基于GMS的再生金屬項目地下水環(huán)境影響預測

徐 敏

（南京伯克利環(huán)境修復有限公司 江蘇南京 210000）

引言

作為一種重要的鋼鐵廠含鋅廢棄物，含鋅電爐粉塵具有鋅含量高、產(chǎn)量大、有價金屬元素多、環(huán)境毒性惡劣等特點[1]。含鋅粉塵如未得到有效利用，則不僅會引發(fā)土壤、水體污染，還會造成電爐粉塵中有價金屬元素資源的浪費。

目前應用最廣泛的含鋅電爐粉塵的處理工藝是威爾茲處理技術(shù)，該技術(shù)具有處理能力大、技術(shù)成熟、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點[2]，Zn 的揮發(fā)率可達90%～95%[3]。因此，建設(shè)含鋅電爐粉塵的處理項目，不僅可以減少對環(huán)境的污染，還可以回收有價金屬進行再生利用[4][5]。

為了滿足市場的需求，許昌市擬新建處理電爐除塵灰項目，該項目采用威爾茲回轉(zhuǎn)窯技術(shù)，將電爐除塵灰中的含鋅化合物還原為金屬鋅，再氧化為氧化鋅[6][7]。

根據(jù)項目工藝設(shè)計，可能影響地下水環(huán)境的污染源主要為回轉(zhuǎn)窯爐渣冷卻環(huán)節(jié)所使用的循環(huán)水，該循環(huán)水中污染物主要為回轉(zhuǎn)窯路爐渣中攜帶Pb、Cr、Cl 等。若發(fā)生非正常工況，循環(huán)水中的污染物進入含水層中，將會對地下水環(huán)境造成嚴重污染，并會隨著地下水遷移。通過建立數(shù)值模型，分析突發(fā)事故情形下對地下水環(huán)境的影響程度，提出有針對性的地下水防護措施，對區(qū)域地下水環(huán)境保護和管理具有重要意義[8]。

1 工作區(qū)概況

1.1 含水層特征

研究區(qū)位于淮河流域沖積平原，地下水為松散巖類孔隙水。含水層上部為粉土，夾粗砂、中細砂、粉砂，砂層累計厚度2.5-15m，下部為粉質(zhì)粘土、粘土。地下水主要賦存在粉土和粉砂中，含水層底板埋深在14.7-18.5m，厚度10.7-15.5m。

地下水的補給來源有大氣降水、側(cè)向徑流和河流流入補給。研究區(qū)淺層地下水流向為自西北向東南。地下水的排泄方式有蒸發(fā)排泄、徑流排泄。

1.2 污染因子識別

回轉(zhuǎn)窯淬渣環(huán)節(jié)冷卻循環(huán)水中污染物主要為回轉(zhuǎn)窯路爐渣灰塵，由于爐渣中含有Pb、Cl 等元素，考慮最不利狀況，將毒性最強、超標倍數(shù)最多的污染物Pb 作為預測因子，同時選擇Cl 作為對比參照因子。

2 數(shù)值模型建立

2.1 概念模型

研究區(qū)模擬邊界為：西部與西南部以河流為界，西北部與東南部以等水頭線為界，東部以流線為界，總面積約35.03km2。

模擬區(qū)西部與西南部概化為河流邊界，可視為一般水頭邊界；西北部與東南部概化為定水頭邊界；東部概化為零通量邊界。

模型的上邊界為自由水面，含水系統(tǒng)通過這個邊界與外界進行垂向的水力聯(lián)系。模型的底部邊界是粘性土弱透水層，為零流量邊界。

研究區(qū)地勢平坦，水位變化較緩，淺層地下水平均水力梯度約1.8‰。

依據(jù)模擬區(qū)的地下水水力特征及水文地質(zhì)條件，將本次模擬的含水層系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、各向異性、二維穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

2.2 地下水流數(shù)值模型

以2020 年3 月實際統(tǒng)測的水位觀測值作為初始水位。

采用矩形網(wǎng)格進行離散，網(wǎng)格大小為50m×50m，對廠區(qū)進行了加密，加密處網(wǎng)格大小為1m×1m。模擬區(qū)每層剖分的有效單元格為74146 個，其中有效單元格58018 個。

研究區(qū)2019 年降水量為762mm，降水入滲補給系數(shù)按照10%計算，則模擬區(qū)降水入滲補給量為266.9 萬m3/a。

研究區(qū)多年平均潛在蒸發(fā)量1801.8mm/a，場地水位埋深范圍1.5～13.3m，平均埋深6.7m。設(shè)置地表最大蒸發(fā)量為4.9mm/d，極限蒸發(fā)深度為5m，蒸發(fā)量由模型根據(jù)埋深情況計算。

采用美國Brigham Young University 開發(fā)的GMS10.3 軟件進行求解[9～11]。

2.3 模型識別驗證

考慮地下水流場、地下水均衡變化、水位動態(tài)、水文地質(zhì)參數(shù)等[12]方面，采用預估—校正法對模型進行識別和驗證。

結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件和野外抽水試驗的計算結(jié)果，將研究區(qū)分為3 個區(qū)，經(jīng)過反復調(diào)整，識別了各區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)（表1）。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)取值

經(jīng)過穩(wěn)定流計算后，得到研究區(qū)初始地下水流場分布（圖1），從結(jié)果來看，模型穩(wěn)定流場與實際地下水流場擬合較好，說明模型建立符合實際水文地質(zhì)條件，可利用該模型對地下水進行刻畫，進而進行地下水環(huán)境影響預測。

圖1 研究區(qū)調(diào)查流場與擬合流場

2.4 地下水溶質(zhì)運移模型

本次污染物模擬預測過程不考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)、生物化學反應[13]，模型中各項參數(shù)予以保守性考慮。

由于真實的彌散度較難獲得[14]，本次研究參考前人的研究成果，按照偏保守的評價原則，取縱向彌散度值為10m。

應用GMS 中的MT3D 模塊來進行溶質(zhì)運移數(shù)值模擬。

3 地下水環(huán)境影響預測

3.1 預測情景設(shè)計

假設(shè)事故工況下，廠區(qū)水淬池發(fā)生泄漏，泄漏時間為90 d。

根據(jù)項目生產(chǎn)工藝，水淬池循環(huán)水中污染物主要來自回轉(zhuǎn)窯路爐渣灰塵，由于爐渣中含有Pb、Cl等，評價以最不利狀況考慮，回轉(zhuǎn)窯爐渣中易溶離子按100%溶解于循環(huán)水中計算，重金屬離子參照相關(guān)研究成果并按上限值計算，計算得到非正常狀況下廢水中Pb 和Cl 兩種物質(zhì)濃度分別為2410mg/L 和1550mg/L，泄露量分別為4261g/d 和2740g/d。

本次預測工作總時間定為30a，預測時段分別計算30d、90d、1a、2a、5a、10a、20a、30a。

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017），Pb和Cl 的Ⅲ類標準濃度限值分別為0.01mg/L 和250mg/L，以此作為污染暈形成的邊界濃度。

3.2 預測結(jié)果

3.2.1 Pb 污染預測結(jié)果及評價

Pb 進入地下水中后向下游遷移（表2），20a 時的影響范圍仍有5280m2，但此時最大濃度已由90d 時的17.2mg/L 下降至0.31mg/L，預測到30a 時，污染暈前鋒遷移距離達到147m，超出廠界約50m。

表2 事故工況下Pb和Cl對含水層的影響范圍統(tǒng)計

泄露點下游20m 處在泄露發(fā)生90d 時可以監(jiān)測到污染物，在第3a 時濃度達到最大值2.23mg/L（圖2）；下游50m 處在1a 時可以監(jiān)測到污染物，在第11a時濃度達到最大值0.55mg/L；廠界處在5a 時可以監(jiān)測到污染物，在第21a 時濃度達到最大值0.22mg/L。

圖2 泄漏點下游20m、50m、廠界處的Pb濃度變化

3.2.2 Cl 污染預測結(jié)果及評價

Cl 在90d 濃度達到最大值630mg/L（表2），在90d 時影響范圍最大，超標面積63m2，此時污染暈前鋒順流向遷移5m，1a 以后，最大濃度降至限值以下。

泄露點下游20m 處在泄露發(fā)生90d 時可以監(jiān)測到污染物，在第3a 時濃度到達最大值44.9mg/L（圖3）；下游50m 處在2a 時可以監(jiān)測到污染物，在第10a時濃度達到最大值11.1mg/L；廠界處在5a 時可以監(jiān)測到污染物，在第21a 時濃度達到最大值4.5mg/L。

圖3 泄漏點下游20m、50m、廠界處的Cl濃度變化

結(jié)語

（1）本研究建立了地下水水流模型和溶質(zhì)運移模型，經(jīng)過識別和驗證，模型的模擬效果較好。依據(jù)此模型對某再生金屬項目的地下水環(huán)境影響進行了預測，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在水淬池發(fā)生泄漏情景下，Pb 最大濃度17.2mg/L 出現(xiàn)在90d，預測到30a時，遷移距離達到147m，超出廠界約50m；Cl 在90d濃度最大，最大值為630mg/L，在90d 時影響范圍最大，超標面積63m2，此時順流向遷移5m，1a 以后，最大濃度降至限值以下。在極端不利的狀況下，水淬池中的Pb 有可能滲入地下含水層中形成污染，并有可能遷移至廠界以外。

（2）建議企業(yè)采取如下措施：源頭控制，減少污染物的排放量；加強廠區(qū)防滲強度，尤其是水淬池所在區(qū)域；定期監(jiān)測地下水環(huán)境質(zhì)量；制定地下水污染應急響應預案。

（3）在以后的生產(chǎn)研究中，預測污染物濃度時應考慮污染物的化學反應、介質(zhì)吸附和生物降解作用等，此外還應考慮包氣帶的吸附及稀釋等作用的影響，從而更準確地對地下水環(huán)境污染風險進行評估。