基于Visual MODFLOW的西北某銅金屬冶煉項目地下水環境影響預測模擬

尹芝華 孫 暉 任 鋒 楊 彥 張啟軍 郝言正

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

隨著我國銅金屬冶煉行業的快速發展，與之相關的環境隱患問題日漸突出[1]。由于銅金屬冶煉技術復雜，污染生產環節較多，廢水產生量較大，且含有大量濃度較高的一類重金屬污染物，國家相關文件[2-3]均把銅金屬冶煉業列為重金屬污染防控的重點行業。同時，銅金屬冶煉過程還會產生廢酸等工藝廢水和冶煉水碎渣、制酸系統鉛渣、砷渣、廢酸處理站的中和渣、石膏渣、脫硫副產物等固體廢物[4]。一旦原輔材料、產品、廢水和固體廢物在貯存、運輸、使用和處理等過程中發生泄露，將對土壤和地下水環境造成污染[5]。若地下水環境遭受污染，由于地下水污染治理的長期性、艱巨性，其修復工作困難重重，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、界面友好等優點成為目前國際上先進的地下水滲流和溶質運移的標準可視化專業軟件，是由加拿大Water-1oo水文地質公司在原MODFLOW軟件的基礎上應用可視化技術開發研制的。目前，Visual MODFLOW已廣泛應用于模擬地下水污染物運移，以及預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+氧氣底吹連續吹煉+底吹精煉”三連爐全底吹連續煉銅生產工藝，主體工程主要由熔煉系統、電解系統、凈液系統、渣處理系統、制酸系統等組成，主要污染源來自制酸系統的廢水處理工序。本次利用Visual MODFLOW軟件建立該銅金屬冶煉廠區地下水水流及溶質運移數值模型，分析非正常工況廢水持續泄露條件下特征污染物對地下水環境的影響，并提出針對性的防控對策，以預防與控制地下水環境惡化，保護地下水資源，降低企業服務期滿后的場地修復風險，為類似銅金屬冶煉項目環境決策、工程設計和環境管理提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理條件

研究區所在區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，遠離海洋，深居內陸，屬于半干旱中溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為305.8 mm(降水主要集中于每年的7～9月)，多年平均蒸發量為2 287.4 mm(蒸發主要發生在每年的4～8月)，多年平均氣溫6.5 ℃。研究區東側為季節性河流，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 水文地質特征

研究區主要分布第四系松散巖類、單一結構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，含水層結構松散，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、粉質黏土層之下，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，水化學類型以HCO3-Ca·Mg型為主，水質良好。該含水層是研究區內生活用水的主要供水層。

同時，研究區位于區域上的地下水補給- 徑流區，主要接受大氣降水、地表水和上游含水層的側向補給，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、農灌井、工業生產井)和側向徑流發生排泄。研究區受季節性開采和上游水體補給作用影響，地下水動態類型為徑流- 開采型，地下水水位年際變幅為0.22～1.22 m。

2 地下水數值模擬

2.1 水文地質概念模型

該西北銅金屬冶煉廠區位于研究區北部，地形比較平坦。根據水文地質勘察結果，廠區包氣帶巖性主要為粉土和粉砂土，滲透系數為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、上更新統湖積- 洪積層，巖性主要為黑灰色、青灰色的淤泥質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系較差。埋藏在穩定隔水層之下的地下水為承壓水。

研究區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，定義為零流量邊界；上部邊界為研究區的潛水面，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黏砂土底板，為隔水邊界。

綜上，研究區地下水系統可概化為各向均質同性、空間多層結構、三維穩定的地下水流系統。

2.2 地下水數學模型

2.2.1 地下水流數學模型

根據水文地質概念模型，用公式(1)來表達研究區地下水流系統。

(1)

式中，Ω表示地下水滲流區域；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，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，m，在穩定流里可不考慮；q(x,y,z)為邊界單位面積流量函數，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為過水斷面面積，m2；L為h和h0之間的距離，m)。

2.2.2 地下水溶質遷移數學模型

根據概化結果，用公式(2)來表達研究區地下水溶質遷移數學模型。

(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為化學反應項，mg/m3·d；Ω為溶質遷移的區域；C0為組分的初始濃度，mg/L；Γ為Neumann邊界。

2.3 模型網格剖分及驗證

2.3.1 模型網格剖分

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

圖1 網格剖分圖(黑色為非活動單元格)

2.3.2 水文地質參數確定

根據研究區已有的水文地質資料和水文地質試驗，運用PEST模塊進行參數分區和優化，最終確定的水文地質參數見表1，模擬區水文地質參數分區如圖2所示。

表1 水文地質參數

圖2 研究區水文地質參數分區

2.3.3 模型驗證

模型驗證是建立水文地質數值模型的關鍵步驟之一。通過模型校正、參數調試等過程，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，通過進行水文地質參數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值模型基本達到精度要求，可運用該模型進行地下水預測。

3 地下水數值模擬預測結果及分析

3.1 預測情景及源強分析

3.1.1 預測情景

根據建設項目工藝分析，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破裂導致的污酸泄漏事故進行模擬預測。同時，結合《環境影響評價技術導則 地下水環境》(HJ 610—2016)，地下水污染源可概化為連續恒定排放、非連續恒定排放以及瞬時排放，考慮實際情況以及不利環境的因素，設定本項目地下水污染源排放方式為非連續恒定排放。因此，預測情景可概化為污酸中和池以非連續恒定排放方式發生泄漏。

3.1.2 預測源強

根據相關研究[9]，一般情況下，當裂縫面積小于總面積的0.3%時，地下水泄漏情況不易發覺。由于廢水泄漏量占廢水產生量的比例較小，非正常狀況不易被發現；同時，根據污酸處理站設備檢驗以及下游地下水水質監測(逢月)頻次，模型試算得到的下游虛擬監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《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)中的Ⅲ類標準，表明發生了污染事故。假設從監測污染到采取措施不再發生事故需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，m/d；I為取值為1，無量綱。

經過計算，每日污酸滲漏量為0.004 5 m3/d。

3.2 預測結果及分析

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地下水中污染物濃度隨時間的變化情況，在廠區邊界和廠區下游敏感點村莊設置兩口虛擬濃度觀測井，編號分別為CW1和CW2。這兩口監測井中污染物濃度隨時間變化的情況如圖6所示。

4 結束語

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，通過地下水環境影響識別、水文地質參數反演、水文地質概念模型的建立，進行地下水環境影響預測模擬。預測結果表明，非正常狀況下銅冶煉廠廢酸中和池發生泄漏后，電解槽，表明710 mm陽極電解槽穩定性較好，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