基于Geostudio的尾礦重金屬運移分析

摘" 要：為研究不同工況下尾礦庫中重金屬遷移規律，以某尾礦庫中Cu2+遷移為案例，建立不同初始污染濃度、水頭高度、污染位置3種工況下尾礦庫數值模型。應用Geostudio軟件中的SEEP/W和CTRAN/W模塊，并結合Fredlund和Xing擬合方程改良得到滲透系數函數，分析重金屬遷移規律。研究結果表明，隨著污染源濃度增加，污染物遷移范圍增大，且浸潤線附近污染濃度達到峰值；污染濃度隨時間變化呈冪函數關系，因此應在污染早期及時治理；將污染排放位置由尾礦頂部改為尾礦右側后重金屬到達初期壩表面的時間縮短了37.5%。研究結果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：尾礦庫；污染防治；Cu2+遷移；數值模擬；Geostudio

中圖分類號：X5" " " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0105-04

Abstract： In order to study the migration rule of heavy metals in tailings ponds under different working conditions， the Cu2+ migration in a tailings pond is taken as an example. For this purpose， a numerical model was developed for the tailings pond based on three operating conditions with different initial pollution concentration， head height and pollution location. The model was used as a case study. Using SEEP/W and CTRAN/W modules in Geostudio software， combined with Fredlund and Xing fitting equations， the permeability coefficient function is improved to analyze the migration rule of heavy metals. The findings of this study suggest that the range of pollutant migration increases with an increase in the concentration of the pollutant source， and the pollutant concentration peaks near the infiltration line. Moreover， the pollutant concentration follows a power function with respect to time， underscoring the importance of prompt treatment during the early stage of pollution. Additionally， the study found that changing the location of pollution discharge from the top of the tailings to the right side of the tailings reduced the time for heavy metals to reach the surface of the initial dam by 37.5%. These results provide valuable insights into the migration of heavy metals in tailings ponds under different working conditions. They could serve as a reference for similar projects， while the numerical model developed in this study may be used for other studies on heavy metal migration.

Keywords： tailings ponds; pollution prevention; migration of Cu2+; numerical simulation; Geostudio

中國有尾礦庫1.4萬余座，全國各地均有分布[1]。尾礦中含有大量的重金屬污染物，這些重金屬會對生物和環境產生危害，如酸性礦山廢水（AMD）將重金屬離子運移至地下河及周邊農田。因此對尾礦污染物運移進行預測和評價具有重要意義[2]，許多學者對此展開研究。陳紅丹[3]應用Geostudio軟件對降雨和蒸發共同作用下尾礦中Cu2+的遷移進行模擬；謝學斌[4]在Geostudio軟件中利用Fredlund方程對滲透系數函數進行改良?；谏鲜鲅芯恳阅澄驳V庫為案例，利用Geostudio軟件中的SEEP/W和CTRAN/W模塊，結合Fredlund和Xing[5]的土水特征曲線擬合方程得到滲透系數函數，對尾礦中Cu2+在不同污染濃度、水頭高度、污染位置3種工況下運移規律展開研究，為類似工程評價及防治提供參考。

1" 模型建立及邊界條件

1.1" 模型建立

尾礦庫模型高度為82 m，從初期壩至庫尾長為433 m，從下至上尾砂的分布情況為尾細砂2、尾細砂、尾亞砂、尾輕亞黏、尾礦泥、壩基土和基巖，具體剖面如圖1所示。土體采用Mohr-coulomb本構模型，各尾砂層材料水文地質參數見表1。網格劃分形狀根據實際情況來確定，全局網格尺寸設置為5 m，共1 378個節點，1 284個單元，網格設置為四邊形/三角形，由于尾礦泥層和尾細砂2層厚度較薄，尺寸分別設置為4 m及4.5 m。壩基土、基巖和尾礦泥3層材料采用飽和模型，其余層采用飽和/非飽和模型，利用Fredlund和Xing的土水特征曲線擬合方程對體積含水量擬合得到基質吸力，如圖2所示。隨后對擬合方程進行積分得到滲透系數函數，見圖3。

1.2" 設置工況及邊界條件

根據污染狀況、豐水期與枯水期、污染源位置可能存在不同的情形，設置3種不同的工況對其進行污染物遷移分析，abc為潛在滲流面。

1）不同初始濃度：100 g/m3和200 g/m3污染邊界對比分析，設置de為污染邊界。

2）不同水頭高度：右側水頭分別為142 m（eg）和134 m（fg），de為污染邊界。

3）不同污染物排放位置：設置尾礦庫右側頂部（de）和右側（eg）為污染邊界。

2" 計算結果分析

2.1" 不同初始污染濃度分析

8年后在初始壩外坡面a點有污染物出露，如圖4所示。污染濃度分布表明重金屬對流彌散范圍隨時間推移而擴大，并沿著初期壩方向遷移。酸性礦山廢水中的重金屬離子的濃度值直接影響到重金屬污染物的遷移范圍及遷移距離。對比發現，污染源濃度大的比污染源濃度小的遷移范圍要大。

設置剖面1和剖面2及其與尾細砂和尾亞砂分層面的交點為監測點，由圖5（a）、（b）可以看出，污染物在浸潤線附近濃度較高，靠近土壤表層區域污染物濃度較低。污染物濃度增大一倍后浸潤線附近的污染物濃度相應也增大了一倍。

由圖5（c）、（d）可以看出，污染物濃度隨時間變化近似成冪函數的關系。點1第584天開始污染物濃度從零開始逐漸增加，點2第1 168天有污染物到達此處，兩點相距100 m，測算可得污染物遷移速度為0.171 2 m/d。由此可知污染物濃度隨時間增長增加較快，應在未污染時予以防治。

2.2" 不同水頭高度分析

設置初始污染濃度為100 g/m，圖4（a）為豐水期尾礦經過8年后的污染物遷移等勢圖，其右側水頭高度為142 m；圖6為枯水期尾礦經過8年后的污染物遷移等勢圖，右側水頭高度為134 m。

對比可知，影響污染物遷移速度主要是水的對流。在土是非飽和的情況下，彌散對于污染物遷移速度有較大影響。同樣取剖面1、2進行污染物濃度分析，由圖7（a）可以看出，剖面1、2的濃度最大值仍出現在浸潤線附近，驗證了污染物遷移主要受水的對流影響。由圖7（b）可知，剖面1濃度最大值比剖面2的高了將近26倍，經計算污染物遷移速度為0.002 33 m/d。

2.3" 不同污染位置分析

選取模型右側eg段為污染物邊界條件后，污染物隨地下水對流而遷移，遷移速度較快，污染物很快堆積到尾礦庫底部區域；預測經過1 825 d后，污染物在尾礦邊坡表面出露，相比于原模型右側頂部de段為污染物邊界條件的情況縮短了37.5%的時間，如圖8所示。

同樣取2個剖面進行污染物濃度分析，如圖9所示。在尾礦庫底部由于未設置溶質出口，污染物堆積使得底部區域濃度較高；eg為污染邊界時剖面1的污染物濃度出現先降低后增大的現象，是因為尾輕亞黏的滲透系數大于尾細砂的滲透系數。

3" 結論

Geostudio軟件對尾礦污染物遷移的數值模擬結果表明，污染源濃度大的比污染源濃度小的遷移范圍要大，浸潤線附近污染物濃度最大，污染物濃度隨時間變化近似成冪函數的關系。影響污染物遷移速度的主要是水的對流，在土壤非飽和狀態時彌散對于污染物遷移速度有較大影響。在改變污染物排放位置后，污染物運移速度更快且堆積在尾礦壩底部，相較于原污染邊界到達初期壩表面時間縮短了37.5%。

參考文獻：

[1] 楊玉婷.尾礦材料重金屬釋放機理及其運移規律研究[D].昆明：昆明理工大學，2020.

[2] FARIA R R，SILVA W B D，DUTRA J C S，et al． Particle filter-based data assimilation technique for the evaluation of transport of pollutants in small rivers[J]． Computational and Applied Mathematics， 2020，39（243）：1-19.

[3] 陳紅丹，郝喆，滕達，等.降雨-蒸發與地下水耦合作用下的大型尾礦庫重金屬Cu2+遷移數值模擬分析[J].有色金屬工程，2021，11（4）：133-142.

[4] 謝學斌，饒寶文，羅海霞，等.基于改良滲透系數的尾礦庫污染物運移模擬[J].科技導報，2013，31（27）：49-54.

[5] FREDLUND D G， XING A. Equations for the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1994， 31（4）：521-532.