某磷石膏庫水量平衡分析方法研究

周自偉 李世吉

（1.云南磷化集團海口磷業(yè)有限公司；2.西雙版納職業(yè)技術學院）

磷石膏是磷肥工業(yè)生產過程中副產的固體廢棄物，每生產1 t磷酸副產5 t磷石膏［1］。磷石膏主要成分是二水硫酸鈣，其含量高達90%以上。隨著經濟增長，我國磷肥工業(yè)快速發(fā)展，磷石膏產量隨之迅猛增加。2000年我國磷石膏年產量1 000萬t［2］，2015年達到峰值后，基本穩(wěn)定在7 800萬t左右。根據2004年資料，全世界每年磷石膏的排放量高達1.1～1.3億t。然而，磷石膏利用率并不高，全世界磷石膏利用率僅4.1%～4.5%。我國磷石膏利用率逐年保持增長態(tài)勢，目前已超過40%，堆存量仍然非常之大。大量磷石膏的堆存對社會安全和環(huán)境影響日趨嚴重。

按照我國《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》（GB 5086—2002）和GB 5086鑒定標準，磷石膏屬于第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物。從環(huán)評、設計及運行管理，磷石膏庫一直堅持滲濾液及含污雨水收集處理后全部回用的原則，其水量平衡分析與控制顯得尤其重要。近年，一些學者對磷石膏堆場酸性工藝水滲漏［3］及滲濾液產量［4］都做了比較深入的研究，是磷石膏庫水量平衡研究很好的參考和借鑒。

磷石膏庫的水量分布及循環(huán)規(guī)律受氣候、地質及磷石膏庫構造等很多因素影響，量化起來非常復雜，為實際操作和控制帶來難度。本研究結合某磷石膏庫建設和運行實踐，分別針對多年、逐月及24 h水量平衡分析方法進行歸納總結。這些方法雖然遵循基本水量平衡規(guī)律，但每種計算分析方法都解決不同的技術問題。

1 磷石膏庫水量分布與基本平衡公式

除了個別利用露天廢棄采坑、凹地貯存磷石膏外，磷石膏庫一般都通過堆筑磷石膏壩來貯存磷石膏。根據磷石膏輸送至磷石膏庫時的含水量大小，又分為濕法堆存和干法堆存。為保障磷石膏的安全，防止洪水漫壩，都設置了防排洪設施。為防止短歷時暴雨攜帶酸性工藝水外泄，磷石膏壩的下游設置了調解回水池。當磷石膏庫上游匯水面積較大時，庫區(qū)周邊設置截水溝，進行清污分流，以保障實現(xiàn)水量平衡。

2008年，儲學群等提出磷石膏堆場盈虧水量計算公式［5］，為當前國內磷石膏等工業(yè)固廢堆場普遍采用的計算方法。為便于理解和計算分析，本研究在算法上進行適當調整，其水量分布及循環(huán)情況如圖1所示，基本平衡公式如下。

式（1）中各物理量的意義如下。

（1）降雨量（Wj）。降雨量根據不同的歷時進行計算，有些學者將降雨量分為徑流和滲流，這為無疑為計算分析增加了很大的難度，在工程實踐中意義不是太大。

（2）磷石膏渣漿含水量（Ww）。磷石膏渣漿含水量為磷石膏輸送至磷石膏庫的過程中所含水量，根據生產工藝條件，每年磷石膏渣漿排放總量為600萬t，渣漿濃度為27.0%，磷石膏渣漿含水量為1 622.22萬m3/a。

（3）蒸發(fā)量（Wz）。蒸發(fā)量包括水面蒸發(fā)量和土壤蒸發(fā)量，水面蒸發(fā)量根據地方水文資料和水面面積計算。土壤蒸發(fā)量受氣候、土壤類別以及植被覆蓋等影響很大。

（4）回水量（Wh）。回水量包括收集的滲濾液、渣漿澄清水以及設計防洪標準內的調蓄洪水，以調節(jié)回水池回水泵站輸送量為準。

（5）孔隙滯留水量（Wk）。磷石膏堆積體內的孔隙會滯留大量的水，包括部分渣漿含水和降雨入滲。孔隙滯留水量并不穩(wěn)定，會隨著庫內水位上升增加，隨著庫內水位下降、磷石膏固結以及土壤蒸發(fā)逐漸減少。本項目僅研究運行中的磷石膏庫，依據勘察資料取新近堆積磷石膏含水率平均值26.5%，孔隙滯留水量159.00萬m3/a。

滲濾量為磷石膏堆積體內滲出的工業(yè)廢水，其中包括部分渣漿含水和降雨入滲。滲濾量的計算方法已有較多的研究，但由于現(xiàn)場磷石膏沉積和固結情況復雜，很難準確計算。設計階段往往通過三維數(shù)值模擬進行確定，與實際運行情況相比出入很大。尤其是到底有多少渣漿澄清水通過庫內回水設施導流至調節(jié)回水池，目前沒有任何計算方法。因此，本研究將滲濾液、渣漿澄清水以及設計防洪標準內的調蓄洪水合并，這也有利于計算分析和實踐驗證。

雖然磷石膏庫總的匯水面積都不會太大，但一些溝谷在建庫之前是有基流的。在有基流的情況下，建庫時往往會進行地下水導排和防滲處理。當前國內磷石膏等工業(yè)固廢堆場普遍采用的水量平衡公式都沒有考慮基流，也沒有考慮缺陷滲漏。在工程措施完備的情況下，基流和缺陷滲漏是可以忽略的。以上所有進入磷石膏庫的水量減去流出水量后即為盈虧水量ΔW，盈余為正，虧損為負。

2 年水量平衡分析

年水量平衡分析有2種方法對應2個目的，計算歷時均為1 a。首先，是為更好實現(xiàn)項目整個生命周期內的節(jié)水與環(huán)保，采用多年水量平衡確定磷石膏庫的年回水量，為廠區(qū)供水提供依據。其次，按歷史最大年降雨量和截水溝標高以下庫區(qū)面積，計算調節(jié)回水池最大蓄水量［6］。

2.1 年回水量

當?shù)亟?0 a年平均降雨量861 mm。截水溝過流斷面按50 a一遇洪水重現(xiàn)期的防洪標準設計［6］，常年洪水不會進入磷石膏庫，取截水溝標高以下匯水面積2.418 km2，計算降雨量Wj=0.1×861×2.418=208.19萬m3。

當?shù)亟?0 a年平均蒸發(fā)量為1 885 mm。水面面積為0.431 km2，包括正常運行庫內澄清水域面積和調節(jié)回水池正常運行水面面積之和。水下磷石膏平均含水率為31%，水上磷石膏平均含水率為22%，土壤日蒸發(fā)量取2.1 mm［7］。土壤蒸發(fā)計算面積為1.987 km2，為截水溝標高以下匯水面積減去水面面積。年蒸發(fā)量Wz=0.1×(1885×0.431+2.1×1.987×365)=233.55萬m3。

假設磷石膏庫運行期水量正好平衡，即盈虧水量為零，則每年回水量Wh=1 622.22+208.19-233.55-159.00=1 437.86（萬m3）。

多年水量平衡分析結果如圖1所示，顯然回水量小于渣漿含水量，說明磷石膏庫可以實現(xiàn)污水零排放，但廠區(qū)需要補充用水量。

2.2 調節(jié)回水池最大蓄水量

當?shù)貧v史最大年降雨量為1 144 mm，降雨量Wj=0.1×1144×2.418=276.62（萬m3），其中匯水面積同前。水面增發(fā)量按最不利情況取最小值1 561 mm，則水面蒸發(fā)量為67.28萬m3，蒸發(fā)量為219.58萬m3，匯水面積和土壤蒸發(fā)量同前。磷石膏渣漿含水量、蒸發(fā)量、回水量及孔隙滯留水量同前，由式（1）計算 盈 虧 水 量ΔW=1 622.22+276.62-219.58-1437.86-159.00=82.40（萬m3），按照這種方法確定的調節(jié)回水池最大蓄水量則為82.40萬m3。

3 月水量平衡分析

由于降雨量和增發(fā)量在全年每個月都不一樣，尤其是降雨量在汛期和枯水期相差極大，那么月水量平衡是確定調節(jié)回水池容積的又一種方法。該方法計算歷時1個月，逐月計算分析，最大累計盈余量即調節(jié)回水池最大蓄水量。

首先，根據當?shù)貧庀笳咎峁┑慕涤炅亢驼舭l(fā)量月分配系數(shù)，計算逐月降雨量和蒸發(fā)量，其中年降雨量和蒸發(fā)量同前，見表1第2～5列。其次，由當?shù)刂鹪陆涤炅亢驼舭l(fā)量分別計算磷石膏庫的逐月降雨量和蒸發(fā)量，其中計算面積同前，見表1第5、6列。最后，假設每月磷石膏渣漿含水量和回水量平均分配，其中年磷石膏渣漿含水量和年回水量同前，則可按照式（1）計算逐月盈虧平衡量，見表1第7列。

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綜上可知，可以得到最大累計盈余量為76.21萬m3，為5—11月，由此確定調節(jié)回水池最大蓄水量為76.21萬m3。

4 日水量平衡分析

日水量平衡分析也是2種方法對應2個目的，計算歷時一般均為24 h。首先，由于極端天氣的降雨呈偏態(tài)部分，導致24 h洪峰流量和洪水總量均非常大，為保障壩體安全，需要進行庫內日水量平衡分析［6］，確保防排洪設施的防排洪能力滿足技術標準的要求。其次，按設計洪水標準和截水溝標高以下庫區(qū)面積計算的2次24 h洪水之和確定調節(jié)回水池容積［6］。

4.1 庫內防排洪調洪演算

磷石膏庫防排洪調洪演算與尾礦庫相同［6］，所采用的水量平衡公式［6］如下。

因此，由于防排洪調洪演算歷時僅24 h，式（2）與式（1）相比，僅有暴雨徑流水量，其余水量沒有計入。另外，磷石膏庫防洪標準高于截水溝的防洪標準，匯水面積為能匯集到防排洪設施入水口的所有匯水面積，包含截洪溝以上部分。

磷石膏庫防排洪調洪演算采用牛頓迭代法［8］，調洪演算水量平衡如圖3所示。前期洪水流量大于泄流量，盈虧量為正，累計盈余量即為調洪庫容。后期洪水流量小于泄流量，盈虧量為負，累計盈虧量等于累計盈余量。調洪全過程保持水量平衡。

4.2 調節(jié)回水池容積確定

由24 h洪水總量確定調節(jié)回水池容積時，按設計洪水標準和截水溝標高以下庫區(qū)面積計算24 h洪水總量。設計防洪標準同4.1節(jié)，匯水面積同2.1節(jié)。與庫內調洪演算一樣，這種方法也僅計算暴雨徑流水量，其余水量沒有計入。由于入滲部分在24 h內滲出量很少，洪水總量計算應乘以24 h徑流系數(shù)。24 h洪水總量為46.60萬m3，用這種方法確定的調節(jié)回水池容積不小于93.21萬m3。

5 結語

（1）多年水量平衡確定磷石膏庫的年回水量，為企業(yè)項目建設提供依據，同時為企業(yè)節(jié)能和環(huán)保提供重要的技術保障。

（2）年水量平衡確定調節(jié)回水池最大蓄水量，主要考慮當?shù)貧v史最大年降雨量。年蒸發(fā)量取歷史最小值，提高了保障系數(shù)。

（3）月水量平衡是確定調節(jié)回水池容積的又一種方法，考慮了汛期集中降雨的情況。

（4）庫內防排洪調洪演算是論證防排洪設施的防排洪能力是否滿足技術標準的要求。本研究也重點分析了調洪演算中水量平衡公式與以往水量平衡公式之間的異同。

（5）由24 h洪水總量確定調節(jié)回水池容積，調洪演算一樣，也僅計算暴雨徑流水量，其余水量沒有計入。

（6）不同的分析方法解決不同的問題。尤其是調節(jié)回水池容積的確定就采用了3種方法，3種方法的主要影響因素是不一樣的。針對不同氣候、地質條件及磷石膏庫構造特點，每種方法都值得高度重視。本水量平衡分析方法也可推廣至尾礦庫以及其他固廢堆場，當然，還需根據相應的技術標準進行調整。本研究在土壤蒸發(fā)、滲流等方面的研究尚且不足，而這些在水量平衡中的影響不容忽視。