福建尤溪某锌冶炼加工区Zn、Pb对地下水环境影响评价

■刘亮顾春杰吴奇谭桂丽

（1江苏省地质工程有限公司 江苏南京 210018；2浙江海北勘察股份有限公司 浙江嘉兴 314200；

3地球化学勘查与海洋地质调查研究院 江苏南京 210007；4中国地质调查局南京地质调查中心 江苏南京 210016）

福建尤溪某锌冶炼加工区Zn、Pb对地下水环境影响评价

■刘亮1顾春杰2吴奇3谭桂丽4

（1江苏省地质工程有限公司 江苏南京 210018；2浙江海北勘察股份有限公司 浙江嘉兴 314200；

3地球化学勘查与海洋地质调查研究院 江苏南京 210007；4中国地质调查局南京地质调查中心 江苏南京 210016）

锌冶炼加工区主要污染因子为Zn和Pb，为准确分析加工区Zn和Pb在地下水中的迁移情况，正确预测和评价加工区建设运行对地下水环境的影响，以福建尤溪某拟建锌冶炼加工区工程项目为例，采用有限差分数值模拟法预测其迁移情况和扩散范围，选用地下水数值模拟技术预测和评价加工区Zn、Pb对地下水环境的影响。结果表明，模拟区内在非正常运营期间，污染物迁移速率较慢；随着污废水排放和时间推移，污染物迁移范围逐渐扩大，将对尤溪河流域造成一定污染。

锌冶炼Zn、Pb地下水数值模拟环境影响评价

在我国，作为国民经济支柱产业的冶金工业，不仅是能源与资源的消耗大户，其大量排放的污染物也对环境造成不同层次、不同程度的影响[1]。冶金类建设项目规模的迅速发展，除了直接对地表各种环境造成一定的影响外，对地下水环境的影响也越来越大，各种冶金建设项目与地下水环境持续恶化的矛盾已显得日益突出[2]。因此，为了使地下水资源更好的为人类服务，就必须开展地下水环境影响评价工作，了解冶金建设项目产生的污废水中主要污染物特征因子（Zn、Pb）在地下水中的迁移规律、运移范围和对环境的影响程度，预测和评价冶金类建设项目冶炼加工区污染物对地下水环境的影响程度。这对判断冶金类建设项目选址及布局是否合理、预测工艺方案可能引发的地下水环境问题以及如何扬长避短等具有重要意义。本文以福建省尤溪县某拟建锌冶炼加工区工程项目为例，结合实际工作经验，建立了Visual Modflow三维地下水流动与污染物运移数值模型，对加工区非正常运营期间，污废水直接渗入地下时Zn和Pb的运移情况进行模拟预测，确定污废水中主要污染物特征因子Zn、Pb的运移情况及扩散范围，从而评价Zn、Pb对地下水环境的影响程度，以及为该锌冶炼加工区及其类似项目的规划和建设提供科学依据[3]。

1 工程概况

拟建锌冶炼加工区位于福建省尤溪县，规划面积为20.14Km2。项目区地下水环境的基本情况为：地下水补给为大气降雨和上游径流732170m3/d、输出为尤溪河及支流734224m3/d，基本保持水均衡平衡[4]。该加工区使用年限为20年，项目排放物的主要污染因子是Zn和Pb等有毒重金属元素，拟采用热酸浸出低污染沉矾湿法炼锌工艺，日排放含Zn、Pb污废水315吨，处理达标后排放到尤溪河。

2 地下水环境影响预测模型

经分析该锌冶炼加工区正常运营期间的污废水经过处理后基本对区内地下水环境没有污染，为提高加工区安全性，本次模拟加工区非正常运营期间Zn和Pb对加工区及其周边2.4km×2.1km= 5.04km2范围内（图1）的地下水环境影响。假设期间产生的污废水即为污染源强直接渗入地下（取值Zn：300 mg/L、Pb：3mg/L），同时为了评价污染的长远影响，设模拟时段为运营期20年和期满后10年共计30年。

2.1 预测方法

由于相邻区域以前未做过类似锌冶炼工程对地下水影响的评价工作，同时为了更好的评价地下水中污染物的迁移扩散，地下水环境影响预测评价选用地下水数值模拟技术，污染物运移采用有限差分数值模拟法预测，采用的地下水水流的三维流动系统数学模型为[5][6]：

图1 地下水环境影响预测与评价范围示意图

式中：H为地下水水头（m）；Kxx,Kyy,Kzz为x,y,z方向渗透系数（m/d）；μs为含水层给水度；H0为含水层初始水头 （m）；q1为含水层二类边界单位面积过水断面补给流量（m/d）；Ω为渗流区域；ε1为源汇项强度（m/d）；B1为水头已知边界，第一类边界；B2为流量已知边界，第二类边界；n为渗流区边界的单位外法线方向。

根据厂区所在地的实际情况，建立污染物迁移数学模型：

式中：θ为介质空隙度，无量纲；Ck为溶质K的浓度(M/l3)；t为时间；Xi,j为在直角坐标系下沿个方向上的距离（l）；D为水动力弥散系数张量（l2T-1）；Vi为渗流速度（lM-1）；qs为单位体积含水层，给出或接受的流体的数量，代表源汇项（T-1)；Cks---源汇项中K的浓度（Ml-3）；∑Rn---化学反应项（Ml-3T-1）。

2.2 模型建立

模拟采用60m×60m水平剖分网格进行离散化 (刘勇,2013)（图2），垂直方向上将模型分为4层（图3）（由上至下代表粉质粘土和强、中、弱风化凝灰熔岩）。

图2 模型网格剖分及污染源位置图

为了更好地评价地下水中Zn、Pb的迁移扩散，本次主要采用Visual Modflow三维地下水流动与污染物运移模拟软件进行数值模拟预测[7][8]。

2.3 模型参数

根据场地注水试验，结合相邻区域勘察报告资料[4]，并经过模型校正中调整最终获得模型参数取值见表1。

表1 模型含水层流场模拟参数

表2 模型含水层污染迁移模拟参数

模型中假设污染Zn、Pb在地下水中运移不与含水层介质发生反应，不考虑其挥发、生物化学反应，只考虑运移过程中对流、弥散和吸附作用，设定污染迁移模型参数详见表2。

2.4 模型初始、边界条件

确定模型的上边界为自由潜水面作为潜水面边界，底边界为弱风化凝灰熔岩层作为零流量边界，西侧为尤溪河及其支流设为河流边界，南东、北东及北西侧均为地表分水岭设为零流量边界，北侧为侧流边界，接受上游地下水径流补给，边界流量根据区域地下水水力梯度、含水层渗透系数及含水层厚度采用达西定律初步估计并在模型校正中调整[2]。

运行地下水稳定流模型，进行模型校正，模型校正标准：使模型计算的等水位线分布与水文地质图中的估推等水位分布基本一致；钻孔处模拟计算的地下水水位与钻孔实测地下水位相当。模拟区内仅一个钻孔ZK01测得地下水水位，埋深0.6m，水位标高150.4m，ZK01的地面高程现为151.0m，场地平整后该处地面高程为180.0m，现状地下水位将相对抬高，估计地貌改变后钻孔ZK01的实测地下水水位为170.0m左右。模型计算得该孔的地下水水位为169.2m，与地貌改变后的推测地下水水位相当，因此认为模型被校正，可用于预测应用[4]。

本次模拟分为项目运营期20年和服务期满后10年，模型时间步长设为1年；并将160-180m作为模型地下水位初始值；预测因子地下水环境背景值初始浓度Zn、Pb各定为0.001和0.025 mg/L。

3 预测结果分析

模拟计算得到各预测因子的污染羽动态变化及对尤溪河的影响。该区域地下水执行《地下水质量标准》（GB/T14848-93）Ⅲ类标准，Zn质量浓度若大于1.0 mg/L、Pb质量浓度若大于0.05 mg/L即视为超标。Zn、Pb迁移预测结果见图4。

从图4中可以看出，随着污废水的不断排放，地下水中这些元素的污染影响范围逐渐扩大，由于其迁移速度比地下水的流速低，限制了其迁移距离，但该类物质的污染羽面积在预测30年内不断扩大，其中Zn较Pb而言对尤溪河水质影响较大，在预测的30年内，地下水Zn超标范围已抵达尤溪河、Pb超标范围则接近尤溪河，且应注意这些污染物在环境中的衰减速率较小，因此在源强消失后，环境中已接受的这些污染物将长期存在，最终会随地下水径流扩散迁移到尤溪河中。

为了更好地说明地下水中污染物对尤溪河水质的贡献，现在临河处设置污染预测因子的观测孔，分别用于观测即将补给尤溪河的地下水流中Zn、Pb的浓度值。四个观测孔的位置详见图2所示，代表了不同尤溪河段地下水中污染物的入流量。预测了四个观测孔30年内污染物由地下水流进入尤溪河段的浓度及其动态变化。预测结果发现1、2和4#井中各污染物预测浓度均很低，远低于地表水质量标准值，地下水中的污染物对地表水的水质影响较小；只有3#观测孔中的污染物浓度可以与地表水质量标准限值相当，对地表水的水质有一定的影响，观测孔内Zn、Pb浓度变化见图5和图6所示。

图5 观测孔内模拟30年的Zn预测值

图6 观测孔内模拟30年的Pn预测值

由图可以看出：观测孔内Zn浓度最大值为1.3mg/L，超出标准值（1mg/L）1.3倍。随地下水径流入尤溪河的Zn贡献值随预测时间的推移不断增加，在预测第21年左右，井中开始出现Zn污染物浓度的增加，预测第28年左右，由地下水进入尤溪河的Zn浓度增加到1mg/L，对尤溪河Zn的贡献量较大，可见预测25年之后，地下水向河流输入的Zn值对预测河段水质影响较大；观测孔内Pb浓度最大值为0.026mg/L，符合相关标准。随地下水径流入尤溪河的Pb贡献值随预测时间的推移不断增加，在预测第21年左右，孔中开始出现污染物浓度的增加。预测末期，由地下水进入尤溪河的Pb占相关标准限值的50%，Pb对河段水质有一定的影响。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）拟建锌冶炼加工区生产过程中排放Zn、Pb污染物对厂区及其附近地下水将造成一定的污染；加工区若出现非正常运营情况，将加速Zn、Pb污染物在地下水中的迁移和扩散。

（2）加工区停产后Zn、Pb浓度虽然有所下降，但其污染范围逐渐逼近尤溪河，并且其在环境中的衰减速率较小，将长期存在被污染的地下水中，并对厂区及其附近地下水造成长久的污染。

4.2 建议

（1）应优化加工区平面布置，对污水处理设施做好防渗处理，修建必要的事故风险池，建立健全污染物防范和防治措施，减少事故排放对地下水可能造成的影响。

（2）应将锌冶炼加工区的污废水妥善收集、处理和回用，加强日常管理，避免事故排放，做好防护工作减少废污水的释放和下渗。一旦发生事故应启动应急预案，采取相应的处理措施，减少污染物的排放，从源头上减少污染物入渗量。

（3）在尤溪河附近设置Zn、Pb污染因子监测孔（监测孔位置见图2所示），时刻检测其由地下水流进入尤溪河段的浓度及其动态变化，为后期的恢复治理工作提供基础依据。

[1]夏绪辉.2006.冶金工业中的清洁生产技术 [J].湖北工业大学学报,21(3):193-195.

[2]龚星,陈植华,陈彦美.2013.冶金类建设项目地下水环境影响评价方法探讨 [J].湖南科技大学学报 （自然科学版）,28（1）：102-108.

[3]朱兴贤,王彩会,陆徐荣.2006.基于GIS的苏锡常地区浅层地下水系统防污染性能评价 [J].江苏地质,01期.

[4]范兴建,吴奇,卢刚等.2013.福建尤溪铅锌产业整合区域地下水环境影响评价专题报告[R].

[5]郑秀清,陈军锋,刘萍等.2014:1.地下水流数值模拟--有限差分法 [M],北京:中国水利水电出版社.

[6]尉鹏翔.2011.Visual M odflow在地下水污染物运移模拟中的应用 [J].水资源保护. 27(4):19-22.

[7]罗敏,朱剑波,任蕊..2013.大渡河某平原型水电站工程对地下水影响的数值模拟分析[J].成都理工大学学报 (自然科学版),40(4):474-480.

[8]李伟,骆祖江,金玮泽,王琰等.2013.垃圾填埋场地下水环境影响评价三维数值模型[J].环境科技,26（2）:17-21.

Environmental Impact Assessment of Zn and Pb on Groundwater in Zinc Smelting Processing Zone,Youxi county, Fujian Province

LIU Liang1,Gu Chun-jie2,Wu Qi3,TAN Gui-li4
(1.JiangSu Geology&Engineering Co.LTD,Nanjing 210018,JiangSu）
（2.Zhejiang Haibei Geotechnical investigation Company Limited,Jiaxing 314200,Zhe Jiang）
（3.Geochemical Exploration and Marine Geology Survey Institute,Nanjing 210007,Jiang Su）
(4.Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,JiangSu)

The mainly pollution factors of Zinc smelting processing zone are Zn and Pb.Taking a proposed Zinc smelting processing zone project in Youxi county,Fujian Province as an example to correctly analyze the migration of Zn,Pb and evaluate the environmental impaction at the processing zone's groundwater.It uses the Finite difference method to predict the migration conditions and the spread scope and takes the numerical simulation of ground water to predict and assess the Zn and Pb impaction on its environment basing on the rationale analysis and correctly selection of Hydro-geological conditions.The results show that the pollutants migration is relative slower and the migration scope would be extended single with sewage wastewater discharge and time went on during the non-normal operation.It may cause some degree of pollution to Youxi river basin.

zinc smelt；Zn and Pb；groundwater；numerical simulation；environmental impact assessment

X5[文献码]B

1000-405X（2015）-11-306-1

刘亮（1982～），男，中级工程师，硕士研究生，地质工程专业，研究方向为矿产勘查、地质工程。