，利用該模型對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測和污染情景預(yù)報(bào)是可行的[12]。

5模型預(yù)測

在已經(jīng)建立的天然滲流場基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)定情景的地下水環(huán)境影響預(yù)測，預(yù)測時(shí)間最長為10年。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，污染源分3處，即露天采場、廢渣堆與堆料場，坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84坐標(biāo)，通用橫軸墨卡托投影，51度帶。

根據(jù)臨近礦山經(jīng)驗(yàn)結(jié)合礦區(qū)水文地質(zhì)情況，露天采場補(bǔ)給率定為0.04m/d，廢渣堆補(bǔ)給率定為0.02m/d，堆料場補(bǔ)給率定為0.02m/d。由于區(qū)域地下水中有鐵離子濃度檢出，但數(shù)值較小，可見較長時(shí)間的地下水與礦石作用不會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生影響?？紤]到因?yàn)槿藶閿_動(dòng)，有可能加劇鐵離子浸出，為了評(píng)價(jià)可能發(fā)生的最大污染，預(yù)測污染物的運(yùn)移趨勢，以地下水Ⅲ類水質(zhì)鐵標(biāo)準(zhǔn)限值[13]的10倍作為污染源強(qiáng)，即鐵濃度為3mg/L，進(jìn)行模擬預(yù)測。

經(jīng)預(yù)測可知，污染物通過降雨淋溶方式進(jìn)入地下水體50d后，向東南部運(yùn)移擴(kuò)散。污染羽鐵離子最大濃度值為0.18mg/L，濃度中心位于漏填采坑，影響范圍38400m2，污染物向東南運(yùn)移的趨勢明顯。

經(jīng)預(yù)測可知，經(jīng)過200d時(shí)，鐵濃度最大值上升至0.26mg/L，濃度中心位于漏填采坑處，影響范圍105000m2，污染物繼續(xù)向東南運(yùn)移擴(kuò)散。

經(jīng)預(yù)測可知，經(jīng)過400d時(shí)，鐵濃度最大值上升至0.34mg/L，濃度中心位于漏填采坑處，影響范圍106700m2，此時(shí)，鐵離子濃度超標(biāo)面積約為4300m2，污染物繼續(xù)向東南運(yùn)移擴(kuò)散。

經(jīng)預(yù)測可知，經(jīng)過750d時(shí)，鐵濃度最大值上升至0.34mg/L，濃度中心位于漏填采坑處，與模擬進(jìn)行400d相比較，污染暈形狀與濃度基本保持不變。

經(jīng)過1800d、3650d模擬，鐵濃度最大值仍為0.34mg/L，污染暈及濃度等值線形狀基本不改變。可見，當(dāng)污染源發(fā)生泄漏400d后，地下水鐵離子濃度處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

6地下水模擬預(yù)測結(jié)論

本項(xiàng)目地下水評(píng)價(jià)以地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查和地下水環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果為依據(jù)，對(duì)發(fā)生極端不利情況地下水中鐵離子進(jìn)行了模擬，根據(jù)廢石淋溶結(jié)論，廢石中污染物含量極低，不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤斐捎绊?。為預(yù)測可能發(fā)生的最大環(huán)境影響，將污染物濃度值放大后，在一定的時(shí)段和范圍內(nèi)，地下水體中鐵的濃度不能達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水體的要求，但污染面積及濃度皆較小。需要特別說明的是，上述所有溶質(zhì)運(yùn)移的預(yù)測工作均是在假設(shè)污染物持續(xù)入滲的前提下，且計(jì)算模型中并未考慮包氣帶介質(zhì)的吸附、降解等作用的影響;且模型中污染物濃度值放大倍數(shù)較高。實(shí)際上，包氣帶介質(zhì)中含有各種離子、有機(jī)物和微生物，污染物質(zhì)在通過包氣帶向地下水遷移的過程中將發(fā)生吸附、過濾、離子交換、生物降解等作用而得到不同程度的凈化;而且廢石中污染因子含量遠(yuǎn)低于模型的取值，因此污染羽的實(shí)際遷移情況將小于上述預(yù)測結(jié)果。

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