某尾礦庫自然狀態下水土污染地質災害模擬研究

朱澤勛,吳 莉

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院, 云南昆明 650051)

某尾礦庫自然狀態下水土污染地質災害模擬研究

朱澤勛,吳 莉

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院, 云南昆明 650051)

采用 ComsolMultiphysics軟件進行滲流場數值模擬,研究某尾礦庫在自然狀態下地下環境中污染物運移特征。二維和三維溶質遷移場數值模擬結果表明,100 a內尾礦庫下灰巖中地下水的 F、As和 Zn的濃度滿足二類水標準,同時分析得出了當前污染物濃度分布規律和將來污染物濃度分布規律等,可為尾礦庫地下環境污染評價和治理提供依據。

尾礦庫;污染物;滲流模擬;濃度分布

0 前 言

某礦尾礦庫于 1958年建成使用,經過 50多年的運營,目前已經堆至 2036 m(獨立高程系),相對于場地東南側合田磷肥廠地面,高差為 71 m;相對于場地南部昆明三養肥料有限公司地面,高差為 56 m;相對于場地西南部西山區看守所大門地面,高差為 50 m。渣場未設置壩體和防滲設施,堆積過程中自然形成了 3個臺階,見圖1。經檢測,該尾礦庫中尾渣的主要有害物質為氟 (F)、鋅離子 (Zn)和砷離子 (As),經過長時間自然狀態下的雨水的淋濾,有害物質直接滲透到地下水當中。

圖1 某尾礦庫影像示意

1 污染物運移分析數值模型

通過對該尾礦庫自然狀態下地下環境滲流場和污染物運移場的三位數值模擬分析,研究污染物濃度分布規律。數值模擬采包含污染物運移數值模擬算法的國際商用軟件 Comsol Multiphysics進行,滲流場按照飽和 -非飽和穩定滲流模擬,污染物運移場按照非穩定溶質運移模擬。

1.1 污染因子的選擇

在自然狀態下對淋濾液進行溶質成分鑒定,結果表明:氟 (F)的濃度值為 4.50 mg/L,鋅離子 (Zn)的濃度值為 0.608 mg/L,砷離子 (As)的濃度值為0.051 mg/L,其濃度都超出了地下水Ⅱ類濃度要求,因此選擇這 3種離子進行污染物遷移過程模擬。

1.2 模型的建立

1.2.1 模擬地層

計算模型地層主要分為 6種材料:污染源包括熔煉渣、施工棄土和生活垃圾層合并為同一地層建模設為材料 1;粘土和人工填土層合并為同一地層建模設為材料 2;離地下水面一定距離后非飽和灰巖建模設為材料 3;飽和狀態的灰巖建模設為材料4;為了模擬二維模型底部不滲水特征,假設有滲透系數很低的基巖,并將其設為材料 5;另外砂礫石設為材料 6。

滲流計算用的各巖土層的飽和滲透系數見表1,粘土層滲透系數主要參考了室內實驗結果,并適當考慮了重力耦合作用。計算中材料 1和材料 2設置為飽和 -非飽和滲流特性材料,相對滲透率取為和有效飽和度一樣大,其它材料設置為飽和滲流特性材料。

表1 滲流計算材料參數

彌散度是地下水動力彌散理論中用來描述空隙介質彌散特征的一個重要參數,對于它的取值是當今彌散理論研究的一個熱點,其中的一個重要原因是它的尺度效應,在此彌散度測參照巖土工程界實驗結果取值。彌散計算用的各巖土層的材料參數見表2。

表2 彌散試驗計算材料參數

1.2.2 滲流問題初始及邊界條件確定

埋場頂部接受降雨垂直入滲,屬于第二類的給定通量邊界。對于二維模型,北邊界地下水位以下部分以離場地地面 130 m的水位設置水頭邊界條件,地下水位以上部分按照該處是分水嶺可以設置為對稱邊界 (隔水邊界),南邊界以滇池水位設置水頭邊界條件,底部設置隔水邊界。對于三維模型,北邊界地下水位以下部分以場地北部約 200 m處居民供水井靜止水位埋深 130 m對應的空間水位設置水頭邊界條件,地下水位以上部分按照該處是分水嶺可以設置為對稱邊界 (隔水邊界),東邊因地形近似對稱設置隔水邊界,考慮到降雨對地下水滲流影響不大,西邊近似設置為隔水邊界,東邊界以二維模型計算得到的該截面水頭設置水頭邊界條件,底部設置隔水邊界。

頂部入滲流量邊界的流量和降雨量、和土壤相關的入滲率、蒸發量、場外徑流進入場地的水量、水井提水量等因素相關。取頂部入滲流量為昆明年降雨量,昆明多年平均年降雨量為 1011.8 mm,頂部入滲平均速為 3.2e-8 m/s。對于一般地面,考慮到地表粘土滲透系數小入滲率低,存在蒸發量和人工井取水等因素,取頂部入滲流量為昆明年降雨量的5%,頂部入滲平均速為 1.6e-9 m/s。

另外巖土體中水流速和滲透壓分布在此按照穩定滲流計算求取,因此計算結果和初始條件無關,在此初始水頭設置為滇池水位水頭。

1.2.3 污染物彌散問題初始及邊界條件確定

渣場頂部設置通量邊界,其量值近似設置為(3.2e-8)×x,x是自然狀態下滲濾液中污染物的濃度,北邊界設置為 0濃度邊界,南邊界設置為平流通量邊界,其余邊界設置為 0通量邊界。材料 1中水的初始濃度是 x,其余材料初始濃度是 0。

1.2.4 建立模型

為了更好模擬污染物在地下水中遷移情況,建立了 2個模型進行研究。第一個模型是二維模型,范圍是從渣場北邊的分水嶺到南邊的滇池,總長度10.462 km,最大高度差 1.058 km,生成 21648個節點,42236個單元。第二個模型是三維模型,采用了貫穿渣場的 8個剖面建模,北邊以渣場北邊的分水嶺為邊界,南邊以在尾礦庫以南 0.992 km處設面為邊界,西邊以尾礦庫往西 0.155 km設面為邊界,東邊以尾礦庫往東 0.400 km設面為邊界,長 1.820 km,寬 0.875 km,最大高度差 0.439 km,生成 14041個節點,67828個單元。

2 模型計算結果及其分析

2.1 二維模型計算結果及其分析

利用軟件 COMSOL Multiphysics進行滲流場數值模擬。根據滲流計算結果,進行污染因子 F、As和 Zn的運移計算,其中 F和 As的模擬時間分別為30,52,60和 100 a,Zn的模擬時間分別為 52 a和100 a,污染因子的初始濃度均取自然狀態下的淋濾濃度,根據它們對應的地下水Ⅱ類的濃度標準值計算遷移距離,同時得到遷移距離處灰巖地下水中濃度,其中地下水Ⅱ類的濃度標準值為 F≤1 mg/L、Zn≤0.5 mg/L和 As≤0.01 mg/L。具體結果見表3。

表3 二維模型污染因子遷移計算結果對照

由表中可以看出,在 100 a內,尾礦庫下灰巖中地下水的 F、As和 Zn 3種污染物的濃度能夠滿足二類水的標準。

2.2 三維模型計算結果及其分析

模型計算分析結果如下:100 a內 F濃度等于 1 mg/L沿著地表在水平方向向前遷移最大距離為170 m,大于二維計算結果。同時隨著時間推移,具有初始濃度的溶液慢慢往下、前方向遷移,往下遷移到地下水附近 F彌散速度很大導致擴散很快,從而再往下位置 F濃度不再因時間推移而增大;100 a內As濃度等于 0.01 mg/L沿著地表在水平方向向前最大遷移距離為 180 m,大于二維計算結果。同時得到:隨著時間推移,具有渣場溶液濃度的溶液慢慢往下、前方向遷移,往下遷移到地下水附近 As彌散速度很大導致擴散很快,從而再往下位置As濃度不再因時間推移而增大;100 a內 Zn濃度等于 0.5 mg/L,沿著地表在水平方向向前最大遷移距離為 29 m,大于二維計算結果。同時得到:隨著時間推移,具有渣場溶液濃度的溶液慢慢往下、前方向遷移,往下遷移到地下水附近 Zn彌散速度很大導致擴散很快,從而再往下位置 Zn濃度不再因時間推移而增大。

總之,在 100 a內,尾礦庫下灰巖中地下水的 F、As和 Zn 3種污染物的濃度均能夠滿足二類水的標準。

3 結 論

在野外調查、鉆探、野外實驗、室內實驗、化學實驗、監測、水環境污染分析等工作基礎上,建立了二維溶質遷移數值模擬模型和三維溶質遷移數值模擬模型,對某礦尾礦庫中的有害物質 F、As、Zn 3種溶質遷移場進行了數值模擬分析,得到以下結論:

(1)二維和三維溶質遷移場數值模擬結果表明,隨著時間推移,具有尾礦庫溶液濃度的溶液慢慢往下方向遷移,往下遷移到地下水附近彌散速度很大導致擴散很快,從而再往下位置污染物濃度不再因時間推移而增大;

(2)二維溶質遷移場數值模擬結果表明,隨著時間推移,流入滇池地下水中污染物濃度越來越大。對于模擬時間為 52 a的情況,F遷移到滇池處濃度大約為 0.0278 mg/L,As遷移到滇池處濃度大約為0.000316 mg/L,Zn遷移到滇池處濃度大約為0.00383 mg/L。對于模擬時間為 100 a的情況,氟遷移到滇池處濃度大約為 0.0322 mg/L,As遷移到滇池處濃度大約為 0.000366 mg/L,Zn遷移到滇池處濃度大約為 0.00434 mg/L;

(3)三維溶質遷移場數值模擬結果均表明,尾礦庫污染物最大污染范圍不超過 180 m;

(4)二維和三維溶質遷移場數值模擬結果表明,100 a內尾礦庫下灰巖中地下水的 F、As和 Zn的濃度滿足二類水標準。

[1] 丁繼紅,周德亮,馬生忠.國外地下水模擬軟件的發展現狀與趨勢[J].勘查科學技術,2002,(1):37-42.

[2] 李建國,郭擇德.某尾礦庫周圍環境中污染物生態轉移研究[J].輻射防護,2002,22(1):9-14.

[3] 李培良,李國政,劉冠峰.某尾礦庫滲漏水對地下水的影響分析[J].黃金分析與環保,2005,26(12):45-47.

[4] GB-T14848-93.地下水質量標準[S].

[5] 張建軍.某尾礦壩污染物遷移的數值模擬研究[D].西安:西安理工大學,2007.

[6] 孫吶正.地下水污染—數學模型和數值方法[M].北京:地質出版社,1989.

[7] 吳吉春.地下水數值模擬[J].水文地質工程地質,2008,(1).

2011-05-31)

朱澤勛 (1964-),男,云南宣威人,工程師,主要從事巖土工程方面的工作,Email:619910377@qq.com。