秦岭山区尾矿库环境防护距离研究

邹 宁

(中国地质调查局 西安地质调查中心，陕西 西安710054)

我国目前已经步入世界矿业大国行列，主要矿产每年尾矿排放量约3 亿t，除一小部分回用于矿山充填或综合利用外，绝大部分尾矿采用构筑尾矿库的方式储存［1］.尾矿库对其周边环境造成的不利影响包括大气环境影响、地表水环境影响、地下水环境影响、土壤环境影响以及溃坝事故影响［2］. 为减轻尾矿库对其周边居民的不利影响，通常在尾矿库周边设置一定的防护距离，该距离内原有居民必须进行搬迁.以前尾矿库周边防护距离主要根据《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599—2001)中第5.1.2 条确定为500 m，因制定该标准时研究水平有限，确定的500 m 防护距离不尽合理，不能起到较好的防护作用. 根据环境保护部2013年第36 号公告［关于发布《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599—2001)等3 项国家污染物控制标准修改单的公告］，现在应依据环境影响评价结论确定尾矿库与周围人群的防护距离.所以开展对尾矿库周边防护距离确定方法的研究，对保护尾矿库周边环境，减少尾矿库环境污染对周边人群健康的影响有重要意义.

1 尾矿库对环境的环境影响方式

尾矿库对环境的影响方式主要可以分为大气环境影响、水环境影响和固体废物影响3个方面.

1.1 大气环境影响

尾矿在堆存的过程中长期受到水流侵蚀和风吹日晒，表面会发生风化，一旦遇到适宜的风速将导致尾矿飞扬，形成扬尘，造成附近大气环境的污染，如果人体吸入过量粉尘，将可能导致尘肺病［3］.

1.2 水环境影响

尾矿废水对环境造成的影响主要包括地表水和地下水两个方面.

正常运行时，尾矿砂通过大气降水形成的渗滤液，会淋溶出一部分污染物. 污染物中主要含有浓度较高的金属盐类、酸根离子、大量有机物、硫化物及其他有害物质，这些污染物通过包气带污染地下水，甚至通过排泄区污染地表水. 一旦发生溃坝事故，尾矿废水流向下游，容易造成地表水大面积污染，对尾矿库下游水体造成严重威胁.

由于秦岭山区尾矿库周边居民饮用水一般为通过管道输送的山区泉水，因此尾矿库对下游地下水环境及地表水环境的影响通常不会污染周边居民的饮用水源.

1.3 固体废物影响

尾矿库是一旦发生溃坝，会导致大量尾矿砂下泄，覆盖下游大面积的土地和农田，冲毁房屋，造成重大经济损失及人身伤亡.

综上所述，尾矿库对周边居民造成的主要影响为大气环境影响及固体废物影响.

2 环境防护距离确定方法

2.1 大气环境防护距离

目前大气环境防护距离的确定通常采用导则推荐的SCREEN3 估算模式来确定［4］，在推荐的计算模式中已将气象参数设定为最不利的条件. 因此，大气环境防护距离计算值的准确性就主要取决于尾矿库无组织排放源强调查的结果. 因此，尾矿库最主要的无组织排放源为扬尘. 干燥尾矿砂起尘量的计算公式为［5］:

式中:Q 为起尘量，gs－1;q 为起尘率，gm－2s－1;M 为干滩面积，m2;U*0为起动摩阻风速，mms－1.

式中:d 为尾矿砂粒径，mm.

2.2 环境风险防护距离

尾矿库的环境风险主要为溃坝事故，溃坝影响范围的确定目前尚没有系统、统一的方法，一般采用经验类比和经验公式推理分析估算确定. 尾矿库一旦发生溃坝，其下泄流体不同于一般的水流，是尾矿砂和水的混合物，类似于泥浆的流动［6］. 目前常用的方法包括经验公式计算法、数学模型法及相似试验法.经验公式计算法主要借鉴水库溃坝后泥石流的演进经验公式，该方法对于溃坝过程都是假设一次性全溃，对计算结果影响较大，但使用方便.数学模型法主要是通过建立描述溃坝下泄砂流运动的连续方程和动力方程，运用数值分析的方法，求出尾矿库溃坝下泄砂流在下游各点的流速和深度，以及溃坝后尾矿下泄引起的砂流覆盖范围，该方法精度较高，但计算过程复杂，要求较高. 相似试验法根据模型流动与实际流动的相似性，即流场中相应点上各同类物理量将具有各自固定的比例关系，可将模型试验的成果方便的应用于实际流动中［7］.但该方法需要室外模拟溃坝试验，花费成本较大.由于环境评价的工作时间一般较短，费用有限，所以推荐采用的还是经验公式法.

3 实例研究

某新建铁矿尾矿库位于陕西省商洛市柞水县，地处秦岭北麓山区谷地，占地面积39.8 hm2，初期坝高40 m，设计总坝高140 m，总库容1 561.39 ×104m3.尾矿采用湿法排放，全库采取防渗处理，汇水面积2.95 km2，下游1.7 km 以外为沟口，地势较开阔，下游1 km 内无居民点，沟口有地表水体，上游汇水以潜流形式汇至地下水中. 尾矿库所在地地层简单，表层为第四系松散覆盖层，下部为泥盆系板岩.

3.1 大气环境防护距离

尾矿砂起动摩阻风速为6.4 m/s (dp =0.025 mm)［8］.因为当地年平均风速仅为1.3 m/s，风速多在5.0 m/s 以下，所以一般气象条件下，该铁矿尾矿砂不会因起尘而对周围环境空气造成影响. 当地风速≥7.0 m/s 的天数年平均1.1 d，起尘率为1.38×10－4gm－2s－1，起尘量为1.38 g/s(干滩面积M =10 000 m2)，该尾矿库的大气环境防护距离为200 m，即当风速=7.0 m/s 时，该尾矿库可能对距干滩中心200 m 范围内的敏感目标的环境空气造成影响.

3.2 环境风险防护距离

按最不利的溃坝情况考虑，即尾矿库在使用后期(坝高140 m)发生溃坝，按浸润线形成的最危险滑面进行计算，溃坝时的排砂量约为1 173 ×104m3，库内沉积区洪水按全部排空考虑，则洪水量约为36 ×104m3(200年一遇);本次预测计算取泄流总量为1 209 ×104m3.

溃坝最大流量可采用文献［9］的计算式［9］:

式中，λ 为流量参数，取0.22(四次抛物线断面);bm为溃坝口门宽度，m;H0为坝前最大水深，m，取132 m;W 为溃前总库容，m3，取1 209 ×104m3;K 为冲刷系数，计算得0.000 04;E 为坝横断面面积，m2，取600 m2;φ 为土质系数，碾压式透水堆石坝取0.495.

下泄砂流洪峰流量不仅与单一洪水洪峰流量有关，而且还与溃坝时加入尾矿砂的量以及尾矿砂与水相互作用的关系有关，可将下泄砂流的洪峰流量Qdmax 表示为

式中，Qmax为水库溃坝洪水洪峰流量;k 为考虑尾矿砂因素的洪峰流量系数，主要由加入尾矿砂的量决定，可按下泄砂流的容重来计算，即

式中，γd为尾矿砂流的容重，γw为水的容重，可取10 kN/m3，γe为尾矿砂固体颗粒的容重.

由式(2)可以得出，溃口的平均宽度为35 m，由式(1)可以得出，溃坝时坝址的最大流量为3.7 ×104m3/s，经式(4)校正后尾矿砂的最大下泄流量为5.0 ×104m3/s.

根据溃坝下泄砂流向下游的演进过程，利用:

其中，矩形断面n=1.

可计算出下游沿程的最大流量及下游某处的洪峰高度，而由式(8)可计算出下泄砂流最大洪峰到达的时间.

因此，通过选取下游的典型断面，可计算出各典型断面下泄砂流向下游演进过程的参数. 计算结果见表1.

当地居民房屋距离沟底最小高度为3 m，因此最大防护距离按洪峰高度达到3 m 计.

表1 下游断面计算成果(翻译)Tab.1 The calculating results of lower cross section

3.3 防护距离小结

根据防护距离计算结果，最大防护距离由尾矿库溃坝影响决定，为3 000 m，大大超过原标准确定的500 m 距离.由此可知，如果按原标准防护距离实施搬迁，则不能保证下游居民的生命及财产安全，必须根据环境评价计算结果确定相应的防护距离.

4 结 语

该文通过环评实例，对尾矿库周边环境防护距离的确定方法进行了研究，包括大气环境防护距离与尾矿库溃坝防护距离，最后发现尾矿库最大防护距离由溃坝防护距离确定. 虽然人们对尾矿库溃坝泥石流的演进做了大量的研究工作，但尚无完善的计算模型可以应用，导致影响距离计算结果尚存有误差.此外，泥沙演进对下游居民造成的损害效果目前还没有深入的研究成果，计算的影响距离尚不能等同于防护距离.

总之，尾矿库溃坝计算模型还不完善，泥沙演进损害效果研究还不深入，需要借助土力学、水力学、泥沙动力学、建筑学及安全工程等学科的交叉进一步研究.

［1］敬小非，尹光志，魏作安，等.基于不同溃口形态的尾矿坝溃决泥浆流动特性试验研究［J］. 岩土力学，2012，33(3):745-752.

［2］朱 宁，陈玉明，刘相纯，等.尾矿库环境污染分析与预防对策［J］.黄金，2014，35(2):67-69.

［3］黄 燕. 金属尾矿库扬尘影响分析及污染防治措施建议—以金矿尾矿库为例［J］. 化学工程与装备，2009(7):218-219.

［4］环境影响评价技术导则［S］.大气环境(HJ2.2-2008).

［5］张鸿雁，王 元，陈祥芬.铁矿尾矿库区粉尘污染源强研究［J］.西安建筑科技大学学报，1998;30(4):396-398

［6］陈殿强，何 峰，王来贵.凤城市某尾矿库溃坝数值计算［J］.金属矿山，2009(10):74-80.

［7］胡敏良. 流体力学［M］. 武汉:武汉理工大学出版社，2007.

［8］丁 峰，蔡 芳，李时蓓. 应用AERMOD 计算卫生防护距离方法探讨［J］.环境保护科学，2008，34(5):56-59.

［9］谢任之. 溃坝水力学［M］. 济南:山东科学技术出版社，1989.