鋁礦排泥庫泥漿泄漏對地下水影響分析

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

鋁生產企業排泥庫環境影響評價過程中，需要對排泥庫泄漏事故對地下水環境影響進行預測評價，本文根據廣西某排泥庫泄漏事故實際情況，通過解析法對排泥庫地下水環境影響進行風險預測，同時，采樣數值法對其進行預測對比分析。兩種方法結果相互校驗，并與實際泄漏事故監測結果進行對比分析。

1 風險工況

鋁礦排泥庫用于堆積儲存選礦礦泥和廢水，由于排泥庫區規模較大、服務年限較長，排泥庫內及其附近地表、地下巖溶發育，并且在空間上又具有不均一性和有一定預測難度，排泥庫內可能存在未查明的巖溶點，當庫內泥漿堆存量較多，地面增載加大時，下伏淺層溶洞、溶槽安全頂板厚度或強度不足時，可能造成庫底防滲層破壞及泥漿泄漏，進而污染庫區及其下游地下水水源及農田。排泥庫泄漏污染因子主要是SS。根據某排泥庫2016年某泄漏事故的數據進行預測分析。

2 鋁礦排泥庫對地下水環境影響預測評價方法

（1）解析法。河流水質模型是巖溶管道發育地區溶質運移模擬最常用方法[1]。由于泥漿中污染物僅為SS，作為保守性污染物，不考慮遷移過程中污染物的源匯項和污染物在地下暗河的吸附、揮發、生物化學反應等，適用于河流一維穩態水質模型[2]。因此，采用河流污染物運移數學模型對風險工況下排泥庫對地下水環境影響進行預測評價。

泥漿泄漏進入地下河后，地下河中懸浮物的初始濃度采用河流完全混合模式進行計算：

式中：C0為初始濃度，mg/L；Qp為污水排放量，m3/s；Cp為污染物排放濃度，Cp，mg/L；Qh為上游來水量，m3/s；Ch為上游來水污染物濃度，mg/L。

采用河流一維穩態水質模式，計算泥漿泄漏進入地下河中懸浮物的濃度和影響范圍：

式中：C0為初始濃度，mg/L；K為沉降系數，1/d；u為地下河流速，m/s；x為沿地下河方向距離，m；c為位于污染源（排放口）下游x處的水質濃度，mg/L。

圖1 一維穩定流動二維水動力彌散問題污染物運移示意圖

（2）數值法。A.水流模型。假定評價區為非均質各向異性，則三維地下水流非穩定運動的數學模型可表示為：

B.污染物運移模型。水是溶質運移模型的載體，地下水溶質運移數值模擬應在地下水流場模擬基礎上進行。溶質運移模型控制方程為：

實際工程中常用的一維河流穩態水質模型僅將暗河管道作為研究對象，主要考慮污染物的初始濃度、流速和污染物的沉降系數等，而不考慮暗河管道之外區域對污染物運移的影響，其所得結果為一粗略近似解。模型考慮的因素越多，要求獲取的巖溶含水系統特征和水文地質參數越精細、越多。而實際巖溶含水系統的暗河發育位置、巖溶管道結構、水流特征、管道-裂隙交互參數等的獲取均很難，涉及參數越多，模型實際應用越困難。因此，實際工程應用中，理論模型與實際條件之間達到一定平衡是關鍵。

3 解析法和數值法預測結果比較

3.1 事故源強

本次模擬選取懸浮物SS作為模擬因子，事故污染源強，見表1。

表1 事故污染源強

3.2 解析法預測結果

根據水文地質勘察資料，估算庫區地下水進入地下河處上游來水量，考慮到巖溶地區的復雜性，本著風險最大化原則，將庫區匯水量加上整條支流的匯水量之和作為上游來水量，枯水期約為0.8m3/s。根據現狀監測，將排泥庫區地下水進入地下河處的懸浮物濃度作為上游地下河中的濃度，枯水期約為4.0mg/l。枯水期泥漿從庫區泄露運移到地下河出口處的時間為10天，平均流速為0.0174m/s。采用河流一維穩態水質模式，計算風險情況下排泥庫對地下水的影響，計算結果見表2。

表2 枯水期解析法預測排泥庫對地下水的影響

根據計算結果可知，枯水期排泥庫泄露在地下河出口，即距離排泥庫10000m處的泥漿懸浮物SS的濃度為18148.3mg/L。

3.3 數值法預測結果

（1）初始條件。本次模擬將補給濃度邊界和注水井處的初始濃度定為C0，其余地方均為0mg/L，具體表述為：

（2）邊界條件。本次模擬將含水層各個邊界均看做二類邊界條件（Neumann邊界），且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

式中：Г2為Neumann邊界。

（3）溶質運移參數。溶質運移模型最重要的參數是水動力彌散系數。項目位于巖溶強發育區，巖溶介質為管道裂隙型，地下水運動為管道裂隙流，水文地質單元相對清晰，巖溶滲漏受構造裂隙的控制，表現為滲漏途徑較短，滲漏量較穩定，造成對地下水的帶狀污染。巖溶管道彌散度參數參考前人在巖溶管道進行的相關野外試驗研究成果，從風險最大原則出發，取縱向彌散度400m。

（4）模擬結果。圖中為庫區泄漏40d后污染羽等濃度線，可見污染物主要沿巖溶管道運移，SS污染物模擬期在某地下水出露點及地下河出口處的計算濃度見表3。

表3 數值法和解析法計算SS濃度結果對比表

圖2 枯水期溶質運移預測結果圖

根據2016年某排泥庫泄漏事故的現場監測數據，該排泥庫發生泄漏時，地下河出水口監測的懸浮物濃度為21900mg/L，隨后開始下降，解析法和數值法在地下河出口處的的計算濃度分別為18148.3mg/L和17205.0mg/L，略小于實際情況。

4 結語

①通過數值法和解析法在相同源強情況下對排泥庫泄漏對地下水的影響預測結果比較，數值法預測結果總體略小于解析法預測結果。解析法和數值法預測結果略小于實際情況。②解析法由于采用的是河流一維穩態模型，地下水流速相比數值法處理的暗河總體要快，因此解析法計算結果稍大。③在對水文地質模型進行合理概化基礎上，數值方法計算結果和解析法計算結果總體較為接近，說明評價范圍對溶質運移起主導作用的是暗河或巖溶管道。兩種方法相互驗證，進一步提高了預測結果的可靠性。