金礦尾礦庫地下水砷污染遷移的數(shù)值模擬研究

鄧玉彪

（上海合然環(huán)保科技有限公司，上海 200082）

近年來礦山污染問題越來越引發(fā)關(guān)注，尾礦庫對地下水環(huán)境的污染不易察覺，且不良后果難以根除。因此，研究尾礦庫對周邊地下水污染的影響具有重要意義。地下水模擬軟件GMS常被用來進行地下水?dāng)?shù)值模擬建模[1-3]。本研究運用GMS軟件，針對研究區(qū)金礦尾礦庫持續(xù)滲漏對周邊地下水環(huán)境的影響，尤其是對下游地下水型集中式飲用水水源地可能造成的影響進行模擬分析[4-6]，提出相應(yīng)的防控措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理及水文地質(zhì)條件

金礦尾礦庫于2015年建成使用。研究區(qū)以剝蝕地貌為主，多年平均降雨量924.9 mm，年均蒸發(fā)量2 100 mm。尾礦庫下游約1 720 m處有一地下水型集中式飲用水水源地，保護區(qū)以取水井為中心，半徑為100 m。尾礦庫位于研究區(qū)東南側(cè)溝谷上游，溝谷貫穿研究區(qū)，出露地層為全新世松散沉積物；溝谷兩側(cè)山坡出露地層主要為中元古代片麻巖。溝谷地下水為第四系松散巖類孔隙潛水，水位埋深小于6.0 m，含水層厚度為5～15 m；兩側(cè)山坡地下水為變質(zhì)巖類裂隙水，水位埋藏深度小于15 m，水流量較小，不具備承壓性，水位標(biāo)高與地形起伏基本吻合，形成淺部風(fēng)化裂隙中弱含水帶。除側(cè)向徑流補給和側(cè)向排泄外，地下水補給和排泄方式主要表現(xiàn)為大氣降水補給和蒸發(fā)排泄，區(qū)內(nèi)未見泉眼。研究區(qū)地下水流向主要為兩側(cè)山坡向中間溝谷流，溝谷內(nèi)地下水自東南流向西北。

研究區(qū)水文地質(zhì)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)

1.2 地下水污染現(xiàn)狀

尾礦庫主要堆存氰化法煉金工藝產(chǎn)生的廢棄尾渣，含有大量氰化物和金屬砷、鎘[7]。目前，尾礦庫廢水中砷濃度達(dá)14.8 mg/L，下游部分區(qū)域地下水中砷濃度明顯高于區(qū)域背景值（0.003 mg/L）。溝谷內(nèi)地下水砷濃度趨近尾礦庫，呈現(xiàn)顯著遞增趨勢，超出地下水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（As>0.01 mg/L）的范圍已擴散至距離尾礦壩西北方向1 206 m處。

2 模型建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)地下水主要為溝谷區(qū)域第四系松散巖類孔隙潛水以及兩側(cè)山坡區(qū)域的淺部風(fēng)化裂隙潛水，下伏基巖裂隙發(fā)育程度及透水性極差，兩種地下水可以概化為單層含水層結(jié)構(gòu)。

模擬區(qū)東南邊界的尾礦壩和西北邊界的溝谷下游出口地下水位穩(wěn)定，為定水頭邊界，水頭高度由地下水位確定。其余邊界為山脊分水線，設(shè)為零流量邊界。模型上部為潛水界面，以接受大氣降水補給和蒸發(fā)排泄為主。模型下部根據(jù)鉆孔揭示結(jié)果，約20 m深度處水量交換變得極少，可以概化為隔水底板。模擬區(qū)總面積4.28 km2。

水文地質(zhì)概念模型及參數(shù)分區(qū)如圖2所示。

圖2 水文地質(zhì)概念模型及參數(shù)分區(qū)

2.2 數(shù)學(xué)模型

按照水文地質(zhì)概念模型，建立研究區(qū)各向異性三維穩(wěn)定地下水流數(shù)學(xué)模型[8]；不考慮含水層中污染物的揮發(fā)、交換、吸附和生物化學(xué)反應(yīng)，建立溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型[9]。數(shù)學(xué)模型包括控制方程、初始條件和邊界條件，組成定解問題，應(yīng)用三維有限差分法，聯(lián)合運行GMS的MODFLOW與MT3DS兩大模塊進行求解，得到特征污染物在設(shè)定情景下不同時間、不同方向的模擬擴散范圍。

2.3 數(shù)值模型

（1）網(wǎng)格剖分。

建立地下水流數(shù)學(xué)模型，對模擬區(qū)進行空間離散。平面剖分為10 m×10 m的單元格，模擬區(qū)共剖分為有效網(wǎng)格91 453個。

模擬區(qū)網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

（2）模型參數(shù)確定。

①水文地質(zhì)參數(shù)。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料及研究區(qū)微水試驗結(jié)果，設(shè)置模擬區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)。

模擬的地下水流場與實際的地下水流場比較如圖4所示。

圖4 模擬的地下水流場與實際的地下水流場比較

水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)匯總

②源匯項處理。

大氣降水入滲補給與蒸發(fā)排泄。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，研究區(qū)年均降雨量924.9 mm，降水入滲系數(shù)選區(qū)域平均值0.2，模擬區(qū)總面積4.28 km2，則模擬區(qū)大氣降水入滲量為79.17 m3/a。根據(jù)鉆孔揭示結(jié)果，模擬區(qū)潛水埋深為3.5～15.0 m，潛水蒸發(fā)量較少，與大氣降水入滲量相比，可忽略不計。因此，將大氣降水入滲補給量簡單概化為模型上部有效凈補給量。

側(cè)向補給與側(cè)向排泄。模擬區(qū)東南邊界尾礦壩段定義為定水頭邊界，按實測水位賦予水頭值，由模型內(nèi)置程序自動計算側(cè)向補給量。模擬區(qū)西北邊界溝谷下游出口段定義為定水頭邊界，按實測水位賦予水頭值，由模型中的內(nèi)置程序自動計算側(cè)向排泄量。

（3）源強設(shè)置。

根據(jù)尾礦庫廢水及下游地下水樣品檢測結(jié)果，選取特征污染物砷為預(yù)測因子。尾礦壩處處于持續(xù)滲漏狀態(tài)，選擇模擬區(qū)東南側(cè)尾礦壩作為源強，模型中設(shè)為定濃度邊界，砷濃度取值14.8 mg/L。

（4）模型驗證。

建立模型，對滲流場進行擬合，并校正各項相關(guān)參數(shù)。比較模擬區(qū)內(nèi)6口地下水觀測井的水位實測值和模型計算值，差值范圍在模型允許誤差內(nèi)。模擬的地下水滲流場與實測水位繪制的實際地下水滲流場較吻合，表明模型基本能夠客觀反映模擬區(qū)實際的地下水流系統(tǒng)。將尾礦庫運行6年后的地下水砷濃度模擬結(jié)果與現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果進行擬合，地下水中砷的模擬濃度與實測濃度相差不大。因此，模型可以用來進行模擬區(qū)地下水污染物運移規(guī)律的模擬分析。

地下水位的模擬值與實測值如圖5所示。地下水中砷濃度的模擬值與實測值如圖6所示。

圖5 地下水位的模擬值與實測值

圖6 地下水中砷濃度的模擬值與實測值

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)模擬結(jié)果分析，金礦尾礦庫淋溶廢水持續(xù)滲漏可能對周邊地下水環(huán)境造成影響，對集中式飲用水源地保護區(qū)的影響進行分析。

現(xiàn)狀條件下（尾礦庫持續(xù)滲漏6年），地下水砷濃度大于區(qū)域背景值（0.003 mg/L）的污染暈范圍約289 882 m2，地下水砷濃度大于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類限值（0.01 mg/L）的超標(biāo)范圍約為265 528 m2。尾礦庫持續(xù)滲漏對下游1 267 m范圍內(nèi)的地下水環(huán)境造成一定影響，砷超標(biāo)范圍最遠(yuǎn)擴散至下游1 206 m，未對飲用水水源地保護區(qū)造成影響。

尾礦庫在現(xiàn)狀條件下持續(xù)滲漏，將導(dǎo)致下游溝谷內(nèi)地下水中砷污染暈范圍和砷超標(biāo)范圍不斷擴大、逐漸趨于穩(wěn)定，砷污染暈范圍在未來10年內(nèi)最終穩(wěn)定為473 570 m2，砷超標(biāo)范圍在未來15年內(nèi)最終穩(wěn)定為473 345 m2。尾礦庫持續(xù)滲漏在未來5年內(nèi)對飲用水水源地保護區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生污染影響，地下水砷濃度可以達(dá)0.021 mg/L，超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，上游尾礦庫的持續(xù)滲漏嚴(yán)重威脅飲用水水源地保護區(qū)的地下水水質(zhì)安全；水源地保護區(qū)地下水砷濃度將繼續(xù)升高，在20年時達(dá)到7.460 mg/L。

4 結(jié)語

研究區(qū)尾礦庫持續(xù)滲漏對下游地下水環(huán)境造成的污染正不斷擴散，如不及時采取應(yīng)對措施，未來5年內(nèi)將危及下游集中式飲用水水源地的供水安全。建議對尾礦庫的底部和尾礦壩重新進行防滲處理，防止廢水繼續(xù)滲漏。針對溝谷中繼續(xù)向下游擴散的地下水污染物，建議采取有效的風(fēng)險管控或修復(fù)措施，并在下游布設(shè)地下水水質(zhì)監(jiān)測井，增加監(jiān)測頻率，以便實時掌控地下水污染物遷移動態(tài)。此外，還需制定居民應(yīng)急供水預(yù)案，尾礦庫持續(xù)滲漏危及水源地保護區(qū)時，及時采取相關(guān)措施保障居民供水安全。