基于Visual MODFLOW的西北某銅金屬冶煉項目地下水環(huán)境影響預(yù)測模擬

尹芝華 孫 暉 任 鋒 楊 彥 張啟軍 郝言正

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

隨著我國銅金屬冶煉行業(yè)的快速發(fā)展，與之相關(guān)的環(huán)境隱患問題日漸突出[1]。由于銅金屬冶煉技術(shù)復(fù)雜，污染生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，廢水產(chǎn)生量較大，且含有大量濃度較高的一類重金屬污染物，國家相關(guān)文件[2-3]均把銅金屬冶煉業(yè)列為重金屬污染防控的重點行業(yè)。同時，銅金屬冶煉過程還會產(chǎn)生廢酸等工藝廢水和冶煉水碎渣、制酸系統(tǒng)鉛渣、砷渣、廢酸處理站的中和渣、石膏渣、脫硫副產(chǎn)物等固體廢物[4]。一旦原輔材料、產(chǎn)品、廢水和固體廢物在貯存、運輸、使用和處理等過程中發(fā)生泄露，將對土壤和地下水環(huán)境造成污染[5]。若地下水環(huán)境遭受污染，由于地下水污染治理的長期性、艱巨性，其修復(fù)工作困難重重，且耗資巨大[6-7]。因此，有必要深入分析銅冶煉項目在運營期對地下水環(huán)境的影響，從而防患于未然。

Visual MODFLOW軟件以操作簡單、界面友好等優(yōu)點成為目前國際上先進的地下水滲流和溶質(zhì)運移的標準可視化專業(yè)軟件，是由加拿大Water-1oo水文地質(zhì)公司在原MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用可視化技術(shù)開發(fā)研制的。目前，Visual MODFLOW已廣泛應(yīng)用于模擬地下水污染物運移，以及預(yù)測不同管理方案的污染物運移的影響[7-8]。

我國西北某銅金屬冶煉廠年處理銅精礦45萬t，采用“氧氣底吹熔煉+氧氣底吹連續(xù)吹煉+底吹精煉”三連爐全底吹連續(xù)煉銅生產(chǎn)工藝，主體工程主要由熔煉系統(tǒng)、電解系統(tǒng)、凈液系統(tǒng)、渣處理系統(tǒng)、制酸系統(tǒng)等組成，主要污染源來自制酸系統(tǒng)的廢水處理工序。本次利用Visual MODFLOW軟件建立該銅金屬冶煉廠區(qū)地下水水流及溶質(zhì)運移數(shù)值模型，分析非正常工況廢水持續(xù)泄露條件下特征污染物對地下水環(huán)境的影響，并提出針對性的防控對策，以預(yù)防與控制地下水環(huán)境惡化，保護地下水資源，降低企業(yè)服務(wù)期滿后的場地修復(fù)風(fēng)險，為類似銅金屬冶煉項目環(huán)境決策、工程設(shè)計和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理條件

研究區(qū)所在區(qū)域地貌類型為山前沖洪積扇，總體地勢北高南低，海拔高程為1 020～1 140 m，總體地形較為平坦，地面坡降1.5‰。銅冶煉廠位于山前沖洪積扇中上部，地處中緯度地區(qū)，遠離海洋，深居內(nèi)陸，屬于半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為305.8 mm(降水主要集中于每年的7～9月)，多年平均蒸發(fā)量為2 287.4 mm(蒸發(fā)主要發(fā)生在每年的4～8月)，多年平均氣溫6.5 ℃。研究區(qū)東側(cè)為季節(jié)性河流，河谷平坦，河長115 km，平均比降為6‰，流域面積為2 282 km2，多年平均流量為1.0 m3/s，最終該河流匯入黃河。

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)主要分布第四系松散巖類、單一結(jié)構(gòu)的孔隙潛水以及深部承壓水。潛水層巖性主要為粉細砂巖、中砂巖，局部為中粗砂巖，含卵石，夾薄層粉土，水位埋深為3.0～10.85 m，含水層結(jié)構(gòu)松散，滲透良好，水量豐富，含水層厚度大于20 m。承壓含水層主要位于淤泥質(zhì)、粉質(zhì)黏土層之下，巖性主要為細砂巖和細粉砂巖，含水層厚度為40～60 m，單井涌水量為500～1 000 m3/d，溶解性總固體小于1 000 mg/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg型為主，水質(zhì)良好。該含水層是研究區(qū)內(nèi)生活用水的主要供水層。

同時，研究區(qū)位于區(qū)域上的地下水補給- 徑流區(qū)，主要接受大氣降水、地表水和上游含水層的側(cè)向補給，地下水流整體沿北北東向- 南南西向徑流，水力坡度為2.5%～3.0%，主要通過地下水開采(生活供水井、農(nóng)灌井、工業(yè)生產(chǎn)井)和側(cè)向徑流發(fā)生排泄。研究區(qū)受季節(jié)性開采和上游水體補給作用影響，地下水動態(tài)類型為徑流- 開采型，地下水水位年際變幅為0.22～1.22 m。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

該西北銅金屬冶煉廠區(qū)位于研究區(qū)北部，地形比較平坦。根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果，廠區(qū)包氣帶巖性主要為粉土和粉砂土，滲透系數(shù)為0.037 06～0.079 66 m/d，其防污能力中等。淺層潛水層埋深4.5 m左右，巖性主要為粉細砂巖和中砂巖，含卵石，局部以粉質(zhì)黏土為主，含水層厚度約14.4 m。潛水層的相對隔水底板為中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)湖積- 洪積層，巖性主要為黑灰色、青灰色的淤泥質(zhì)砂黏土夾灰黑色粉細砂巖、粉砂巖，層理清晰，透水性極差，滲透系數(shù)小于0.05 m/d，具有極好的隔水性，因此淺層潛水層與下伏承壓含水層之間的水力聯(lián)系較差。埋藏在穩(wěn)定隔水層之下的地下水為承壓水。

研究區(qū)西部以河流為天然邊界，指定流量邊界；東部邊界垂直地下水等水位線，指定人為邊界、零流量邊界；北部邊界平行于地下水等水位線，定義為定水頭邊界；南部邊界為斷層，阻水性質(zhì)，定義為零流量邊界；上部邊界為研究區(qū)的潛水面，接受大氣降水等補給以及人工開采等排泄方式；下部邊界為潛水面以下的厚層淤泥質(zhì)黏砂土底板，為隔水邊界。

綜上，研究區(qū)地下水系統(tǒng)可概化為各向均質(zhì)同性、空間多層結(jié)構(gòu)、三維穩(wěn)定的地下水流系統(tǒng)。

2.2 地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

2.2.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，用公式(1)來表達研究區(qū)地下水流系統(tǒng)。

(1)

式中，Ω表示地下水滲流區(qū)域；H為地下水水頭，m；S為模型的第二類邊界；Γ為模型的第三類邊界(混合邊界)；Kxx、Kyy、Kzz分別表示x、y、z主方向的滲透系數(shù)，m/d；W表示源匯項，包括降水入滲補給、河流入滲補給、井的抽水量等；H0(x,y,z)表示初始地下水水頭函數(shù)，m，在穩(wěn)定流里可不考慮；q(x,y,z)為邊界單位面積流量函數(shù)，m3/d；n為邊界S上的外法線方向；h為索取水頭邊界處水頭，m；h0為天然水頭，m；C=KA/L(C為流量，m3/d；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；L為h和h0之間的距離，m)。

2.2.2 地下水溶質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型

根據(jù)概化結(jié)果，用公式(2)來表達研究區(qū)地下水溶質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型。

(2)

式中，C為地下水中組分的溶解相濃度，mg/L；μ為含水層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；t為時間，d；xi為沿直角坐標系軸向的距離，m；Dij為水動力彌散系數(shù)張量，m2/d；vi為孔隙水平均實際流速，m/d；qs為單位體積含水層流量，代表源河匯，m3/d；Cs為源或匯水流中組分的濃度，mg/L；∑Rn為化學(xué)反應(yīng)項，mg/m3·d；Ω為溶質(zhì)遷移的區(qū)域；C0為組分的初始濃度，mg/L；Γ為Neumann邊界。

2.3 模型網(wǎng)格剖分及驗證

2.3.1 模型網(wǎng)格剖分

Visual MODFLOW模型的網(wǎng)格剖分(空間離散)利用軟件的自動離散功能完成?？紤]到模擬精度尤其是溶質(zhì)遷移模型精度的要求，根據(jù)模擬區(qū)典型水文地質(zhì)鉆孔揭露的地層信息，在垂向上將模擬區(qū)剖分為1層，在水平方向上用正交網(wǎng)格剖分為90行×125列的網(wǎng)格，單元格大小為100 m×100 m，模擬區(qū)總共剖分為11 250個單元格(圖1)。

圖1 網(wǎng)格剖分圖(黑色為非活動單元格)

2.3.2 水文地質(zhì)參數(shù)確定

根據(jù)研究區(qū)已有的水文地質(zhì)資料和水文地質(zhì)試驗，運用PEST模塊進行參數(shù)分區(qū)和優(yōu)化，最終確定的水文地質(zhì)參數(shù)見表1，模擬區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)如圖2所示。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

2.3.3 模型驗證

模型驗證是建立水文地質(zhì)數(shù)值模型的關(guān)鍵步驟之一。通過模型校正、參數(shù)調(diào)試等過程，要求所模擬的地下水流場與實際地下水流場基本一致，以客觀反映地下水流動的趨勢，提高模型的仿真度。

模擬以調(diào)查期間的實際枯水期地下水流場作為初始流場，通過進行水文地質(zhì)參數(shù)反演以及邊界條件和源匯項的模型識別，得到地下水流場；通過將實際監(jiān)測的地下水水位與模擬計算得到的地下水水位進行擬合，得到的流場圖及水位擬合曲線如圖3、圖4所示。

圖3 模型計算的流場圖

圖4 水位擬合曲線圖

由圖3、圖4可知，模型計算出的流場與實測的地下水流場基本吻合，證實所建立的地下水流數(shù)值模型基本達到精度要求，可運用該模型進行地下水預(yù)測。

3 地下水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測結(jié)果及分析

3.1 預(yù)測情景及源強分析

3.1.1 預(yù)測情景

根據(jù)建設(shè)項目工藝分析，本次主要針對銅冶煉廠污酸處理站的污酸中和池防滲系統(tǒng)破裂導(dǎo)致的污酸泄漏事故進行模擬預(yù)測。同時，結(jié)合《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610—2016)，地下水污染源可概化為連續(xù)恒定排放、非連續(xù)恒定排放以及瞬時排放，考慮實際情況以及不利環(huán)境的因素，設(shè)定本項目地下水污染源排放方式為非連續(xù)恒定排放。因此，預(yù)測情景可概化為污酸中和池以非連續(xù)恒定排放方式發(fā)生泄漏。

3.1.2 預(yù)測源強

根據(jù)相關(guān)研究[9]，一般情況下，當(dāng)裂縫面積小于總面積的0.3%時，地下水泄漏情況不易發(fā)覺。由于廢水泄漏量占廢水產(chǎn)生量的比例較小，非正常狀況不易被發(fā)現(xiàn)；同時，根據(jù)污酸處理站設(shè)備檢驗以及下游地下水水質(zhì)監(jiān)測(逢月)頻次，模型試算得到的下游虛擬監(jiān)測井污染物濃度變化曲線顯示，污染物濃度在1個月左右超過了《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)中的Ⅲ類標準，表明發(fā)生了污染事故。假設(shè)從監(jiān)測污染到采取措施不再發(fā)生事故需5 d，那么污染物泄漏時長約為65 d。

污染物泄漏量的計算公式如下：

Q=KIA

(3)

式中，Q為每日滲漏量，m3/d；A為泄露面積，m2；K為天然包氣帶滲透系數(shù)，m/d；I為取值為1，無量綱。

經(jīng)過計算，每日污酸滲漏量為0.004 5 m3/d。

3.2 預(yù)測結(jié)果及分析

圖5 非正常狀況下污染物不同時間污染暈變化

為進一步了解模擬區(qū)地下水中污染物濃度隨時間的變化情況，在廠區(qū)邊界和廠區(qū)下游敏感點村莊設(shè)置兩口虛擬濃度觀測井，編號分別為CW1和CW2。這兩口監(jiān)測井中污染物濃度隨時間變化的情況如圖6所示。

4 結(jié)束語

基于Visual MODFLOW模型，針對西北某銅金屬冶煉廠的污酸中和池泄漏情景，通過地下水環(huán)境影響識別、水文地質(zhì)參數(shù)反演、水文地質(zhì)概念模型的建立，進行地下水環(huán)境影響預(yù)測模擬。預(yù)測結(jié)果表明，非正常狀況下銅冶煉廠廢酸中和池發(fā)生泄漏后，電解槽，表明710 mm陽極電解槽穩(wěn)定性較好，有利于提高電流效率。實際電耗也驗證了減少槽干擾后，電解槽的電流效率提高，效率提高降低的電耗抵消了一部分陽極增高導(dǎo)致的壓降電耗。

圖6 非正常狀況下污染物濃度變化歷時曲線