崇左市褐铁矿加工项目对地下水环境的影响*

程亚平　孙立群　夏源　谢永雄　黄俊宇

(桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心　广西桂林 541004)



崇左市褐铁矿加工项目对地下水环境的影响*

程亚平孙立群夏源谢永雄黄俊宇

(桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心广西桂林 541004)

摘要研究区为典型的南方岩溶区，地下岩溶管道十分发育，为了获得其地下水等水位线图，使用GMS软件包，并采用MODFLOW的排水沟渠子程序包以及河流子程序包来模拟管道流。数值计算结果表明，拟建项目的废水入渗到含水层后将向西南方向渗流，最终流入黑水河。尾矿渣的淋溶试验结果显示，由于选矿废水中的重金属含量低，故预计项目建成后选矿废水对含水层的重金属污染风险性很小。

关键词褐铁矿加工岩溶水影响

Impact of Ferrohydrite Processing Project on Groundwater Environment in Chongzuo City

CHENG YapingSUN LiqunXIA YuanXIE YongxiongHUANG Junyu

(GuangxiScientificExperimentCenterofMining,MetallurgyandEnvironment,GuilinUniversityofTechnologyGuilin，Guangxi541004)

AbstractThe research area is a typical southern type of karst water system where karst pipes are greatly developed. In order to get accurate contour maps of groundwater table, a GMS software is used to simulate the groundwater flow. During simulation, a ditches package and river subroutine package in MODFLOW are also applied to simulate the turbulent flow in karst pipes. The simulation results show that the waste water will penetrate toward the southwest from the site of the proposed project to Heishui River. However, the contents of heavy metals in leaching water are very low when ferrohydrite tail slag is subjected to leaching tests. This leads to a conclusion that the risk of karst water in research area suffered heavy metal pollution from the proposed project is very small.

Key Wordsferrohydriteprocessingkarst waterimpact

0引言

广西崇左市是典型的南方型岩溶区，却拥有丰富的褐铁矿资源。为充分利用当地丰富的褐铁矿资源，把原矿石转换为精矿粉，崇左市拟建设一个褐铁矿磁化焙烧生产线。但该项目建成后是否会对当地地下水资源造成影响，成为了该项目能否立项的关键。本文研究选取厂区周围分布的9眼饮用水井作为地下水资源污染的敏感点，通过野外水文地质测绘和调查、水文地质钻探等技术手段来确定岩溶管道的分布，最后再利用水文地质数值模拟方法来预测和评价该项目建设、运营过程中及停产后各个阶段内是否会导致这些水井污染。

1评价区的环境地质特征

1.1气象水文

评价区地处北回归线以南，属亚热带季风气候，多年平均气温在21 ℃～22.3 ℃之间，多年平均降水量1 200.1 mm。评价区内的河流主要是黑水河(研究区西部边界)，其水量丰沛，但季节性变化较大。

1.2地形地貌

评价区地势呈西北向东南倾斜，东、北部地貌类型为峰丛洼地，西、中部为丘陵和溶蚀准平原地带。

1.3地层岩性

1.4水文地质条件

根据地层岩性、单孔涌水量的大小，评价区内的岩层可分为1个含水岩组和3个隔水岩土组：

(1)含水岩组：岩性为下三叠统马脚岭组(T1m)灰岩夹中厚层灰岩、泥灰岩，下二迭统茅口组(P1m)，下二叠统栖霞阶(P1q)和上石炭统(C3)灰岩夹白云岩。该类型地下水为碳酸盐岩裂隙溶洞水，水量中等至丰富。

(2)隔水岩土层：①第四系残积黏土、红黏土层；②上二叠统(P2)条带状铁铝岩、硅质灰岩和硅质岩。③下白垩统新隆组(K1x)：岩性为细砂岩夹泥岩、粉砂岩、砾岩。该类型地下水富水性差，钻探时没有地下水涌出。

2地下水流场的数值模拟

地下水流场数值模拟采用达西定律来描述地下水在含水层中的线性渗流，而对于管道中的地下水流则用水力学公式来描述。在具体实施时，则是运用GMS软件模拟非稳定水流运动和溶质运移，模拟时用MODFLOW中的排水沟渠子程序包以及河流子程序包来计算管道流，将综合水力传导系数赋值较大的岩溶管道来模拟研究区内的主要地下河系[1-3]。

2.1边界条件

(1)平面分界。西部边界：以地表河流(黑水河)为已知水头边界(第一类边界)[4-5]；北部边界：以地表河流(黑水河支流)为已知水头边界(第一类边界)；南部边界：黑水河东岸—哥那—康那段以隔水层(P2)的边界为隔水边界；其余边界(东部及东北部)以地表分水岭为界。以上边界所圈出的水文地质单元面积为63.88 km2。网格剖分图如图1所示：

图1　网格剖分图

(2)剖面分界。上界面：以潜水面为界，作为自由边界；底部：以裂隙不发育的微风化灰岩为隔水边界，根据14个钻孔柱状图资料统计，把含水层的底板定为85 m。

2.2数学模型

不考虑地下水垂向流动，当把地下水流视为水平二维流时，可用以下方程进行描述：

(1)

式中，h为地下水水头，m；Kx，Ky分别为x，y方向的渗透系数，m/d；B1为已知水头边界(第一类边界)；H1为河流水位，m；B2为隔水边界；W为源汇项强度，m/d；Ω为渗流区域；μ为给水度；n为孔隙度。

2.3岩溶管道位置的确定及模拟方法

首先进行地面水文地质测绘，再结合区域水文地质普查资料和水文地质钻探资料(5个钻孔、9个民井)，将岩溶管道的分布情况在GMS模图上精确标出。数值模拟时采取GMS沟渠包来计算这些管道水流，并在管道节点处设置底板高度，管道的底板标高值参照钻孔柱状图给予初值，最后利用实测水位来拟合调整各节点处的管道底板标高[2]。

2.4水文地质参数

(1)降雨入渗系数。根据第四系红粘土层的厚度和基岩的岩性特征，并参照水文地质普查报告提供的反演值和分区方法并赋予各区初值共分为3个亚区，各区的入渗系数初值及拟合值如表1。

表1　降雨入渗系数分区方法及各分区值

(2)含水层的渗透系数。根据注水试验、抽水试验的结果进行分区及赋初值，最后再根据14个监测孔的水位值(2013年9月至2014年3月的观测数据)进行反演模拟，结果如表2所示。

表2　各分区渗透系数值　m/d

(3)给水度。根据钻孔岩芯的裂隙率和面溶蚀率，中风化石灰岩给水度取值为0.05[1-3]。

2.5模型的识别和验证

将2013年9月至2014年3月所实测的各月地下水位、河水位值、降雨量等参数输入模型中，通过调整有关参数，来拟合出各观测点的地下水位。实测水位的拟合效果可见表3。从表3可见，枯水期计算的水位值与实际观测得水位值十分接近，拟合程度较为理想。

表3　重点监测孔拟合误差情况(2013年12月)　m

2.6等水位线图及地下水流向分析

2013年12月(枯水期)等水位线图如图2所示。从图中可知：①该地区的地下水流向大致由东北向西南，这也是未来废水中污染物的主要迁移方向。②评估区西侧有一个较大的水位降落漏斗，漏斗中心为位于新和华侨农场北侧的1#水井，推测是因为该井抽水量过大(每天近1 000 t)所致。③评估区南侧的通康地下河(图2中黑虚线)对地下水流场有明显影响，表现出管道两侧的地下水从四周汇流入管道内。

图2　枯水期地下水等水位线图(2013年12月)

3地下水水质现状评价与预测

3.1地下水水质的现状评价

3.2地下水污染的预测评价

为了确定选矿废水中的重金属污染物的种类及其含量，对尾矿渣进行浸溶试验，根据测试结果可知，尾矿渣被水淋滤后，淋滤液中Cu，Pb，Zn，Cd，As，Cr，Hg等7种重金属元素的含量均未超过《生活卫生饮用水卫生标准》。可见，拟建选矿项目的废水引发地下水重金属污染的危险性极小，故不需要对地下水的污染规律进行溶质运移的模拟和预测。

4结论和建议

(1)地下水流场的数值模拟显示，调查区的地下水流向大致由东北至西南，项目废水中的污染物也将从厂区下方的含水层向西南方向迁移，最终流从模拟区西南角流到黑水河内。

(2)根据尾矿渣的淋容试验结果，选矿废水中的重金属含量甚低，未超标，故判定选矿废水对含水层的重金属污染风险性极小。选矿废水的污染指标主要是固体悬浮物和生活废水中的COD，BOD等指标。

(3)为防止生活污染，建议把生活废水先进行净化再外排；为防止地表水和表土层被重金属微粒所污染，建议在厂区修建三级尾矿池，还可在尾矿池中投加熟石灰，提高废水pH值，促使重金属转变成氢氧化物沉淀。

参考文献

[1]ZHOU Yanyu. Numerical groundwater modeling in a small karst watershed of the Southwest China[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2011(4):43-51.

[2]HONG Shuna, LAN Junkan, CHEN Lina,et al. The Preparation of Contour Maps of Groundwater Table in Karst Based on GMS[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2013,29(29):113-117.

[3]REZA Ghasemizadeh, FERDINAND Hellweger,CHRISTOPH Butscher, et al. Review: groundwater flow and transport modeling of karst aquifers, with particular reference to the North Coast Limestone aquifer system of Puerto Rico[J]. Hydrogeology Journal,2012,20(8):1441-1461.

[4]YI Lixin, XU He. Application basis and examples of Numerical groundwater modeling[M].Beijing：Chemical Industry Press,2009.

[5]XUE Yuqun. Groundwater dynamics [M]. Beijing: geological publishing house, 1997:45-50.

夏源，男，1982年生，贵州遵义人，博士，副教授，研究方向为地下水数值模拟、分数阶对流-弥散方程。

(收稿日期：2015-06-23)

作者简介程亚平，男，1978年生，安徽桐城人，博士研究生，讲师，研究方向为地下水污染治理与修复、水资源利用与评价。

*基金项目：国家自然科学基金(41302197)，广西教育厅科研项目(201106LX229)，广西重点实验室研究基金(桂科能1401Z003)，广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划项目。