某酸法地浸鈾礦山全采區(qū)地下水流場(chǎng)變化數(shù)值模擬

楊 冰，陳帥瑤，連國(guó)璽，郭華明，李世俊，梁大業(yè)，惠浩浩，趙傳虎

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021；3.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

原地浸出采鈾技術(shù)(地浸)是集采、選、冶為一體的新型鈾礦采冶技術(shù)[1]。地浸生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)注液井將合適的溶浸液注入到含礦含水層中，待金屬鈾溶解進(jìn)入地下水后，再通過(guò)抽液井將浸出液抽出地表進(jìn)行水冶處理。地浸采鈾以其基建投資少、建設(shè)周期短、生產(chǎn)成本低、污染小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于天然鈾的生產(chǎn)中[2-3]。雖然地浸采鈾工藝較傳統(tǒng)的硬巖開(kāi)采方法較為環(huán)保，但生產(chǎn)階段化學(xué)試劑的注入同樣會(huì)極大地改變含礦含水層地下水的氧化還原條件和酸堿條件，鈾和其他組分的浸出也會(huì)影響采區(qū)內(nèi)部地下水的水質(zhì)。地下水中各溶解組分的遷移是以區(qū)域流場(chǎng)為前提的，區(qū)域地下水的流向決定了逸散浸出液整體的遷移方向與遷移程度，為了避免浸出液的逸散對(duì)地下水環(huán)境造成更大范圍的影響，地浸生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)保持總抽液量大于總注液量，人為形成總體向采區(qū)中心的水力梯度，將浸出液控制在一定范圍內(nèi)。

地浸鈾礦山一般通過(guò)監(jiān)測(cè)井來(lái)確定局部范圍內(nèi)水體流勢(shì)，從而調(diào)整井的抽注量，最大限度地回收資源，判斷地下水的環(huán)境情況[4-5]。監(jiān)測(cè)井的水位、水質(zhì)數(shù)據(jù)雖然可以為生產(chǎn)和地下水環(huán)境保護(hù)提供指示信息，但其結(jié)果一般僅能反應(yīng)單點(diǎn)情況，加之地層一般具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，流場(chǎng)及地下水環(huán)境的變化在區(qū)域上也會(huì)表現(xiàn)出一定差異。因此，利用數(shù)值模擬手段預(yù)測(cè)地浸鈾礦山區(qū)域流場(chǎng)的變化情況，結(jié)合監(jiān)測(cè)井水化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)，更加科學(xué)地指導(dǎo)地浸鈾礦山的生產(chǎn)實(shí)踐顯得尤為重要。

數(shù)值模擬作為研究地下水問(wèn)題的有效手段，已經(jīng)在地浸鈾礦山的流場(chǎng)變化情況及溶質(zhì)運(yùn)移情況研究中得到較多應(yīng)用[6-10]，但針對(duì)我國(guó)地浸鈾礦山的數(shù)值模擬研究主要聚焦于生產(chǎn)單元[11-12]，對(duì)于數(shù)值模擬下全采區(qū)的流場(chǎng)變化研究鮮有報(bào)道。本文以我國(guó)北方某地浸鈾礦山為研究對(duì)象，建立全采區(qū)數(shù)值模型，再現(xiàn)該礦山自投產(chǎn)以來(lái)的區(qū)域流場(chǎng)變化特征，以期為該礦山抽注液量調(diào)整及地下水環(huán)境保護(hù)措施的選擇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇我國(guó)北方某酸法地浸鈾礦山為研究對(duì)象，其含礦含水層位于賽漢組上段，含水層厚度大，分布穩(wěn)定，連續(xù)性好。該含水層為單一含水層，承壓性、富水性、滲透性良好，水位埋深為18.99～26.02 m，承壓水頭為40.01～71.48 m，滲透系數(shù)為2.9～13.2 m/d。礦床地下水主要接受北東鄰區(qū)地下水的側(cè)向補(bǔ)給，北西、南東的微弱側(cè)向補(bǔ)給，地下水總體從北東向南西緩慢徑流，最終排泄于南西部一帶。含礦含水層上下均分布有穩(wěn)定、連續(xù)的隔水層，隔水性能良好，含礦含水層與上覆含水層間無(wú)水力聯(lián)系。

2 地浸鈾礦山流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

地下水流動(dòng)遵循一定的物理規(guī)律，可由特定的控制方程進(jìn)行描述，這些數(shù)學(xué)模型是數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)。對(duì)于各向異性、考慮源匯項(xiàng)的地下水三維滲流基本微分方程見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y、z方向上的分量，m/d；H為含水層的水頭，m；W為源匯項(xiàng)，表示單位體積含水層在單位時(shí)間流出或流入地下水的體積，m3/d；Ss為承壓含水層為儲(chǔ)水率，1/m；t為時(shí)間，d。

僅根據(jù)該方程并不能刻畫(huà)某地區(qū)地下水流動(dòng)特定規(guī)律，必須補(bǔ)充說(shuō)明該研究區(qū)以外范圍對(duì)地下水流的影響，即邊界條件。對(duì)于非穩(wěn)定流問(wèn)題，還需要確定研究區(qū)地下水的初始狀態(tài)，即初始條件。式(1)與研究區(qū)的邊界條件和初始條件一起構(gòu)成描述地浸鈾礦山各采區(qū)地下水流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。本文利用美國(guó)Brigham Young University開(kāi)發(fā)的地下水模擬系統(tǒng)GMS軟件進(jìn)行研究，該軟件綜合了已有的MODFLOW、MODPATH、MT3DMS等地下水計(jì)算功能，具有良好的使用界面，強(qiáng)大的前處理、后處理功能及優(yōu)良的三維可視效果，是目前國(guó)際上主流的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬可視化專(zhuān)業(yè)軟件系統(tǒng)。

2.2 模型范圍

利用數(shù)值模擬技術(shù)解決實(shí)際地下水問(wèn)題時(shí)宜選擇完整的水文地質(zhì)單元作為模擬區(qū)，以反應(yīng)實(shí)際的邊界條件對(duì)研究區(qū)域的影響。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于關(guān)注區(qū)域的范圍相較于其所在的完整水文地質(zhì)單元范圍而言較小，因此需要根據(jù)實(shí)際情況劃定人為邊界。

本文主要參考該礦山投產(chǎn)前區(qū)域初始流場(chǎng)情況，借鑒我國(guó)成熟地浸鈾礦山的實(shí)際生產(chǎn)情況，充分考慮該地浸鈾礦山投產(chǎn)后地下水中鈾等元素的遷移距離，進(jìn)而確定模型范圍，建立的模型范圍如圖1所示。

2.3 邊界條件

建立模型時(shí)，平行于等水頭線方向的邊界概化為通用水頭邊界；垂直等水頭線方向的邊界概化為零流量邊界；含礦含水層上下均分布有連續(xù)且穩(wěn)定的隔水層，與上下含水層之間無(wú)水量交換，因此該部分邊界也概化為零流量邊界。

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)該鈾礦山前期勘查階段所獲取的滲透系數(shù)結(jié)果，含礦含水層滲透系數(shù)為2.9～13.2 m/d，區(qū)域滲透系數(shù)為5.76 m/d，孔隙度、彌散度等水文地質(zhì)參數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)值。 模型所用主要水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 模型范圍Fig.1 Modelling scope

表1 主要輸入?yún)?shù)一覽表Table 1 Main input parameters of model

2.5 初始條件

初始條件表征含水層中水頭分布的初始狀況，該地浸鈾礦山首采區(qū)投產(chǎn)于2015年，此前含礦含水層的水頭分布情況未受生產(chǎn)擾動(dòng)，可以作為模型的初始條件。基于地勘階段水文井?dāng)?shù)據(jù)，插值獲得模擬區(qū)的初始水頭分布。

2.6 源匯項(xiàng)

該鈾礦山含礦含水層為承壓含水層，埋藏較深，大氣降水入滲與蒸發(fā)對(duì)含礦含水層的影響可不考慮，含礦含水層水量的變化主要由生產(chǎn)井的抽注引起。目前，該礦山共投產(chǎn)12個(gè)采區(qū)，本次研究區(qū)為礦區(qū)西南部的C1采區(qū)～C9采區(qū)，9個(gè)采區(qū)共有生產(chǎn)井649眼，其中，抽液井288眼，注液井361眼。本次數(shù)值模擬結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)度，選取C1采區(qū)～C9采區(qū)2015年12月至2020年8月的抽注液量，以月為單位概化后作為模型源匯項(xiàng)。

2.7 網(wǎng)格剖分

模擬區(qū)域水平向共劃分為356行，縱向分為339列，垂向剖分為7層，共計(jì)738 101個(gè)有效計(jì)算單元。 模型外圍計(jì)算單元為20 m×148 m～148 m×148 m的矩形網(wǎng)格，為加強(qiáng)計(jì)算精度和避免井位置在模型中偏移，在模擬研究采區(qū)處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，加密區(qū)計(jì)算單元約為9 m×9 m。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模型識(shí)別與驗(yàn)證

為了避免模擬結(jié)果失真，需要對(duì)模型的結(jié)果進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證。模型識(shí)別與驗(yàn)證是結(jié)合水文地質(zhì)條件，通過(guò)調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等，達(dá)到模擬的地下水狀態(tài)(水頭、濃度等)與實(shí)測(cè)地下水狀態(tài)最大限度的擬合，使模型盡可能刻畫(huà)實(shí)際水文地質(zhì)條件，提高模型的仿真程度。本次模擬利用C1采區(qū)～C7采區(qū)觀測(cè)井不同時(shí)間的統(tǒng)測(cè)水位對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證，擬合結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。從結(jié)果看，模型擬合效果較好，可用來(lái)對(duì)生產(chǎn)條件下區(qū)域流場(chǎng)變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.2 區(qū)域流場(chǎng)分析

圖2 2018年11月監(jiān)測(cè)井水頭擬合情況Fig.2 Head fitting of monitoring wells in November 2018

圖3 2019年5月監(jiān)測(cè)井水頭擬合情況Fig.3 Head fitting of monitoring wells in May 2019

圖4 2019年7月監(jiān)測(cè)井水頭擬合情況Fig.4 Head fitting of monitoring wells in July 2019

圖5 2019年11月監(jiān)測(cè)井水頭擬合情況Fig.5 Head fitting of monitoring wells in November 2019

圖6 不同時(shí)間采區(qū)流場(chǎng)情況Fig.6 Flow field in mining area in different time

該地浸鈾礦山不同時(shí)間區(qū)域流場(chǎng)情況如圖6所示。從模擬結(jié)果可以看出，自2015年12月生產(chǎn)至今，隨著礦山開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)，地浸生產(chǎn)對(duì)含礦含水層區(qū)域流場(chǎng)產(chǎn)生了明顯影響，初始流場(chǎng)狀態(tài)發(fā)生了一定程度的改變。生產(chǎn)抽注活動(dòng)造成了采區(qū)及外圍一定范圍的地下水位波動(dòng)，而采區(qū)外圍較遠(yuǎn)處地下水位受到的影響相對(duì)較小。主要是因?yàn)椴捎贸橐毫看笥谧⒁毫康纳a(chǎn)方式，雖然可以形成指向采區(qū)中心的水力梯度，但為了避免浸出液過(guò)度稀釋?zhuān)橐毫看笥谧⒁毫康谋壤递^小，總體上保持在0.3%左右，這就使得采區(qū)內(nèi)部形成的“降落漏斗”范圍有限，對(duì)距采區(qū)邊界較遠(yuǎn)處的地下水位影響較小。另外，該鈾礦山滲透性能較強(qiáng)，徑流條件較好，水位下降區(qū)可以較快得到側(cè)向補(bǔ)給，在一定程度上減小了遠(yuǎn)距離處含礦含水層的水位變動(dòng)。

利用水頭模擬結(jié)果繪制了各采區(qū)降落漏斗形成情況，不同年份C1采區(qū)～C9采區(qū)形成的“降落漏斗”情況見(jiàn)圖7～圖11。在2016年末，采區(qū)內(nèi)部形成的水頭下降區(qū)主要集中在最早投產(chǎn)的C1采區(qū)～C5采區(qū)周?chē)S著生產(chǎn)的進(jìn)行，降落漏斗的范圍逐漸擴(kuò)大并隨著抽注液量的變化而發(fā)生位置的變化。2019年12月，C8采區(qū)、C9采區(qū)陸續(xù)投產(chǎn)，在其附近也出現(xiàn)了較為明顯的地下水降落漏斗。

圖7 2016年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.7 Regional cone depression in mining areaat the end of 2016

圖8 2017年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.8 Regional cone depression in mining areaat the end of 2017

圖9 2018年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.9 Regional cone depression in mining areaat the end of 2018

圖10 2019年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.10 Regional cone depression in mining areaat the end of 2019

圖11 2020年8月采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.11 Regional cone depression in mining areain August 2020

分析采區(qū)內(nèi)部生產(chǎn)井附近的地下水位情況可知，在地浸抽注活動(dòng)的影響下，地下水原始流向被破壞，采區(qū)內(nèi)地下水位波動(dòng)較大，地下水位受井群抽注控制呈現(xiàn)出高低不平的狀態(tài)。在生產(chǎn)過(guò)程中，溶浸液的注入與浸出液的抽出均帶壓實(shí)現(xiàn)，由于注液井的注液作用，在其周?chē)鷷?huì)形成一定范圍的高水頭區(qū)，地下水水位升高，形成點(diǎn)源，驅(qū)動(dòng)溶浸液向四圍擴(kuò)散；由于抽液井的抽液作用，抽液井周?chē)^降低，形成點(diǎn)匯，使周?chē)叵滤橐壕畢R聚。因此，抽注過(guò)程在地浸采區(qū)內(nèi)部會(huì)形成多個(gè)水頭高低各異的點(diǎn)源與點(diǎn)匯，驅(qū)動(dòng)溶浸液均勻的流經(jīng)礦體，實(shí)現(xiàn)鈾的浸出。由于總抽液量大于總注液量，總體來(lái)看區(qū)域流場(chǎng)又呈現(xiàn)出降落漏斗的形態(tài)。

3.3 水化學(xué)監(jiān)測(cè)指標(biāo)驗(yàn)證

該地浸鈾礦山區(qū)域流場(chǎng)變化的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在當(dāng)前的抽注條件下，各采區(qū)內(nèi)部基本能夠形成較為明顯的地下水降落漏斗，指向采區(qū)內(nèi)部的水力梯度可以有效控制采區(qū)內(nèi)部溶質(zhì)向外遷移的范圍。水動(dòng)力與水化學(xué)的互證性研究表明，對(duì)于更加準(zhǔn)確客觀地揭示地浸流場(chǎng)的形成進(jìn)程以及溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律十分重要[10]。因此，為了進(jìn)一步證實(shí)區(qū)域流場(chǎng)狀態(tài)對(duì)于溶質(zhì)運(yùn)移范圍的控制作用，利用監(jiān)測(cè)井的水化學(xué)指標(biāo)對(duì)該地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍進(jìn)行再次驗(yàn)證。C1采區(qū)～C7采區(qū)監(jiān)測(cè)井地下水2016年12月至2018年6月pH值、鈾濃度、硫酸根濃度隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖12～圖14。

圖12 各監(jiān)測(cè)井pH值隨時(shí)間變化情況Fig.12 Changes of pH value with time indifferent monitoring wells

圖13 各監(jiān)測(cè)井鈾濃度隨時(shí)間變化情況Fig.13 Changes of uranium concentration with timein different monitoring wells

圖14 各監(jiān)測(cè)井硫酸根濃度隨時(shí)間變化情況Fig.14 Changes of sulfate concentration with timein different monitoring wells

從C1采區(qū)～C7采區(qū)監(jiān)測(cè)井地下水分析結(jié)果可以看出，采區(qū)投產(chǎn)一段時(shí)間后，監(jiān)測(cè)井地下水的3個(gè)指標(biāo)基本維持在本底水平：各監(jiān)測(cè)井pH值基本保持在6.5～7.5；大部分監(jiān)測(cè)井地下水中鈾濃度低于50 μg/L，GW03監(jiān)測(cè)井、GW04監(jiān)測(cè)井、GW05監(jiān)測(cè)井和GW07監(jiān)測(cè)井地下水中鈾濃度上升較為明顯，大部分月份鈾濃度超過(guò)了100 μg/L， 個(gè)別月份的鈾濃度超過(guò)了150 μg/L； 各監(jiān)測(cè)井地下水中硫酸根濃度基本維持在350～450 mg/L。監(jiān)測(cè)井中測(cè)試指標(biāo)濃度升高的主要原因是采區(qū)內(nèi)部浸出液的擴(kuò)散作用，但這種影響的范圍和程度均有限，可以看出，由于生產(chǎn)期間，按照總抽液量大于總注液量的方式進(jìn)行生產(chǎn)，浸出液被嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，采區(qū)外圍地下水中的關(guān)鍵指標(biāo)均處于本底范圍。這也進(jìn)一步證實(shí)了區(qū)域流場(chǎng)的改變、降落漏斗的形成很好地控制了地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍。

4 結(jié) 論

1) 區(qū)域流場(chǎng)形態(tài)是控制地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍的主控因素。受地浸鈾礦山抽注的影響，含礦含水層區(qū)域流場(chǎng)發(fā)生了明顯的變化，生產(chǎn)期間，采用總抽液量大于總注液量的生產(chǎn)方式，在采區(qū)及其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)形成了明顯的降落漏斗，有效地控制了溶浸液的逸散范圍，地浸生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)采區(qū)外圍地下水環(huán)境影響較小。

2) 采區(qū)內(nèi)部地下水水位波動(dòng)較大，注液井周?chē)》秶鷥?nèi)會(huì)形成明顯的水頭升高區(qū)，成為點(diǎn)源，而抽液井附近會(huì)形成水頭下降區(qū)，成為點(diǎn)匯。由于總抽液量大于總注液量，采區(qū)整體仍然會(huì)形成一個(gè)指向井場(chǎng)內(nèi)部的水力梯度，控制地下水中各組分的遷移距離。

3) 根據(jù)含礦含水層水化學(xué)測(cè)試指標(biāo)可以得出，該地浸鈾礦山生產(chǎn)多年以來(lái)并未對(duì)地下水環(huán)境造成明顯影響，采區(qū)外圍一定范圍內(nèi)pH值、鈾及硫酸根等指標(biāo)基本保持在本底范圍。地下水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)一步證實(shí)了區(qū)域流場(chǎng)的形態(tài)對(duì)控制地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍的主控作用。

4) 利用數(shù)值模擬手段結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以更加充分地刻畫(huà)地浸鈾礦山的地下水環(huán)境影響現(xiàn)狀，對(duì)指導(dǎo)地浸鈾礦山生產(chǎn)實(shí)踐有著十分積極的作用。