某鉬尾礦庫地下水污染的評價(jià)及污染防治措施

李曉昕 ， 魏榮鋒 ， 朱國軍 ， 李紹生

(1.中赟國際工程有限公司 , 河南 鄭州 450000 ； 2.河南省鄭州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心 , 河南 鄭州 450000)

0 引言

我國鉬總儲(chǔ)量僅次于美國，是全世界鉬礦儲(chǔ)量較大的國家，其中以河南省鉬礦資源最為豐富，欒川縣有中國“鉬都”之稱。隨著鉬選礦工業(yè)的發(fā)展，大量的尾礦堆積在尾礦庫可能對地下水形成污染。叢俏等[1]對鉬礦區(qū)汚灌菜地土壤重金屬污染研究表明，由于地下水受到污染導(dǎo)致汚灌菜地土壤重金屬污染，形成農(nóng)田土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。1943年Ferguson第一次報(bào)道了鉬中毒現(xiàn)象，之后關(guān)于鉬污染問題引起了相關(guān)學(xué)者的重視。本文以新建的咸池溝尾礦庫及其周圍地下水為研究對象，以鉬特征因子為重金屬代表，研究、評價(jià)該尾礦庫的建設(shè)運(yùn)行可能對周圍地下水重金屬污染、遷移特征及規(guī)律，為該類尾礦庫的設(shè)計(jì)、地下水污染預(yù)防和防治措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 尾礦庫概況

咸池溝尾礦庫為欒川龍宇鉬業(yè)有限公司榆木溝尾礦庫的接替庫，為了增加庫容，設(shè)計(jì)采用中線筑壩法，堆積壩總高度130 m，最終堆積標(biāo)高1 115 m，最終總壩高為195 m，總庫容為13 433.52萬m3，有效庫容12 571.43萬m3，可滿足在選廠15 000 t/d生產(chǎn)能力下服務(wù)38.19年。根據(jù)《尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50863—2013)對堆放場等別的劃分標(biāo)準(zhǔn)可知為二等尾礦庫。為達(dá)到環(huán)保截滲的目的，在尾礦堆積壩的下游坡腳100 m處設(shè)置截滲壩一座，項(xiàng)目初期壩采用透水堆石壩，就地選擇庫區(qū)周邊質(zhì)地堅(jiān)硬的石料；初期壩軸線位于陶灣咸池溝溝口上游2.0 km處，設(shè)計(jì)初期壩65 m，壩底標(biāo)高920 m，壩頂標(biāo)高985 m，壩頂寬8 m，壩軸線全長450 m，初期壩上游坡比1∶1.75，下游坡比1∶2.0。在初期壩壩頂985 m標(biāo)高的基礎(chǔ)上，堆積壩采用尾砂中線法堆筑，即庫內(nèi)堆積溢流細(xì)顆粒尾砂，壩外坡采用旋流器底流粗顆粒尾砂堆筑，堆壩外坡比1∶3.0，為適當(dāng)降低尾礦壩下游粗尾砂筑壩量，中線法軸線向庫內(nèi)偏移角度為20°；中線法子壩每級子壩堆積高度為10.0 m，壩頂寬度20 m，內(nèi)坡比1∶2.5，外坡比1∶3.0。在初期壩軸線下游355 m和630 m分別修建1#和2#濾水?dāng)r渣壩，截滲壩壩高15 m，上游坡坡比1∶0.2，下游坡坡比1∶0.6，上下游直墻段高度2.0 m，采用漿砌石重力壩，截滲壩設(shè)溢流壩段采取全庫區(qū)防滲措施。

2 尾礦的有害成分分析

為了解鉬礦選礦后尾礦中重金屬的含量情況，對龍宇鉬業(yè)有限公司尾礦進(jìn)行有害成分進(jìn)行分析，結(jié)果如下：As，<0.001%；B，0.007%；Cd，<0.001%；Co，0.001%；Cr，0.009%；Cu，0.006%；C，0.390%；Fe，2.520%；Hg，<0.001%；Mn，0.069%；Mo，0.043%；Ni，0.002%；P，0.045%；Pb，0.001%；S，0.347%；Sb，<0.001%；SiO2，64.490%；V，0.004%；Zn，0.008%；CaO，6.277%；MgO，6.100%；Na2O，2.617%；K2O，12.21%。鉬尾礦中存在多種重金屬，如不加以控制，會(huì)對周邊地下水等構(gòu)成污染危害。

3 地下水影響預(yù)測

3.1 數(shù)值模型的建立

地下水影響預(yù)測選取了含礫粉質(zhì)黏土層含水巖組作為目標(biāo)含水層，模擬范圍從堆積壩處至下游伊河處的區(qū)段，地形為兩山夾一谷，面積為0.45 km2，下游邊界以伊河為水文地質(zhì)分界線進(jìn)行劃分。

地下水水流控制模型采用潛水含水層中“有入滲補(bǔ)給、非均質(zhì)、各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的基本方程”，邊界條件選擇“第一類邊界”求取穩(wěn)定、收斂解；地下水水質(zhì)控制模型在水流控制模型上加入溶質(zhì)運(yùn)移方程，邊界條件選擇“第三類邊界——給定溶質(zhì)通量邊界”進(jìn)行求解；采用地下水?dāng)?shù)值計(jì)算模型Visual Modflow Flex構(gòu)建地下水?dāng)?shù)值模型，設(shè)定南部為補(bǔ)給邊界、北部為排泄邊界，垂向地下水補(bǔ)給主要是大氣降水入滲補(bǔ)給；模型模擬區(qū)數(shù)學(xué)模型的求解采用矩形網(wǎng)格剖分法，設(shè)定網(wǎng)格剖分尺寸為2.067 m×2.107 m，單個(gè)計(jì)算單元面積為4.36 m2，共布設(shè)約10萬個(gè)網(wǎng)格計(jì)算單元。

3.2 模型參數(shù)的確定和求取

3.2.1包氣帶滲水試驗(yàn)

在尾礦庫庫區(qū)內(nèi)、外共選取4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試坑單環(huán)滲水試驗(yàn)，4處試驗(yàn)點(diǎn)均布置于溝谷及斜坡上：K01位于初期壩下游處；K02、K03、K04位于庫區(qū)內(nèi)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果為含礫粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)K值為5.81×10-6～30.8×10-6cm/s，平均取值為15.0×10-6cm/s。

3.2.2鉆孔壓水試驗(yàn)

鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果表明，微風(fēng)化石英片巖層的滲透系數(shù)(K)為0.19×10-6～1.35×10-6cm/s，平均為0.77×10-6cm/s，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，可概化為不透水層。

3.2.3水動(dòng)力彌散試驗(yàn)

以食鹽為試劑在庫區(qū)內(nèi)選擇天然包氣帶防污性能相對較弱的區(qū)域進(jìn)行彌散試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，計(jì)算出(縱向)地下水流速為5.00 m/d；縱向彌散度(aL)為0.167 m；縱向彌散系數(shù)為(DL)為0.85 m2/d。

3.2.4給水度的確定

庫區(qū)主要含水類型為層狀基巖裂隙水，富水性差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，有效孔隙度取值確定為0.001 1。

3.3 水質(zhì)預(yù)測因子、預(yù)測情景設(shè)定及源強(qiáng)的確定

本研究選取超標(biāo)倍數(shù)最大的鉬特征污染物作為重金屬代表。

預(yù)測情景設(shè)定如下：非正常工況下，截滲壩內(nèi)集水區(qū)域防滲結(jié)構(gòu)部分失效，尾礦水入滲至地下水環(huán)境，考慮最不利的因素，設(shè)定擬建項(xiàng)目地下水污染源的概化方式為連續(xù)恒定排放。

源強(qiáng)確定如下：尾礦庫截滲壩地面以下在運(yùn)營期間表面裂縫破損，裂縫面積為滲水水面總面積的1%(30.0 m2)，根據(jù)滲漏量計(jì)算公式Q=K×I×A進(jìn)行計(jì)算后取其10倍值為非正常狀況下的滲漏量，計(jì)算得出為7.98 m3/d，重金屬鉬滲漏量為0.228 kg/d。

3.4 預(yù)測結(jié)果與分析

根據(jù)預(yù)測模型和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測結(jié)果見圖1～2，得到以下結(jié)果：①隨著時(shí)間的推移，污染物的擴(kuò)散范圍不斷擴(kuò)大，100天、1 000天時(shí)，鉬污染暈沿地下水流向下游擴(kuò)散的趨勢明顯，向兩側(cè)擴(kuò)散的趨勢次之。兩時(shí)間節(jié)點(diǎn)污染暈均不會(huì)抵達(dá)位于截滲壩西北側(cè)的居民水井。②100天止時(shí)，污染物鉬污染暈最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為161 m，并且有超標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生，超標(biāo)距離為截滲壩下游至106 m區(qū)段處，此時(shí)鉬濃度已不能滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，污染暈中心濃度最大值可達(dá)5.431 9 mg/L，超標(biāo)倍數(shù)為27.2倍。③1 000天止時(shí)，污染物鉬污染暈運(yùn)移距離已達(dá)到模擬區(qū)北部邊界(即伊河)，此時(shí)邊界處鉬濃度為0.239 9 mg/L，即1 000天止時(shí)，自截滲壩至下游邊界處均為鉬超標(biāo)段。④為了探究污染物鉬污染暈抵達(dá)模型北部邊界的具體時(shí)間節(jié)點(diǎn)情況，本次對數(shù)值模型進(jìn)行了細(xì)化濃度時(shí)間步長的調(diào)制，對100～1 000天的時(shí)間區(qū)段進(jìn)行以10天為一個(gè)時(shí)間步長的離散化操作。經(jīng)數(shù)值模型的反復(fù)計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)，污染物鉬在810～820天其污染暈抵達(dá)了模型北部邊界。⑤在構(gòu)建數(shù)值模型時(shí)，將伊河作為其北部邊界，則污染物運(yùn)移至北部邊界的時(shí)間節(jié)點(diǎn)即是其開始對伊河水質(zhì)影響的時(shí)間。對于污染物鉬，從810～820之后，邊界處濃度由0.01 mg/L開始上升至1 000天時(shí)的0.239 9 mg/L，此時(shí)鉬的邊界濃度不能滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，從地下水環(huán)境角度而言，污染物鉬的超標(biāo)會(huì)對伊河水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

圖1 鉬污染暈濃度等值線圖

圖2 鉬抵達(dá)邊界處情景

4 地下水污染防治措施

4.1 源頭控制措施

針對高濃度鉬礦尾礦水可能對地下水的污染，羅旭東等[2-3]研究了用石灰沉淀法處理鉬礦尾礦水，表明此法對重金屬等均有較好的處理效率。袁致濤等[4]研究了混凝法處理鉬礦尾礦水也取得了較好的效果，因此，對鉬礦尾礦水進(jìn)行處理可以從源頭上解決尾礦水的污染問題。

4.2 分區(qū)防控措施

根據(jù)《一般工業(yè)固體廢物儲(chǔ)存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599—2001)中關(guān)于第I類一般工業(yè)固體廢物處置場的環(huán)境保護(hù)要求，提出了分區(qū)防滲措施，包括壩下垂直防滲措施、初期壩內(nèi)坡防滲、庫底防滲。

由于前期開展了詳盡的水文地質(zhì)勘察，創(chuàng)新地對庫底防滲方案進(jìn)行了優(yōu)化，按照實(shí)際地層巖性等進(jìn)一步劃分為Ⅰ區(qū)重點(diǎn)防滲區(qū)和Ⅱ區(qū)一般防滲區(qū)，做到了同時(shí)滿足《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ610—2016)以及《河南省環(huán)境保護(hù)廳辦公室關(guān)于印發(fā)危險(xiǎn)廢物集中處置和礦山采選行業(yè)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評價(jià)文件審批原則的通知》(豫環(huán)辦[2018]209號)中“新建尾礦庫(一般工業(yè)固體廢物)應(yīng)進(jìn)行全庫防滲，并滿足GB18599 Ⅱ類場防滲要求，……”對尾礦庫類項(xiàng)目防滲的技術(shù)要求，同時(shí)大大降低了業(yè)主在“庫底防滲”方面的投資。

4.2.1庫底防滲方案

根據(jù)項(xiàng)目工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察報(bào)告，勘察鉆探結(jié)果及類似工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定包氣帶巖土的滲透系數(shù)(K)為2.00×10-5～45.0×10-5cm/s，巖土體厚度1.50～33.50 m，按《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610—2016)判定本建設(shè)項(xiàng)目包氣帶防污性能分級屬中等到弱。尾礦庫污染控制難易程度為易控制類型，污染物類型以重金屬污染物為主，判斷場地屬于地下水污染一般防滲區(qū)到重點(diǎn)防滲區(qū)。根據(jù)上述判定結(jié)果結(jié)合場地節(jié)理裂隙發(fā)育情況，將庫區(qū)場地按防滲性能劃分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)分區(qū)。

Ⅰ區(qū)：重點(diǎn)防滲區(qū)。該區(qū)主要分布于溝谷兩側(cè)的小部分地帶，其主要特征為未經(jīng)壓實(shí)的填土、坡殘積碎塊石分布，且分布不連續(xù)；局部區(qū)域?yàn)榛鶐r露頭，露頭以全、強(qiáng)風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙極發(fā)育到較發(fā)育，且以連通性較好的張性節(jié)理為主。上述區(qū)域包氣帶防污性能弱，對庫區(qū)防滲較為不利。此外，全風(fēng)化花崗巖巖性破碎，以砂礫狀為主，其本身滲透系數(shù)較大，且垂向分布極為不均勻，考慮到處理難度較大，本報(bào)告將厚度較大的全風(fēng)化花崗巖出露帶劃分到Ⅰ區(qū)，設(shè)計(jì)單位可根據(jù)實(shí)際處理情況考慮調(diào)整。

Ⅱ區(qū)：一般防滲區(qū)。重點(diǎn)防滲區(qū)以外的其他大部分區(qū)域。其主要特征為滲透系數(shù)<1.00×10-4cm/s基巖或全風(fēng)化花崗巖穩(wěn)定、連續(xù)出露，厚度較大(厚度>1 m)的覆蓋層分布區(qū)域。上述區(qū)域包氣帶具備一定的過濾、吸附凈化、稀釋或隔水能力，防污性能中等，故將該區(qū)域劃分為地下水污染一般防滲區(qū)。

4.2.2斷裂帶防滲方案

陶灣咸池溝尾礦庫上游庫尾有一北西南東向斷裂，根據(jù)地表調(diào)查及鉆探揭露結(jié)果，斷裂在庫區(qū)內(nèi)寬度不大，且未見明顯露頭。該斷裂主要活動(dòng)時(shí)期為燕山期，全新世以來無活動(dòng)跡象，總體來說該斷裂對尾礦庫的影響較小。除此之外，庫址內(nèi)未有斷裂帶通過。擬在該斷裂的庫區(qū)最終淹沒線以下(1 115 m標(biāo)高)采用土工膜防滲；平均防滲寬度初步確定為50.0 m，該防滲寬度基本能夠覆蓋斷裂破碎帶寬度并可在周邊預(yù)留一定的完整山體區(qū)域。防滲鋪設(shè)型式(從下到上)為：平整壓實(shí)處理后+4 800 g/m2GCL+2.0 mm HDPE+400 g/m2土工布，防滲層分臺階采用錨固溝錨固在庫區(qū)山坡上，每層臺階高度25 m。防滲層一次防滲高度可結(jié)合尾礦庫運(yùn)行情況進(jìn)行分期防滲。

4.2.3其他防滲措施

由于工勘階段的局限性，為防止尾礦水下滲對地下水的污染，評價(jià)要求在庫區(qū)清表的過程中，對新發(fā)現(xiàn)的斷層破碎帶采用注漿的方式進(jìn)行防滲處理，對其兩側(cè)各10 m范圍內(nèi)采用注漿的方式進(jìn)行防滲處理，深度應(yīng)達(dá)到微風(fēng)化層；注漿的目的是通過對斷層破碎帶裂隙、溶隙等注入高質(zhì)量的漿液，使斷層破碎帶裂隙、溶隙被漿液充填、破碎帶被固化，以達(dá)到防滲的效果；注漿方法應(yīng)采用鉆孔注漿的方式，材料應(yīng)采用黏土水泥漿，注漿后應(yīng)封孔。

4.3 污染監(jiān)控措施

為監(jiān)控尾礦庫滲水可能對地下水的污染，在尾礦庫及周邊設(shè)置6個(gè)監(jiān)控井，定時(shí)監(jiān)測，建立地下水環(huán)境跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)監(jiān)控地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化，防止地下水受到污染影響。

5 結(jié)論

①從預(yù)測結(jié)果可以看出，如不采取有效的污染防控措施，尾礦水下滲會(huì)構(gòu)成區(qū)域地下水的污染；②當(dāng)尾礦水下滲810～820天后，鉬污染暈會(huì)抵達(dá)模型北部邊界即伊河，通過淺層地下水與伊河水的相互交換，會(huì)構(gòu)成伊河地表水的污染；③通過詳盡的水文地質(zhì)勘察，優(yōu)化了尾礦庫防滲及污染防控措施，為尾礦庫污染防控設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。