基于数值模型的尾矿库项目地下水污染的环境影响预测评价

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  摘要:随着我国社会经济的持续高速发展,矿产资源开发利用和生态环境保护的矛盾日益突出,矿山尾矿库渗漏造成的地下水重金属污染已成为一大环境问题。本文以甘肃陇南某矿山尾矿库加高扩容项目为研究对象,通过构建评价区地下水渗流模型,耦合污染物运移方程,建立地下水溶质运移模型,并应用该模型对尾矿坝发生泄漏情况下特征污染物污染情景进行了数值模拟与环境影响预测评价。结果表明:该研究对帮助企业和当地环保部门从源头上防治和管理潜在的地下水重金属污染、保护地下水环境具有重要的意义。
  关键词:地下水:重金属污染;环境影响预测评价;数值模拟:尾矿库项目目
  1.地质概况
  研究区位于甘肃省南部的陇南山区,该地区地形切割比较强烈,地貌特征主要是侵蚀、剥蚀为主,山势比较陡峭,有尖峰、鱼脊和“V”形的沟壑。水系发育。矿区内出露地层主要为中泥盆统安家岔组( D2a)(厂坝矿床为西汉水群D2x2n-2b)和少量下泥盆统吴家山组(D1W2),由一套碎屑岩及碳酸盐岩为主的浅变质岩系构成地层。研究区主要构造呈东西走向,褶皱发育,以吴家山复背斜为骨架,该背斜对区内地层和矿带的展布起控制作用,轴面西部向北到转,东部直立。其北翼有干鱼廊向斜、王家山背斜,南翼三架山背斜、薛家沟向斜及毕家山背斜等。区内断裂构造发育,以东西向为主,北东~北北东向次之。在不同岩性的接触面上多发育有层间断裂,这种断裂一般为成矿前断裂;北东向横断层多为成矿后断层,对矿体的破坏较大。研究区内的地下水埋藏条件、动力特征和富水程度,主要受到地形地貌、地质构造与地层岩性条件所制约。地下水类型主要有松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碎屑岩夹碳酸盐岩类溶隙裂隙水。
  2.水文地质概念模型
  2.1模拟范围
  项目尾矿库位于柒家沟上游沟脑,库场址地形变化较大,其中东、北、南三面地势较高,尾矿库下游正对柒家沟主沟,构成一个相对独立的水文地质单元,总评价面积为3.2l km2。
  2.2边界条件
  根据尾矿库区的地形地貌、水文地质条件分析,尾矿库下游柒家沟主沟定位排泄边界,主沟东侧为弱流量边界,其他边界为隔水边界。
  2.3含水层概化
  根据水文地质勘查结果,本区大部分为基岩出露区,第四纪地层在本区零星分布,因此把第四系含水层和碎屑岩类裂隙含水岩组概化为一层。
  2.4水文地质参数的选取
  ①降雨人渗系数,根据《厂坝铅锌矿环境影响评价水文地质调查评价报告》及《水文地质手册》,取值为0.23。②渗透系数,地下水的水文地质参数参与数值模拟在这个矿区主要含水层渗透系数k。尾矿池水文地质勘探抽水试验渗透系数是最初分区和分配数值模型的参数识别依据。③给水度,根据经验,取值为0.1。④弹性释水系数,根据经验,取值为2.0×10-5。
  3.地下水流數学模型
  根据评价区岩性、地下水类型、地下水补给特征等水文地质条件,在已有资料的基础上,将评价区地下水流动系统视为某一时期的稳定流动系统。在此基础上,将评价区地下水流系统概括为非均质各向异性、空间多层结构和三维稳定地下水流系统,其数学模型表示为:
  式中:Ω是地下水渗流区域;H是地下水水头(m);S2是模型的第二类边界;kxx,kyy,kzz分别为x,y,z主方向的渗透系数(m/d);W是源汇项,包括降水入渗补给、河流入渗补给、井的抽水量等(n13/d);q(x,y,z)是第二类边界单位面积流量函数(m3/d);I1为边界S上的外法线方向。
  4.地下水流场数值模拟
  在建立水文地质概念模型和数学模型的基础上,利用基于有限差分法的MODFLOW软件包,建立了评价区地下水流动的数值模型。通过参数识别和模型校核,对评价区地下水流系统进行了模拟分析。作为地下水溶质运移模拟的基础。
  4.1模拟软件的选取
  本次模拟除了应用MODFLOW软件包外,还用到MT3DMS软件包,用来模拟地下水系统的对流、弥散、吸附、化学反应等的溶质运移现象。本次评价基于这两个软件包对尾矿库区地下水的溶质迁移问题进行模拟。
  4.2模型网格剖分
  基于MODFLOW模型,将评价区3.2lkm2的范围,模型共剖分为3174个计算单元。降雨人渗等面状补给采用re -charge子程序包;民井采用well子程序包;沟渠采用drain子程序包;流量边界采用specifiedflow子程序包,定浓度污染源采用specifiedconc.子程序包。
  4.3参数识别
  根据渗透系数的建议值,利用GMS建立概念模型并输入所有计算要素之后,运行modflow模型,形成地下水流场。在流场拟合的基础上,根据注水试验结果和实际水文地质条件,利用pest软件包自动反演渗透系数,并结合人工调节得到渗透系数分布。渗透系数的分区如图l所示。含水层渗透系数的最终值如表l所示。
  5.地下水溶质运移模拟
  5.1溶质运移数学模型
  (1)控制方程。本次建立的地下水溶质运移模型是三维水流影响下的三维弥散问题。水流的主方向与坐标轴一致,溶液密度恒定,存在局部平衡吸附和一级不可逆动力学反应、溶解相和吸附相。速率相等,即λl=λ2。在此前提下,溶质运移三维水动力弥散方程的数学模型如下:
  式中:
  C:地下水中组分的溶解相浓度,ML-3;
  O:地层介质的孔隙度,无量纲;
  t:时间,T:
  xi:沿直角坐标系轴向的距离,L;
  Dij:水动力弥散系数张量,L2T-1;
  Vi:孔隙水平均实际流速,LT-1;
  qs:单位体积含水层流量,代表源和汇,L3T-1;   Cs:源或汇水流中组分的浓度,ML-3;
  ∑Rn:化学反应项,ML-3T-1;
  (2)初始条件。由于本次模拟污染源概化为补给浓度边界。因此将补给浓度边界的初始浓度定为C。,其余地方均为Omg/L,具体表述为:
  C(xi,yj,Zk,0)=C0
  (xi,yi,zk处为补给浓度边界)
  C(x,y,z,0) =0(其余地方)
  (3)边界条件。本模拟将含水层各边界视为第二类边界条件(Neumann边界),跨边界扩散通量为0,可以表示为:
  式中:r2为Neumann边界。
  5.2溶质运移参数
  地下水溶质运移模型参数主要包括弥散度和有效孔隙度。有效孔隙度根据尾矿库工勘实测的孔隙率数据结合经验值确定,弥散度的确定相对比较困难。一般来说,空隙介质中的分散度随着溶质传输距离的增加而增加。这种现象被称为水动力弥散尺度效应。具体表现为:现场弥散试验得到的弥散度远大于室内实测值,差异可达4个—5个数量级;即使在同一含水层中,溶质运移距离也较大,进行了计算。分散度越大。因此,即使在现场或室内分散试验中也难以获得准确的分散值。因此,该模型参考了前人的研究成果,本次模拟纵向弥散度取lOm。
  6.尾矿库污染源分析
  6.1尾矿库渗漏分析
  选矿排出的尾矿经厂前浓密后(浓度45%—50%),用泵扬至现有尾矿库内堆存。随着2014年底矿山充填制备站和尾矿脱水压滤车间的建成,现有选矿系统排出的尾矿将经厂前浓密后(浓度45%~50%),用泵扬至矿山充填制备站经尾矿深锥浓缩、脱水压滤后(尾矿水分15%)全部用于井下充填,尾矿库不再堆存尾矿,库内积水采取排水、自然蒸发、沉降、固结等办法,现已形成全部沉积滩和干滩面,达到尾矿库尾矿干堆的各项安全技术参数指标。因此,本次只模拟库内尾砂含水经尾矿坝渗漏的情况。
  6.2预测因子
  根据2014年2月陇南市环境监测站对厂坝铅锌矿尾矿库坝外回水池水质检测,选取超标倍数最大的CODer和特征污染物Pb、Zn作为本次模拟的污染因子。其中Pb濃度为17.02mg/L,超过地下水Ⅲ类水质标准340倍;CODer浓度为174mg/L,参照地下水高锰酸盐指数Ⅲ类水质标准,超标58倍;Zn浓度0.31mg/L。
  7.尾矿库渗漏污染物溶质运移预测及评价
  (1)渗漏位置:假设渗漏位置位于尾矿坝底部。(2)污染源概化:渗滤液的定浓度补给源。(3)渗漏污染物浓度:考虑到尾矿库内水沉淀以及天然过滤作用才到回水池,因此保守起见,模拟时污染物CODer浓度取174mg/L,Pb浓度为17.02mg/L,Zn浓度为0.31mg/L。(4)预测结果与分析:将相关参数输入水质模型,利用软件进行模拟后,得到污染物CODer和Pb在lOOd、lOOOd、4000d、8030d后运移的预测结果和ZnlOOd.8030d的运移趋势。①CODer污染运移分析:尾矿库运行100天,含水层中COD扩散范围较小,污染晕(前锋值<3mg/L)往尾矿坝下游扩散95.35m。尾矿库运行1000天,污染晕(前锋值<3mg/L)往尾矿坝下游扩散178.64m。尾矿库运行4000天,污染晕(前锋值<3mg/L)往尾矿坝下游扩散620.94m。尾矿库运行8030天,污染晕(前锋值<3mg/L)往尾矿坝下游扩散925.31m。②Ph污染运移分析:尾矿库运行100天,含水层中COD扩散范围较小,污染晕(前锋值<0.05mg/L)往尾矿坝下游扩散96.05m。尾矿库运行1000天,污染晕(前锋值<0.05mg/L)往尾矿坝下游扩散136.28m。尾矿库运行4000天,污染晕(前锋值≤0.05mg/L)往尾矿坝下游扩散688.29m。尾矿库运行8030天,污染晕(前锋值<0.05mg/L)往尾矿坝下游扩散1085m。③Zn污染运移分析:虽然Zn为厂坝铅锌矿尾矿库的特征污染物,但尾矿库回水中Zn浓度为0.31mg/L低于地下水Ⅲ类水质标准(≤Img/L),不会对地下水造成污染,因此本次评价只观察Zn在地下水中的污染趋势,尾矿库运行100天,含水层中COD扩散范围较小,污染晕往尾矿坝下游扩散68.lOm。尾矿库运行8030天,污染晕往尾矿坝下游扩散817.60m。
  综上所述,在尾矿坝底部局部泄露情况下,经过溶质迁移模拟,CODer在8030天内污染晕范围为坝下游925.31m; Pb在8030天内污染晕范围为坝下游1085m,与尾矿库运行4000天时相比,CODer和Pb的运移范围分别扩大304.37m和396.71m。
  8.地下水影响分析
  8.1对浅层地下水的污染影响
  在正常情况下,地下水污染主要是由污染物通过包气带迁移到含水层中造成的。项目建设场地出露岩性多为表层分化结晶灰岩、大理岩及结晶灰岩透镜体或第四系松散堆积物。其渗透性较强,包气带防污性能弱,说明浅层地下水很容易受到污染。根据地下水预测结果,如果尾矿废水泄漏,污染物会迅速通过包气带进入浅层地下水,并向下游迁移,污染范围扩大。
  8.2对深层地下水的污染影响
  该地区地下水的形成、赋存和运移往往受地表水盆地控制,形成与地表水盆地不同层次对应的水文地质单元,并在其单元内完成地下水的补给、径流和排泄过程。降水时,空气可以直接充人,并通过地表裂缝和缝隙补充到深层含水层。地下潜水取决于地形从高到低,深承压水从高水头(通常也在较高的海拔)到低水头。在山谷底部以暗流排干。该水文地质单元中地下水之间的水力联系最小,因此,深层地下水受工程污水渗透的影响较小。
  8.3对周围水源地及周围居民饮用水的影响
  扩建项目周围居民生活饮用水主要来自选厂上游贾家坝水源地的浅层地下水,水源地与尾矿库距离较远(5.4km以外)且位于尾矿库地下水径流上游。尾矿库内尾矿水与尾矿渗滤液全部返回选矿厂综合利用,不向外排。与区域地表水及地下水均无水力联系,因此不会对周围居民饮用水造成不良影响。
  9.结论
  根据地下水预测结果:如果尾矿废水泄漏,污染物会迅速通过包气带进入浅层地下水,并向下游迁移,对浅层地下水造成更大的污染。深层地下水受T-程污水渗入的影响较小。项目能有效防止各种可能引起地下水影响的途径。确保各种防渗措施能够实现,所以这个项目不会对区域地下水环境产生重大影响。
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