基于數值模型的尾礦庫項目地下水污染的環境影響預測評價

馬曉東

摘要：隨著我國社會經濟的持續高速發展，礦產資源開發利用和生態環境保護的矛盾日益突出，礦山尾礦庫滲漏造成的地下水重金屬污染已成為一大環境問題。本文以甘肅隴南某礦山尾礦庫加高擴容項目為研究對象，通過構建評價區地下水滲流模型，耦合污染物運移方程，建立地下水溶質運移模型，并應用該模型對尾礦壩發生泄漏情況下特征污染物污染情景進行了數值模擬與環境影響預測評價。結果表明：該研究對幫助企業和當地環保部門從源頭上防治和管理潛在的地下水重金屬污染、保護地下水環境具有重要的意義。

關鍵詞：地下水：重金屬污染;環境影響預測評價;數值模擬：尾礦庫項目目

1.地質概況

研究區位于甘肅省南部的隴南山區，該地區地形切割比較強烈，地貌特征主要是侵蝕、剝蝕為主，山勢比較陡峭，有尖峰、魚脊和“V”形的溝壑。水系發育。礦區內出露地層主要為中泥盆統安家岔組（ D2a）（廠壩礦床為西漢水群D2x2n-2b）和少量下泥盆統吳家山組（D1W2），由一套碎屑巖及碳酸鹽巖為主的淺變質巖系構成地層。研究區主要構造呈東西走向，褶皺發育，以吳家山復背斜為骨架，該背斜對區內地層和礦帶的展布起控制作用，軸面西部向北到轉，東部直立。其北翼有干魚廊向斜、王家山背斜，南翼三架山背斜、薛家溝向斜及畢家山背斜等。區內斷裂構造發育，以東西向為主，北東～北北東向次之。在不同巖性的接觸面上多發育有層間斷裂，這種斷裂一般為成礦前斷裂;北東向橫斷層多為成礦后斷層，對礦體的破壞較大。研究區內的地下水埋藏條件、動力特征和富水程度，主要受到地形地貌、地質構造與地層巖性條件所制約。地下水類型主要有松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類溶隙裂隙水。

2.水文地質概念模型

2.1模擬范圍

項目尾礦庫位于柒家溝上游溝腦，庫場址地形變化較大，其中東、北、南三面地勢較高，尾礦庫下游正對柒家溝主溝，構成一個相對獨立的水文地質單元，總評價面積為3.2l km2。

2.2邊界條件

根據尾礦庫區的地形地貌、水文地質條件分析，尾礦庫下游柒家溝主溝定位排泄邊界，主溝東側為弱流量邊界，其他邊界為隔水邊界。

2.3含水層概化

根據水文地質勘查結果，本區大部分為基巖出露區，第四紀地層在本區零星分布，因此把第四系含水層和碎屑巖類裂隙含水巖組概化為一層。

2.4水文地質參數的選取

①降雨人滲系數，根據《廠壩鉛鋅礦環境影響評價水文地質調查評價報告》及《水文地質手冊》，取值為0.23。②滲透系數，地下水的水文地質參數參與數值模擬在這個礦區主要含水層滲透系數k。尾礦池水文地質勘探抽水試驗滲透系數是最初分區和分配數值模型的參數識別依據。③給水度，根據經驗，取值為0.1。④彈性釋水系數，根據經驗，取值為2.0×10-5。

3.地下水流數學模型

根據評價區巖性、地下水類型、地下水補給特征等水文地質條件，在已有資料的基礎上，將評價區地下水流動系統視為某一時期的穩定流動系統。在此基礎上，將評價區地下水流系統概括為非均質各向異性、空間多層結構和三維穩定地下水流系統，其數學模型表示為：

式中：Ω是地下水滲流區域;H是地下水水頭（m）;S2是模型的第二類邊界;kxx，kyy，kzz分別為x，y，z主方向的滲透系數（m/d）;W是源匯項，包括降水入滲補給、河流入滲補給、井的抽水量等（n13/d）;q（x，y，z）是第二類邊界單位面積流量函數（m3/d）;I1為邊界S上的外法線方向。

4.地下水流場數值模擬

在建立水文地質概念模型和數學模型的基礎上，利用基于有限差分法的MODFLOW軟件包，建立了評價區地下水流動的數值模型。通過參數識別和模型校核，對評價區地下水流系統進行了模擬分析。作為地下水溶質運移模擬的基礎。

4.1模擬軟件的選取

本次模擬除了應用MODFLOW軟件包外，還用到MT3DMS軟件包，用來模擬地下水系統的對流、彌散、吸附、化學反應等的溶質運移現象。本次評價基于這兩個軟件包對尾礦庫區地下水的溶質遷移問題進行模擬。

4.2模型網格剖分

基于MODFLOW模型，將評價區3.2lkm2的范圍，模型共剖分為3174個計算單元。降雨人滲等面狀補給采用re -charge子程序包;民井采用well子程序包;溝渠采用drain子程序包;流量邊界采用specifiedflow子程序包，定濃度污染源采用specifiedconc.子程序包。

4.3參數識別

根據滲透系數的建議值，利用GMS建立概念模型并輸入所有計算要素之后，運行modflow模型，形成地下水流場。在流場擬合的基礎上，根據注水試驗結果和實際水文地質條件，利用pest軟件包自動反演滲透系數，并結合人工調節得到滲透系數分布。滲透系數的分區如圖l所示。含水層滲透系數的最終值如表l所示。

5.地下水溶質運移模擬

5.1溶質運移數學模型

（1）控制方程。本次建立的地下水溶質運移模型是三維水流影響下的三維彌散問題。水流的主方向與坐標軸一致，溶液密度恒定，存在局部平衡吸附和一級不可逆動力學反應、溶解相和吸附相。速率相等，即λl=λ2。在此前提下，溶質運移三維水動力彌散方程的數學模型如下：

式中：

C：地下水中組分的溶解相濃度，ML-3;

O：地層介質的孔隙度，無量綱;

t：時間，T：

xi：沿直角坐標系軸向的距離，L;

Dij：水動力彌散系數張量，L2T-1;

Vi：孔隙水平均實際流速，LT-1;

qs：單位體積含水層流量，代表源和匯，L3T-1;

Cs：源或匯水流中組分的濃度，ML-3;

∑Rn：化學反應項，ML-3T-1;

（2）初始條件。由于本次模擬污染源概化為補給濃度邊界。因此將補給濃度邊界的初始濃度定為C。，其余地方均為Omg/L，具體表述為：

C（xi，yj，Zk，0）=C0

（xi，yi，zk處為補給濃度邊界）

C（x，y，z，0） =0（其余地方）

（3）邊界條件。本模擬將含水層各邊界視為第二類邊界條件（Neumann邊界），跨邊界擴散通量為0，可以表示為：

式中：r2為Neumann邊界。

5.2溶質運移參數

地下水溶質運移模型參數主要包括彌散度和有效孔隙度。有效孔隙度根據尾礦庫工勘實測的孔隙率數據結合經驗值確定，彌散度的確定相對比較困難。一般來說，空隙介質中的分散度隨著溶質傳輸距離的增加而增加。這種現象被稱為水動力彌散尺度效應。具體表現為：現場彌散試驗得到的彌散度遠大于室內實測值，差異可達4個—5個數量級;即使在同一含水層中，溶質運移距離也較大，進行了計算。分散度越大。因此，即使在現場或室內分散試驗中也難以獲得準確的分散值。因此，該模型參考了前人的研究成果，本次模擬縱向彌散度取lOm。

6.尾礦庫污染源分析

6.1尾礦庫滲漏分析

選礦排出的尾礦經廠前濃密后（濃度45%—50%），用泵揚至現有尾礦庫內堆存。隨著2014年底礦山充填制備站和尾礦脫水壓濾車間的建成，現有選礦系統排出的尾礦將經廠前濃密后（濃度45%～50%），用泵揚至礦山充填制備站經尾礦深錐濃縮、脫水壓濾后（尾礦水分15%）全部用于井下充填，尾礦庫不再堆存尾礦，庫內積水采取排水、自然蒸發、沉降、固結等辦法，現已形成全部沉積灘和干灘面，達到尾礦庫尾礦干堆的各項安全技術參數指標。因此，本次只模擬庫內尾砂含水經尾礦壩滲漏的情況。

6.2預測因子

根據2014年2月隴南市環境監測站對廠壩鉛鋅礦尾礦庫壩外回水池水質檢測，選取超標倍數最大的CODer和特征污染物Pb、Zn作為本次模擬的污染因子。其中Pb濃度為17.02mg/L，超過地下水Ⅲ類水質標準340倍;CODer濃度為174mg/L，參照地下水高錳酸鹽指數Ⅲ類水質標準，超標58倍;Zn濃度0.31mg/L。

7.尾礦庫滲漏污染物溶質運移預測及評價

（1）滲漏位置：假設滲漏位置位于尾礦壩底部。（2）污染源概化：滲濾液的定濃度補給源。（3）滲漏污染物濃度：考慮到尾礦庫內水沉淀以及天然過濾作用才到回水池，因此保守起見，模擬時污染物CODer濃度取174mg/L，Pb濃度為17.02mg/L，Zn濃度為0.31mg/L。（4）預測結果與分析：將相關參數輸入水質模型，利用軟件進行模擬后，得到污染物CODer和Pb在lOOd、lOOOd、4000d、8030d后運移的預測結果和ZnlOOd.8030d的運移趨勢。①CODer污染運移分析：尾礦庫運行100天，含水層中COD擴散范圍較小，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴散95.35m。尾礦庫運行1000天，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴散178.64m。尾礦庫運行4000天，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴散620.94m。尾礦庫運行8030天，污染暈（前鋒值<3mg/L）往尾礦壩下游擴散925.31m。②Ph污染運移分析：尾礦庫運行100天，含水層中COD擴散范圍較小，污染暈（前鋒值<0.05mg/L）往尾礦壩下游擴散96.05m。尾礦庫運行1000天，污染暈（前鋒值<0.05mg/L）往尾礦壩下游擴散136.28m。尾礦庫運行4000天，污染暈（前鋒值≤0.05mg/L）往尾礦壩下游擴散688.29m。尾礦庫運行8030天，污染暈（前鋒值<0.05mg/L）往尾礦壩下游擴散1085m。③Zn污染運移分析：雖然Zn為廠壩鉛鋅礦尾礦庫的特征污染物，但尾礦庫回水中Zn濃度為0.31mg/L低于地下水Ⅲ類水質標準（≤Img/L），不會對地下水造成污染，因此本次評價只觀察Zn在地下水中的污染趨勢，尾礦庫運行100天，含水層中COD擴散范圍較小，污染暈往尾礦壩下游擴散68.lOm。尾礦庫運行8030天，污染暈往尾礦壩下游擴散817.60m。

綜上所述，在尾礦壩底部局部泄露情況下，經過溶質遷移模擬，CODer在8030天內污染暈范圍為壩下游925.31m; Pb在8030天內污染暈范圍為壩下游1085m，與尾礦庫運行4000天時相比，CODer和Pb的運移范圍分別擴大304.37m和396.71m。

8.地下水影響分析

8.1對淺層地下水的污染影響

在正常情況下，地下水污染主要是由污染物通過包氣帶遷移到含水層中造成的。項目建設場地出露巖性多為表層分化結晶灰巖、大理巖及結晶灰巖透鏡體或第四系松散堆積物。其滲透性較強，包氣帶防污性能弱，說明淺層地下水很容易受到污染。根據地下水預測結果，如果尾礦廢水泄漏，污染物會迅速通過包氣帶進入淺層地下水，并向下游遷移，污染范圍擴大。

8.2對深層地下水的污染影響

該地區地下水的形成、賦存和運移往往受地表水盆地控制，形成與地表水盆地不同層次對應的水文地質單元，并在其單元內完成地下水的補給、徑流和排泄過程。降水時，空氣可以直接充人，并通過地表裂縫和縫隙補充到深層含水層。地下潛水取決于地形從高到低，深承壓水從高水頭（通常也在較高的海拔）到低水頭。在山谷底部以暗流排干。該水文地質單元中地下水之間的水力聯系最小，因此，深層地下水受工程污水滲透的影響較小。

8.3對周圍水源地及周圍居民飲用水的影響

擴建項目周圍居民生活飲用水主要來自選廠上游賈家壩水源地的淺層地下水，水源地與尾礦庫距離較遠（5.4km以外）且位于尾礦庫地下水徑流上游。尾礦庫內尾礦水與尾礦滲濾液全部返回選礦廠綜合利用，不向外排。與區域地表水及地下水均無水力聯系，因此不會對周圍居民飲用水造成不良影響。

9.結論

根據地下水預測結果：如果尾礦廢水泄漏，污染物會迅速通過包氣帶進入淺層地下水，并向下游遷移，對淺層地下水造成更大的污染。深層地下水受T-程污水滲入的影響較小。項目能有效防止各種可能引起地下水影響的途徑。確保各種防滲措施能夠實現，所以這個項目不會對區域地下水環境產生重大影響。

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