福建尤溪某鋅冶煉加工區Zn、Pb對地下水環境影響評價

■劉亮顧春杰吳奇譚桂麗

（1江蘇省地質工程有限公司 江蘇南京 210018；2浙江海北勘察股份有限公司 浙江嘉興 314200；

3地球化學勘查與海洋地質調查研究院 江蘇南京 210007；4中國地質調查局南京地質調查中心 江蘇南京 210016）

福建尤溪某鋅冶煉加工區Zn、Pb對地下水環境影響評價

■劉亮1顧春杰2吳奇3譚桂麗4

（1江蘇省地質工程有限公司 江蘇南京 210018；2浙江海北勘察股份有限公司 浙江嘉興 314200；

3地球化學勘查與海洋地質調查研究院 江蘇南京 210007；4中國地質調查局南京地質調查中心 江蘇南京 210016）

鋅冶煉加工區主要污染因子為Zn和Pb，為準確分析加工區Zn和Pb在地下水中的遷移情況，正確預測和評價加工區建設運行對地下水環境的影響，以福建尤溪某擬建鋅冶煉加工區工程項目為例，采用有限差分數值模擬法預測其遷移情況和擴散范圍，選用地下水數值模擬技術預測和評價加工區Zn、Pb對地下水環境的影響。結果表明，模擬區內在非正常運營期間，污染物遷移速率較慢；隨著污廢水排放和時間推移，污染物遷移范圍逐漸擴大，將對尤溪河流域造成一定污染。

鋅冶煉Zn、Pb地下水數值模擬環境影響評價

在我國，作為國民經濟支柱產業的冶金工業，不僅是能源與資源的消耗大戶，其大量排放的污染物也對環境造成不同層次、不同程度的影響[1]。冶金類建設項目規模的迅速發展，除了直接對地表各種環境造成一定的影響外，對地下水環境的影響也越來越大，各種冶金建設項目與地下水環境持續惡化的矛盾已顯得日益突出[2]。因此，為了使地下水資源更好的為人類服務，就必須開展地下水環境影響評價工作，了解冶金建設項目產生的污廢水中主要污染物特征因子（Zn、Pb）在地下水中的遷移規律、運移范圍和對環境的影響程度，預測和評價冶金類建設項目冶煉加工區污染物對地下水環境的影響程度。這對判斷冶金類建設項目選址及布局是否合理、預測工藝方案可能引發的地下水環境問題以及如何揚長避短等具有重要意義。本文以福建省尤溪縣某擬建鋅冶煉加工區工程項目為例，結合實際工作經驗，建立了Visual Modflow三維地下水流動與污染物運移數值模型，對加工區非正常運營期間，污廢水直接滲入地下時Zn和Pb的運移情況進行模擬預測，確定污廢水中主要污染物特征因子Zn、Pb的運移情況及擴散范圍，從而評價Zn、Pb對地下水環境的影響程度，以及為該鋅冶煉加工區及其類似項目的規劃和建設提供科學依據[3]。

1 工程概況

擬建鋅冶煉加工區位于福建省尤溪縣，規劃面積為20.14Km2。項目區地下水環境的基本情況為：地下水補給為大氣降雨和上游徑流732170m3/d、輸出為尤溪河及支流734224m3/d，基本保持水均衡平衡[4]。該加工區使用年限為20年，項目排放物的主要污染因子是Zn和Pb等有毒重金屬元素，擬采用熱酸浸出低污染沉礬濕法煉鋅工藝，日排放含Zn、Pb污廢水315噸，處理達標后排放到尤溪河。

2 地下水環境影響預測模型

經分析該鋅冶煉加工區正常運營期間的污廢水經過處理后基本對區內地下水環境沒有污染，為提高加工區安全性，本次模擬加工區非正常運營期間Zn和Pb對加工區及其周邊2.4km×2.1km= 5.04km2范圍內（圖1）的地下水環境影響。假設期間產生的污廢水即為污染源強直接滲入地下（取值Zn：300 mg/L、Pb：3mg/L），同時為了評價污染的長遠影響，設模擬時段為運營期20年和期滿后10年共計30年。

2.1 預測方法

由于相鄰區域以前未做過類似鋅冶煉工程對地下水影響的評價工作，同時為了更好的評價地下水中污染物的遷移擴散，地下水環境影響預測評價選用地下水數值模擬技術，污染物運移采用有限差分數值模擬法預測，采用的地下水水流的三維流動系統數學模型為[5][6]：

圖1 地下水環境影響預測與評價范圍示意圖

式中：H為地下水水頭（m）；Kxx,Kyy,Kzz為x,y,z方向滲透系數（m/d）；μs為含水層給水度；H0為含水層初始水頭 （m）；q1為含水層二類邊界單位面積過水斷面補給流量（m/d）；Ω為滲流區域；ε1為源匯項強度（m/d）；B1為水頭已知邊界，第一類邊界；B2為流量已知邊界，第二類邊界；n為滲流區邊界的單位外法線方向。

根據廠區所在地的實際情況，建立污染物遷移數學模型：

式中：θ為介質空隙度，無量綱；Ck為溶質K的濃度(M/l3)；t為時間；Xi,j為在直角坐標系下沿個方向上的距離（l）；D為水動力彌散系數張量（l2T-1）；Vi為滲流速度（lM-1）；qs為單位體積含水層，給出或接受的流體的數量，代表源匯項（T-1)；Cks---源匯項中K的濃度（Ml-3）；∑Rn---化學反應項（Ml-3T-1）。

2.2 模型建立

模擬采用60m×60m水平剖分網格進行離散化 (劉勇,2013)（圖2），垂直方向上將模型分為4層（圖3）（由上至下代表粉質粘土和強、中、弱風化凝灰熔巖）。

圖2 模型網格剖分及污染源位置圖

為了更好地評價地下水中Zn、Pb的遷移擴散，本次主要采用Visual Modflow三維地下水流動與污染物運移模擬軟件進行數值模擬預測[7][8]。

2.3 模型參數

根據場地注水試驗，結合相鄰區域勘察報告資料[4]，并經過模型校正中調整最終獲得模型參數取值見表1。

表1 模型含水層流場模擬參數

表2 模型含水層污染遷移模擬參數

模型中假設污染Zn、Pb在地下水中運移不與含水層介質發生反應，不考慮其揮發、生物化學反應，只考慮運移過程中對流、彌散和吸附作用，設定污染遷移模型參數詳見表2。

2.4 模型初始、邊界條件

確定模型的上邊界為自由潛水面作為潛水面邊界，底邊界為弱風化凝灰熔巖層作為零流量邊界，西側為尤溪河及其支流設為河流邊界，南東、北東及北西側均為地表分水嶺設為零流量邊界，北側為側流邊界，接受上游地下水徑流補給，邊界流量根據區域地下水水力梯度、含水層滲透系數及含水層厚度采用達西定律初步估計并在模型校正中調整[2]。

運行地下水穩定流模型，進行模型校正，模型校正標準：使模型計算的等水位線分布與水文地質圖中的估推等水位分布基本一致；鉆孔處模擬計算的地下水水位與鉆孔實測地下水位相當。模擬區內僅一個鉆孔ZK01測得地下水水位，埋深0.6m，水位標高150.4m，ZK01的地面高程現為151.0m，場地平整后該處地面高程為180.0m，現狀地下水位將相對抬高，估計地貌改變后鉆孔ZK01的實測地下水水位為170.0m左右。模型計算得該孔的地下水水位為169.2m，與地貌改變后的推測地下水水位相當，因此認為模型被校正，可用于預測應用[4]。

本次模擬分為項目運營期20年和服務期滿后10年，模型時間步長設為1年；并將160-180m作為模型地下水位初始值；預測因子地下水環境背景值初始濃度Zn、Pb各定為0.001和0.025 mg/L。

3 預測結果分析

模擬計算得到各預測因子的污染羽動態變化及對尤溪河的影響。該區域地下水執行《地下水質量標準》（GB/T14848-93）Ⅲ類標準，Zn質量濃度若大于1.0 mg/L、Pb質量濃度若大于0.05 mg/L即視為超標。Zn、Pb遷移預測結果見圖4。

從圖4中可以看出，隨著污廢水的不斷排放，地下水中這些元素的污染影響范圍逐漸擴大，由于其遷移速度比地下水的流速低，限制了其遷移距離，但該類物質的污染羽面積在預測30年內不斷擴大，其中Zn較Pb而言對尤溪河水質影響較大，在預測的30年內，地下水Zn超標范圍已抵達尤溪河、Pb超標范圍則接近尤溪河，且應注意這些污染物在環境中的衰減速率較小，因此在源強消失后，環境中已接受的這些污染物將長期存在，最終會隨地下水徑流擴散遷移到尤溪河中。

為了更好地說明地下水中污染物對尤溪河水質的貢獻，現在臨河處設置污染預測因子的觀測孔，分別用于觀測即將補給尤溪河的地下水流中Zn、Pb的濃度值。四個觀測孔的位置詳見圖2所示，代表了不同尤溪河段地下水中污染物的入流量。預測了四個觀測孔30年內污染物由地下水流進入尤溪河段的濃度及其動態變化。預測結果發現1、2和4#井中各污染物預測濃度均很低，遠低于地表水質量標準值，地下水中的污染物對地表水的水質影響較小；只有3#觀測孔中的污染物濃度可以與地表水質量標準限值相當，對地表水的水質有一定的影響，觀測孔內Zn、Pb濃度變化見圖5和圖6所示。

圖5 觀測孔內模擬30年的Zn預測值

圖6 觀測孔內模擬30年的Pn預測值

由圖可以看出：觀測孔內Zn濃度最大值為1.3mg/L，超出標準值（1mg/L）1.3倍。隨地下水徑流入尤溪河的Zn貢獻值隨預測時間的推移不斷增加，在預測第21年左右，井中開始出現Zn污染物濃度的增加，預測第28年左右，由地下水進入尤溪河的Zn濃度增加到1mg/L，對尤溪河Zn的貢獻量較大，可見預測25年之后，地下水向河流輸入的Zn值對預測河段水質影響較大；觀測孔內Pb濃度最大值為0.026mg/L，符合相關標準。隨地下水徑流入尤溪河的Pb貢獻值隨預測時間的推移不斷增加，在預測第21年左右，孔中開始出現污染物濃度的增加。預測末期，由地下水進入尤溪河的Pb占相關標準限值的50%，Pb對河段水質有一定的影響。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）擬建鋅冶煉加工區生產過程中排放Zn、Pb污染物對廠區及其附近地下水將造成一定的污染；加工區若出現非正常運營情況，將加速Zn、Pb污染物在地下水中的遷移和擴散。

（2）加工區停產后Zn、Pb濃度雖然有所下降，但其污染范圍逐漸逼近尤溪河，并且其在環境中的衰減速率較小，將長期存在被污染的地下水中，并對廠區及其附近地下水造成長久的污染。

4.2 建議

（1）應優化加工區平面布置，對污水處理設施做好防滲處理，修建必要的事故風險池，建立健全污染物防范和防治措施，減少事故排放對地下水可能造成的影響。

（2）應將鋅冶煉加工區的污廢水妥善收集、處理和回用，加強日常管理，避免事故排放，做好防護工作減少廢污水的釋放和下滲。一旦發生事故應啟動應急預案，采取相應的處理措施，減少污染物的排放，從源頭上減少污染物入滲量。

（3）在尤溪河附近設置Zn、Pb污染因子監測孔（監測孔位置見圖2所示），時刻檢測其由地下水流進入尤溪河段的濃度及其動態變化，為后期的恢復治理工作提供基礎依據。

[1]夏緒輝.2006.冶金工業中的清潔生產技術 [J].湖北工業大學學報,21(3):193-195.

[2]龔星,陳植華,陳彥美.2013.冶金類建設項目地下水環境影響評價方法探討 [J].湖南科技大學學報 （自然科學版）,28（1）：102-108.

[3]朱興賢,王彩會,陸徐榮.2006.基于GIS的蘇錫常地區淺層地下水系統防污染性能評價 [J].江蘇地質,01期.

[4]范興建,吳奇,盧剛等.2013.福建尤溪鉛鋅產業整合區域地下水環境影響評價專題報告[R].

[5]鄭秀清,陳軍鋒,劉萍等.2014:1.地下水流數值模擬--有限差分法 [M],北京:中國水利水電出版社.

[6]尉鵬翔.2011.Visual M odflow在地下水污染物運移模擬中的應用 [J].水資源保護. 27(4):19-22.

[7]羅敏,朱劍波,任蕊..2013.大渡河某平原型水電站工程對地下水影響的數值模擬分析[J].成都理工大學學報 (自然科學版),40(4):474-480.

[8]李偉,駱祖江,金瑋澤,王琰等.2013.垃圾填埋場地下水環境影響評價三維數值模型[J].環境科技,26（2）:17-21.

Environmental Impact Assessment of Zn and Pb on Groundwater in Zinc Smelting Processing Zone,Youxi county, Fujian Province

LIU Liang1,Gu Chun-jie2,Wu Qi3,TAN Gui-li4
(1.JiangSu Geology&Engineering Co.LTD,Nanjing 210018,JiangSu）
（2.Zhejiang Haibei Geotechnical investigation Company Limited,Jiaxing 314200,Zhe Jiang）
（3.Geochemical Exploration and Marine Geology Survey Institute,Nanjing 210007,Jiang Su）
(4.Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,JiangSu)

The mainly pollution factors of Zinc smelting processing zone are Zn and Pb.Taking a proposed Zinc smelting processing zone project in Youxi county,Fujian Province as an example to correctly analyze the migration of Zn,Pb and evaluate the environmental impaction at the processing zone's groundwater.It uses the Finite difference method to predict the migration conditions and the spread scope and takes the numerical simulation of ground water to predict and assess the Zn and Pb impaction on its environment basing on the rationale analysis and correctly selection of Hydro-geological conditions.The results show that the pollutants migration is relative slower and the migration scope would be extended single with sewage wastewater discharge and time went on during the non-normal operation.It may cause some degree of pollution to Youxi river basin.

zinc smelt；Zn and Pb；groundwater；numerical simulation；environmental impact assessment

X5[文獻碼]B

1000-405X（2015）-11-306-1

劉亮（1982～），男，中級工程師，碩士研究生，地質工程專業，研究方向為礦產勘查、地質工程。