尾礦庫排放的重金屬鋅在廠區的遷移模擬分析

徐志成

摘要：近年來，隨著礦物的開采開發，對地下水造成了嚴重的污染，尤其是在選礦和尾礦堆放過程中。對方的尾礦經過淋漓作用釋放出重金屬，重金屬淋漓液經滲透進入地下水造成地下水污染。本文在北衙某尾礦堆放場地下水環境影響調查及分析的基礎上，建立研究區滲流模型及污染物遷移模型，在此基礎上設定不同的污染情況并進行模擬分析。研究表明重金屬鋅的遷移主要受含水層性質、污染物泄漏事件以及防滲工程等因素影響。

Abstract： In recent years， with the exploitation of mineral resources， groundwater has caused serious pollution， especially in the process of mineral processing and tailings stacking. The tailings releases heavy metals through the heavy rain， and the heavy metal liquid through infiltration into groundwater causes groundwater pollution. In this paper， based on groundwater environmental impact survey and analysis a the Beiya tailings disposal site， it established the seepage model and pollutant transport model in the study area， and on the basis， set different pollution conditions and took a stimulation.

關鍵詞：尾礦；溶質運移；數值模擬

Key words： tailings；solute transport；numerical simulation

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0128-03

0 引言

隨著工業化的發展，對資源的需求也來越大，礦產資源的開采造成了各種污染問題，尾礦就是其中之一。尾礦庫就是用來容納尾礦和廢水的設施，同時，尾礦庫也是高能污染源[1]，它一旦失事發生污染事故，將對環境造成不可估量的破壞。尾礦庫環境污染主要來自尾礦廢水中的各種有毒物質造成的環境污染及尾礦庫潰壩造成事故造成的環境破壞。尾礦庫泄露尾礦水將造成寶貴的地表水、地下水污染[2]，土壤污染等，影響生態環境的可持續發展。因此，對尾礦廢水經由地下水途徑對環境造成的影響進行預測和評價，從而對尾礦庫的選址、設計、建造和管理提供依據。

目前廣泛采用的評價方法是依據廠址相關地址數據構建地下水污染物遷移數值模型[3，4]，模擬污染物在地下水中的遷移行為，預測污染物在地下水中遷移的時間和濃度。GMS在溶質運移問題上被廣泛的應用。本文應用GMS針對尾礦庫區勘察數據和實驗數據，對庫區污染物遷移進行數值模擬，對污染物的遷移行為和所產生的影響進行預測和評價。

1 研究區環境地質條件

二選廠位于北衙盆地東部山麓分水嶺西北側山體斜坡地段，地勢南東高，北西低，自然坡度介于10～25°。地下水的補給、徑流、排泄主要受地形地貌、巖性和構造等因素所控制。根據地層巖性特征及賦存地下水介質的孔隙特征，將場地地下水類型劃分為松散類孔隙水、巖漿巖類裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水三大類型。

1.1 松散巖類孔隙水

賦存于建設區內第四系粘性土及人工填土層中。地下水位埋較淺，一般埋深0.5～1m，受季節影響明顯，透水性弱，富水性較弱，以大氣降雨為主要補給源。

1.2 巖漿巖類裂隙水

分布于建設區東部，地下水主要賦存于巖漿巖的節理裂隙中，水位埋深較淺，受季節影響明顯，屬風化裂隙水。透水性弱。根據區域資料，泉流量0.2L/s～7.6L/s，平均1.4L/s，富水性弱。

1.3 碳酸鹽巖巖溶水

為建設區主要含水層，地下水賦存于三疊系中統白衙組（T2b）地層中，地下水位較深，沒有統一的地下水面。地下水主要賦存于巖體的溶蝕裂隙、溶洞及巖溶管道中，由于白衙組（T2b）碳酸鹽巖溶蝕裂隙、地下溶洞等巖溶較為發育，且巖體厚度大，補給充足，地層含水層富水性極強，透水性極強。

建設區地下水補給主要由大氣降水入滲補給。地下水的補給方式主要是在淺部由大氣降水于地表通過第四系及裸露巖體補給孔隙水、巖漿巖類裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水。經過補給的孔隙水及巖漿巖類裂隙水受地形影響，多順坡徑流，以散溢形式于坡腳地段排泄出地表；接受補給的巖溶水則通過巖體的溶蝕裂隙、巖溶管道徑流，排泄點為鍋廠河中游的區域地下水排泄出口北衙暗河出口。

場區內地下水分為孔隙水、裂隙水及巖溶水。地下水主要接受大氣降雨補給，孔隙水賦存于土體的孔隙中、裂隙水賦存于巖漿巖的風化裂隙中、巖溶水則賦存于碳酸鹽巖巖體的溶蝕裂隙及巖溶管道中。各類地下水徑流、排泄條件相差較大，孔隙水及裂隙水主要為順坡徑流排泄，并存在一定的水力，巖溶水則通過深部巖溶管道向鍋廠河中游的北衙暗河出口（大泉）排泄。故建設區內地下水中孔隙水及裂隙水二者存在一定的水力聯系，但與巖溶水水力聯系較弱，且互為相互獨立的徑流、排泄條件。

2 污染物遷移數值模型

2.1 地下水水流及污染物遷移數值模型

2.1.1 地下水水流數值模型

兩個方程式分別為多孔介質中滲流和污染物遷移的基本方程式，在具體的應用過程中，需要對其加以相應假設和限制，即邊界條件和初始條件，即可對方程進行求解，從而獲得滲流場的空間分布情況和污染物遷移情況。

2.2計算單元格剖分

根據研究區的實際水文地質結構條件及幾何形狀，對研究區進行網格剖分。將研究區在平面上剖分成100×100的矩形網格單元，廠區進行了加密處理，垂向上為1 層，模型頂部高程為地表標高，底部至潛水底板。有效計算單元為6478個，無效計算單元為3522個，共計10000個。其平面和垂向剖分網格見圖1，圖2。

2.3 模擬范圍及邊界條件和初始條件

本次研究區邊界條件主要是基于已有調查數據，將項目區邊界結合調查結果，圈定模擬區范圍如圖3所示，模擬區面積為2.2km2，尾礦庫面積0.423km2，總體上地下水主要受大氣降水補給，向東南側排泄，整個模擬區構成一個完整的水文地質單元，而模擬區范圍內深切割溝谷用GMS中的排水溝模型進行概化，西北側和東南側概化為定流量邊界，西南側和東北側概化為隔水邊界。

初始條件主要包括初始水頭值和初始濃度，本次研究區地下水初始水頭根據施工鉆孔穩定水位及泉點出露位置高程，其他部位根據地形形態特征插值推測，采用克里金插值方法獲得模擬區地下水等水位線如圖4所示，該水頭值也用做模擬計算的初始水頭值。而初始濃度本次主要根據浸出液最高檢出濃度鋅為0.03mg/L作為模擬區泄漏初始濃度，分布于整個渣場庫區范圍內。將實驗獲取的滲透系數帶入GMS模擬軟件中，結合如前所概化的邊界條件和初始條件，對模型進行校正及驗證，最終獲得模擬區穩定滲流場水頭分布如圖5所示。

3 泄漏和防滲工況水質模擬預測

在得到滲流場誰偷得基礎上，利用MODFLOW和MT3DMS模塊對污染物遷移進行模擬。聯合運行水流和水質模型。針對非正常情況下的尾礦庫Zn污染物泄漏情況，重點考慮了對流、彌散作用，不考慮吸附作用、化學反應等因素，將泄漏點設為補給濃度邊界，進行了尾礦庫Zn泄漏及防滲條件下污染物遷移模擬。

3.4.1 尾礦庫Zn泄漏預測結果

Zn初始濃度設為0.03mg/L，模擬期為7200天（20年），以50為時間步長，共模擬了144個應力期。圖6各圖分別給出了在尾礦庫底泄漏發生100天、500天、2000天、5000天、7200天后的預測結果。

從上述圖6可以看出，Zn在泄露100天后整體沿著尾礦庫東南側尾礦壩下游遷移，移動距離較短，影響范圍限制在尾礦壩下游，中心部分最高濃度可達到源強濃度0.03mg/L；泄露500天后仍朝南東方向尾礦壩一側沿著地下水流方向進一步遷移，污染羽狀物擴散范圍有所增加，由于彌散作用，尾礦庫西北側溝谷間沿著溝谷反向彌散，羽狀物向尾礦庫四周擴散，但是范圍有限，都在尾礦庫范圍周邊區域數米范圍之內，而東南側沿著溝谷遷移最遠距離約80m；泄露2000天后，Zn污染羽狀物沿著尾礦壩東南側溝谷擴散速度加快，污染羽狀物擴散面積增加明顯大于500天情景東南側尾礦壩下游污染物沿著溝谷最遠遷移距離約200m；泄露5000天后，Zn在水動力條件下繼續運移，主要沿著東南側溝谷繼續遷移，但是由于溝谷下游地形較為緩和，結合穩定水頭分布圖也可以看出，隨著水力梯度減小，污染物沿著溝谷遷移速度減小，東南側沿著溝谷最遠遷移距離約250m，比2000天情景時羽狀物擴散范圍增加，但是增加速度減緩；而7200天后Zn污染物還在不沿著東南溝谷遷移擴散，同樣由于溝谷下游水力梯度減小，擴散速度減慢，羽狀物形態與5000天情景相差不大，沿著東南側溝谷最遠距離有所增加，約為280m。

3.4.2 防滲條件下污染物模擬結果

正常工況且人工防滲發揮作用的滲漏條件下，尾礦庫正常持續泄漏。尾礦庫設計防滲層滲透系數小于10-12cm/s，為最大限度地預測污染物運移擴散情況，故正常工況并考慮人工防滲發揮作用下，防滲層整體滲透系數取1.0×10-7cm/s，本著風險最大原則，Zn初始濃度0.03mg/L，考慮尾礦庫淋溶液年存滲濾液的時間按365天計算。聯合運行水流和水質模型，得到Zn擴散預報結果，圖7各圖分別給出了在尾礦庫底泄漏發生100天、500天、2000天、5000天、7200天后的預測結果。

從圖7中可以看出，在尾礦庫進行防滲條件下，污染物僅僅在尾礦庫底部發生微量聚集，在7200天后在尾礦庫底部部分區域濃度達到0.00088，但仍然遠遠低于0.05mg/L。因此說明，在防滲設施較好條件下，污染物發生泄漏導致地下水污染的風險較小。低濃度的Zn污染羽狀物擴散趨勢與情景1類似，主要是沿著尾礦壩東南側溝谷方向遷移，但濃度均較低，遷移距離較短。

4 結論

①利用GMS構建概念模型，再通過概念模型構建數學模型，可以有效地模擬尾礦庫地下水流場分布，研究污染物在地下水中的遷移行為，掌握其遷移規律和影響狀況。②模擬結果表明在良好防滲設施條件下，污染物泄露導致的地下水污染風險較小。

參考文獻：

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