復雜巖溶條件下錳礦尾礦庫地下水溶質運移特征數值模擬研究

江成鑫,趙 江,張洪文

1.貴州理工學院資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550003

2.同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092

3.貴州地礦基礎工程有限公司,貴州 貴陽 550081

貴州省地處我國巖溶強發育地區,同時也是我國有色金屬資源大省。 貴州省松桃縣內的錳礦保有儲量超過6.4 億t,是我國三大錳礦床之一,開采利用條件良好。 隨著錳礦開采和加工產業的快速發展,錳渣等工業垃圾的處置堆放量日益增加,環境問題日漸突出,引起社會廣泛關注。 其中,部分錳礦渣庫設計、運營不合理,出現滲漏問題,導致地下水生態環境遭受嚴重破壞[1]。 錳渣場產生的總錳(Mn)、氨氮(NH3-N)等主要污染物對地下水的污染后果嚴重,其污染特征主要表現為污染時間長、恢復機理復雜、恢復難度大等[2]。因此,對巖溶山區錳礦渣庫滲透及污染路徑的預測研究逐漸成為尾礦庫滲漏防治研究的熱點。

目前,國內外學者對錳渣堆體污染物質遷移規律的研究較少,更多的關注點集中在錳渣的無害化及資源化綜合利用[3-5];對錳礦渣庫滲漏的研究大多集中在壩體滲流及底部滲流數值模擬,并且主要針對城市垃圾填埋場[6-7];對錳渣場滲漏特征的研究則大多僅限于較為簡單的模擬研究階段[8],較少針對復雜巖溶地區錳礦渣庫特征污染物的遷移規律開展深入研究[9]。 本文以貴州省松桃縣某錳礦尾礦庫為例,基于現場野外調查及長期地下水監測數據,在合理概化地質情況的基礎上,利用FEFLOW (Finite Element Subsurface FLOW System)模型對該渣庫進行水文地質-溶質運移耦合,對處于巖溶山區復雜區域地質條件且防滲措施完全失效(現場未采取任何防滲措施,處于天然情況)情況下的渣庫地下水水文地質特征,以及特征污染物NH3-N、Mn 的遷移過程進行詳細分析,以期為復雜巖溶條件下尾礦庫的地下水污染防治提供參考。

1 研究區概況

1.1 錳渣堆渣場概況

該渣庫總庫容96 萬m3,堆渣量89 萬m3,運行周期15 年。 研究區位于松桃縣城區北部,屬副亞熱帶濕潤氣候區,氣候溫和,雨量充沛,全年降雨量1 200 ～1 300 mm,夏季平均溫度22.9 ～26.4 ℃,冬季1.1 ～4.3 ℃。 研究區海拔380 ～550 m,地勢總體呈北高南低,起伏較大,切割較強,侵蝕、巖溶地貌分布廣泛,發育強烈。

1.2 水文地質條件

研究區地表水分水嶺呈東西向延展,與區域構造線的空間展布方向相近(圖1)。 大氣降水及其所形成的地面散流直接或間接通過滲透性較高的包氣帶進入各種巖溶裂隙,下滲到地下水面后,再沿巖溶裂隙通道按最大水力坡降方向向排泄區流動,最終在排泄基準面(松江河)附近以泉點、河底出水的形式排泄。 工作區地下水主要排入松江河,雨季時也會以季節性小泉點的形式先排入白臘塘小溪再排入松江河。

圖1 區域工程地質條件Fig.1 Regional engineering geological conditons

2 水文地質模型概化及建立

根據研究區水文地質條件及區內環境保護目標和敏感區域分布情況,結合現有各類資料,確定模擬范圍如下:東部以地表河流松江河為排泄邊界,南部以白蠟塘小溪為排泄邊界,北部、東部以地下水分水嶺為補給邊界。 模擬區總面積約2.7 km2,基本構成一個較完整的水文地質單元。研究區模擬范圍如圖2 所示。

圖2 渣庫模擬范圍Fig.2 Simulation range of slag reservoir

2.1 地下水滲流模型的建立

根據上述建模范圍,結合達西定律,可建立處于三維非穩定流情況下的滲流數學模型,如公式(1)至公式(4)所示:

式中:Ω 為地下水滲流區域,量綱為L2;H0為初始地下水位,量綱為L;H1為指定水位,量綱為L;S1為第一類邊界;S2為第二類邊界;μs為單位儲水系數,量綱為L-1;Kxx、Kyy、Kzz分別為x、y、z 主方向的滲透系數,量綱為LT-1;w 為區域內地表水下滲及地下水排泄的匯源項,量綱為LT-1;q(x, y, z, t) 為與時間有關的流函數,量綱為L3T-1;?H/?n 表示水力梯度在邊界法線上的分量;t 為時間變量。

采用基于有限單元法的FEFLOW 軟件對上述數學控制方程進行求解。 結合現場地質情況,將模型區域設定為2.7 km2,通過TMesh 剖分方法將模型離散為不規則三角剖分網格[10]。 模型每層節點數為12 090 個,有限單元數為23 872個。 將地質模型概化為3 個地層,并對模擬區域滲透系數進行分區,最終得到評價區二維剖分結果及三維地質模型。 地層情況從上至下如表1 所示,三維地質模型如圖3 所示。

表1 模型地層層序Table 1 Model stratigraphic sequence

2.2 邊界條件及水文地質參數的確定

研究區北部、西部均以地表分水嶺為地下水分水嶺的隔水邊界,東部和南部分別以松江河和白臘塘小溪為定水頭邊界,上邊界為降水補給、蒸發排泄邊界,下邊界以基巖作為底部相對隔水邊界。 滲透系數、給水度、入滲系數根據相關資料進行取值,如表2 所示。

將上述數據輸入系統模型,并對模型進行校正識別。 選取5 個水文地質鉆孔和1 個監測井(ZK2)完成參數校正,結果見表3。 完成識別后的研究區穩定流模型如圖4 所示,初始流場水位擬合散點分布如圖5 所示。 擬合結果證明,該模型響應度較好,具有較高的靈敏度,與實際情況相吻合。

圖3 渣庫三維地質模型Fig.3 3D geological model of slag reservoir

表2 水文計算參數Table 2 Hydrological calculation parameters

表3 主要監測井地下水模擬、實測水位埋深參數擬合情況Table 3 Fitting of buried depth parameter of simulation and measured water level in main monitoring wells groundwater

圖4 模擬區穩定流場示意圖Fig.4 Sketch map of steady flow field in simulated area

圖5 初始流場水位擬合散點分布Fig.5 Distribution of water level in initial flow field

2.3 溶質運移參數及污染物泄漏條件的確定

2.3.1 數學模型

本次模擬采用的彌散模型如下:

式中:Dxx、Dyy、Dzz分別為x、y、z 三個主方向的彌散系數;μx,μy、μz分別為x、y、z 方向的實際水流速度;c 為溶質濃度,量綱為ML-3;Ω 為溶質滲流區域,量綱為L2;c0為初始濃度,量綱為ML-3;t 為時間變量。

2.3.2 彌散度的確定

模型中的孔隙介質彌散度是廣泛參考經驗數據進行選取的結果,風化裂隙含水層的彌散度則是主要依據EASLEY 等[11]、DAGAN[12]收集的世界范圍內59 個大區域的彌散資料,經過對比選取合適的取值。 最終確定的溶質運移模型參數包括:縱向彌散度,5 m;橫向彌散度,0.5 m;有效孔隙度,0.3。

2.3.3 模擬時段及特征污染物泄漏環境設定

依照研究區渣場設計年限,模擬渣庫在50 年服務期限內的特征污染物運移情況。 模擬時間步長取1 天,計算在防滲措施失效的情況下,第1天、第1 000 天、第15 年(第5 475 天)、第50 年(第18 250 天)的特征污染物(NH3-N、Mn)運移情況。 根據現場實測資料,Mn 的泄漏濃度設定為1 000 mg/L,NH3-N 的泄漏濃度設定為700 mg/L。按照特征污染物全年連續泄漏進入地下水的情景進行迭代計算模擬。 其中,污染物最終遷移邊界濃度的取值參照《地下水質量標準》 (GB/T 14848—2017)Ⅲ類標準限值,分別取Mn 0.1 mg/L、NH3-N 0.2 mg/L。 在模擬過程中,渣庫僅進行了簡單的頂部防滲處理,污染物下滲方式設置為對下伏巖層產生污染,在水平方向上的上超標污染暈有限,主要是受F201 斷層影響垂向遷移進入寒武統清虛洞組第三段、第四段碳酸鹽巖巖溶裂隙水含水層,流向清虛洞組1 段下覆巖溶管道,并受地下水流向控制從南向北遷移。

3 研究區渣庫模擬預測結果

圖6 至圖9 展示了從最開始的第1 天到最終的第50 年,渣庫地下水中Mn、NH3-N 的遷移擴散情況。 表4 列出了Mn、NH3-N 在4 個典型時間點的污染暈運移距離、最高濃度、污染面積及垂向遷移距離等模擬結果。

在平面上,污染暈整體向東南部遷移。 從污染區邊界算起,在模擬開始時,特征污染物隨即向F201 斷層滲漏;在模擬進行到第15 年的模擬期時,Mn 及NH3-N 會對渣庫北側向東部排泄的巖溶地下暗河產生較大滲漏風險。 在垂向上,模擬結果顯示,污染物將超過寒武系清虛洞組地層向下持續滲漏。

圖6 天然工況下的研究區渣庫Mn 污染暈Fig.6 Mn pollution halo in slag reservoir of study area under natural condition

圖7 天然工況下的研究區渣庫Mn 污染暈剖面Fig.7 Mn pollution halo section in slag reservoir of study area under natural condition

圖8 天然工況下的研究區渣庫NH3-N 污染暈Fig.8 NH3-N pollution halo in slag reservoir of study area under natural condition

圖9 天然工況下的研究區渣庫NH3-N 污染暈剖面Fig.9 NH3-N pollution halo section in slag reservoir of study area under natural condition

表4 地下水中Mn、NH3-N 污染暈情景預測結果Table 4 Prediction results of Mn,NH3-N pollution halo in groundwater

綜上所述,正常工況且防滲措施失效的情景下,渣庫運行期間,兩種污染物會對地下水造成一定的污染,污染暈會遷移超出渣庫北側邊界約200 m,并且對渣庫北側向東部排泄的巖溶地下暗河產生較大風險。

4 結論

1)在天然工況下,由于地下水、地表水的持續補給、滲流,以及斷層、地下巖溶管道的存在,污染物會對地下水環境造成不同程度和范圍的影響。 在持續滲漏情景下,污染物將持續沿賦水地層及斷層、下覆管道擴散,進而影響區域地下水環境。 即使渣庫運行期(15 年)結束,在防滲失效條件下,周邊地下水中的特征污染物也將持續處于超標狀態。 從模擬情景可以看出,當污染時長達到50 年時,污染水平距離達到100 m 左右,但是在深度上則會下滲超過200 m,對地下水造成嚴重污染。 因此,在對地下水進行污染防治調查時,應綜合考慮地質情況,從而提出更為合理的污染防治建議。

2)在研究區渣庫運行期內,受F201 導水斷層影響,污染物將匯入F201 斷層。 由于裂隙及上覆地層白云巖塌陷,污染物流入F201 導水斷層后,與下覆巖溶管道連通,匯入地下暗河,導致位于渣庫東面1 km 的老樸茨水井中Mn 及NH3-N 濃度的升高,最終向東側的松江河快速遷移,進而威脅區域地下水甚至地表水環境安全。 因此,查明可能發生污染物滲漏的相關區域,并進行人工防滲處理,成為下一步污染防治工作的重點。