尾矿库重金属污染物对地下水污染的模拟预测

贾惠艳，孙美娜，高红江，李秀博，王开君

(1.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；2.中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁 盘锦 121000；3.辽宁省第四地质大队，辽宁 阜新 123000)



尾矿库重金属污染物对地下水污染的模拟预测

贾惠艳1，孙美娜2，高红江1，李秀博2，王开君3

(1.浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315100；2.中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁 盘锦 121000；3.辽宁省第四地质大队，辽宁 阜新 123000)

[摘要]对某金矿尾矿库浸出液中的污染物在地下水中的运移规律进行预测分析。论文以浸出液中重金属污染物锌、铅、砷、丁基黄药污染因子作为溶质，建立污染因子随地下水流运移和弥散模型，利用Visual Modflow4.2软件进行模拟分析，预测得出尾矿库建成1年、2年、5年和10年后，尾矿库附近和5个水质监测点附近地下水中锌、铅、砷和丁基黄药浓度分布特征。其中锌、铅和丁基黄药等3类污染物在尾矿库及所在冲沟对地下水影响较为明显，砷在尾矿库和监测点附近的影响都不大，满足相应规范要求。

[关键词]金矿尾矿库；地下水；污染物；运移预测

金矿尾矿库浸出液中含有大量的氰化物、氯化物以及锌、铅、砷等重金属污染物，这些污染物可随浸出液渗入到地下，对土壤及地下水造成污染，并通过地下水的径流、排泄将污染物扩散，使尾矿库周边一定范围内的土壤、地下水受到污染，有的甚至会引起尾矿库下游水体污染，直接影响尾矿库周边居民的正常生产、生活，威胁生命安全[1-2]。这种污染具有潜伏性、不可逆性、长期性和治理与修复困难的特点，因此在尾矿库修建之前有必要对尾矿库周边及下游水体进行地下水污染预测研究，这对保护矿区周围地下水和土壤不受污染有重要的理论和现实意义[3]。某金矿为了处理尾矿，拟在金矿附近沟谷中修建一个尾矿库，因尾矿浸出液中含有重金属污染物锌、铅、砷和丁基黄药等污染物且浓度较高，尾矿库投入使用后，会使尾矿库及周边一定范围的地下水受到不同程度的污染。为在建库之前对污染情况做出客观评价，本文利用Visual Modflow4.2模拟软件对尾矿库重金属污染物在地下水中的运移进行预测研究，为该矿尾矿库建设提供科学依据。

1研究区水文地质条件

拟建尾矿库位于低山丘陵沟谷中，研究区内有第四系松散孔隙潜水和太古界基岩裂隙潜水。其中第四系岩性为坡、洪积砂砾石，厚度在0.3～1.8 m之间，渗透性较好。太古代混合花岗岩伏于第四系砂砾石之下，受风化作用影响，自上至下分为强风化层、中风化层、微风化层和未风化原岩四个层带：强风化层厚度在0.7～1.3 m之间，岩石结构严重破坏，裂隙较发育，渗透性较好；中风化层厚度在5.6～6.0 m之间，岩石结构部分被破坏，风化裂隙较发育，渗透性好；微风化层岩体完整，发育少量风化裂隙，渗透性差。

图1　研究区范围及边界概化示意图

2地下水污染物运移预测

2.1水文地质模型概化

根据研究区含水层介质特点，确定研究为第四系松散层孔隙和太古代混合花岗岩裂隙构成的潜水含水层组。确定以冲沟为中心东北部外扩20 m，向西南外扩15 km的地下水水位比较稳定的区域作为研究区，研究区面积约50 km2。假设研究区地下水径流严格受地势控制，由尾矿库库区通过中部低洼地带汇入沟谷最后流向南侧河流，依据库区及周围5个村庄井点多年监测，地下水未受到污染，水质满足《地下水质量标准(GB/T14848-93)》Ⅲ类地下水的要求。根据上述分析和假定条件概化为水文地质模型，见图1。模型南边以河流为边界，模型的西、北、东三侧设为给定流量补给边界，并采用达西断面法计算给定流量。模型上边界为自由潜水面，作为给定水头边界，其边界条件由大气降水入渗、蒸发排泄等因素确定；下边界设在位于地表以下30 m的未风化混合花岗岩中，基本无水量交换，因此，设为零流量边界。

表1　水文地质参数表图

图2　2012年6月计算地下水位

图3　2012年12月计算地下水位

2.2地下水流数学模型的建立

研究区地下水为非均质、各向异性、稳定三维潜水流动系统，其数学模型为[4-5]：

(1)

式中：H为地下水水头(m)；Kxx，Kyy，Kzz为x，y，z方向主渗透系数(m/d)；b为潜水含水层底板标高(m)；p为含水层源汇项(m/d)；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；H0为含水层初始水头(m)；Ω为渗流区域；H1为一类边界水头(m)；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。

图4　计算水位与观测水位校正图

注：图中白色区域表示无稳定地下水潜水面区域，下同。

图5　1年后锌污染晕分布图

利用Visual MODFLOW中的Grid模块对计算区进行自动剖分，并在研究区内五个监测点处进行了网格加密[6]。将模拟期分别定为1 a、2 a、5 a和10 a，以1个月为时间段(Period)，10 d为一个时间步长(Time steps)。研究区地下水的补给来源，通过有效降雨入渗补给和侧向渗流计算得出，地下水的排泄量通过实际调查获得。结合《水文地质手册》及勘察报告中实测渗透系数，确定研究区岩土体水文地质参数见表1。

图6　10年后锌污染晕分布图

图7　1-10年监测井锌浓度变化

2.3模型识别与验证

为了确保建立的模型能够正确地反映研究区的流场变化，达到与实际情况接近拟合的效果[7]。将2012年1月至2012年12月这个长时间序列作为模型的识别期和验证期。通过模拟计算得出2012年6月、12月的等水位线图(图2-图3)，图中等水位线的分布趋势反映了本区地下水流场的基本特征，即地下水由地势较高向较低区域流动，最后汇集于低洼沟谷中。收集研究区内的3个地下水位观测孔观测资料，3个孔的水位在31.0～34.8 m，而模型计算水位在33.4～34.76 m，计算水位与观测水位平均误差为0.7 m，所有观测点水位都是处于95%置信度区间内(图4)，可认为模型参数设置良好，达到精度要求，能作为污染源运移的计算模型。

图8　1年后铅污染晕分布图

图9　10年后铅污染晕分布图

图10　1-10年监测井铅浓度变化

2.4污染物迁移数学模型建立

2.4.1模型建立

根据研究区的实际情况建立污染物迁移数学模型[8]：

(2)

式中：θ为介质孔隙度；Ck为溶质K的浓度(ML-3)；t为时间(T)；xi，j为在直角坐标系下沿各方向上的距离(L)；Di，j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，+代表源，-代表汇(T-1)；Csk为源汇项中K的浓度(ML-3)；∑Rn为化学反应项(ML-3T-1)；Ω为为研究区空间区域；t为时间(d)。

图11　1年后砷污染晕分布图

图12　10年后砷污染晕分布图

地层纵向弥散度横向弥散度第四系101强风化混合花岗岩202中风化混合花岗岩50.5微风化混合花岗岩0.50.05

图13　1-10年监测井砷浓度变化

图14　1年后丁基黄药污染晕分布图

2.4.2溶质运移参数选取

随着互联网和云计算技术的急速发展和普及，云计算在提高使用效率的同时，为数字内容安全和用户个人敏感信息保护带来了很大的挑战。

根据相关部门提供尾矿浸出液监测数据及研究区前人研究成果[9]，锌、铅、砷、丁基黄药分别设定初始浓度为1 414 mg/L、2 260 mg/L、1 mg/L、1 mg/L，分配系数为1、5、2、10，尾矿库的补给浓度为63 m3/d，弥散系数见表2。

2.5预测分析

当浸出液中锌浓度为1 414 mg/L时，尾矿库建成后1年，库中心地下水中锌浓度达到1.6 mg/L(图5)；2年后达到1.8 mg/L；5年后达到2.5 mg/L；10年后达到4 mg/L(图6)。而5个水质监测点只有Obs.2锌浓度有小幅上升，但在10年内，研究区内所有点地下水中锌的浓度均小于1.0 mg/L(图7)。

当浸出液中铅浓度为2 260 mg/L时，尾矿库建成后的1年，库中心铅浓度达到2.5 mg/L，0.05 mg/L的范围到达小东沟附近，地下水中铅的污染羽如倒置的钟型(图8)；2年后库中心铅浓度达到3 mg/L，0.05 mg/L的范围分别向东西两侧略有扩大；5年后库中心铅浓度达到4 mg/L，0.05 mg/L的范围略有增加；10年后，尾矿库中心达到6 mg/L，0.05 mg/L的范围不断向东西两侧扩散，沿小东沟向东扩散的范围较向西的大(图9)。而5个水质监测点中Obs.2中铅浓度略有上升，Obs.5略有下降，其余3个监测点地下水中铅浓度较为稳定(图10)。

图15　10年后丁基黄药污染晕分布图

图16　1-10年监测井丁基黄药浓度变化

当浸出液中砷浓度为1 mg/L时，尾矿库建成后的1年，库内地下水中砷浓度最高达到0.005 2 mg/L(图11)；2年后也为0.005 2 mg/L；5年后达到0.005 8 mg/L；10年后达到0.007 mg/L(图12)；而5个监测点中，除Obs.5地下水中砷浓度略有下降外，其余4个监测的砷浓度基本保持稳定(图13)。

当浸出液中丁基黄药浓度为1 mg/L时，尾矿库建成后的1年，库内地下水中丁基黄药浓度最高达到0.001 mg/L(图14)；2年后为0.001 2 mg/L；5年后达到0.001 6 mg/L；10年后达到0.003 mg/L(图15)；而5个监测点中，除Obs.2地下水中丁基黄药浓度略有上升外，其余4个监测的丁基黄药浓度基本保持稳定(图16)。

3结语

由以上模拟结果可知，尾矿库建成10年后，尾矿库中心及周边和5个水质监测点附近地下水中，仅有砷浓度满足《地下水质量标准(GB/T14848-93)》Ⅲ类地下水的标准和《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》水质限值要求。浸出液中的锌、铅和丁基黄药等3类污染物在水质监测点(共5个)靠近尾矿库区域污染物浓度略有上升，远离尾矿库区域污染物浓度略有下降，但其浓度远小于Ⅲ类地下水要求的浓度标准(锌≤1.0 mg/L，铅、砷≤0.05 mg/L，丁基黄药≤0.001 mg/L)，所以5个水质监测点附近的地下水均满足《地下水质量标准(GB/T14848-93)》Ⅲ类地下水的标准和《生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)》水质限值要求。尾矿库及所在冲沟地下水中锌、铅和丁基黄药等3类污染物影响都较为明显，污染物沿着尾矿库所在的冲沟向下游排泄，即从南向北排向沟谷最终流向河流，随着时间的推移，3类污染物超标浓度范围不断的扩大。其中铅在尾矿库附近和所在冲沟下游地下水中浓度已达到《地下水质量标准(GB/T14848-93)》Ⅴ类地下水标准，对尾矿库周边地下水污染较为严重。因此，预测铅可能会污染河水，建议做专项调查研究。

参考文献

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[5]朱学愚,谢春红.地下水运移模型[M].北京:中国建筑工业出版社.1990: 129-183.

[6]马从安,李克民,石磊，等.Visual MODFLOW在露天矿地下水模拟中的应用[J].环境工程.2011.29(1):98-101.

[7]李竟生,姚磊华.含水层参数识别方法[M].北京:地质出版社.2003.

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[收稿日期]2015-03-14

[基金项目]国家自然科学基金，项目批准号：41202180；国家自然科学基金，项目批准号：51374124

[作者简介]贾惠艳(1975-)，女，辽宁锦州人，副教授，主要从事水文地质与工程地质方面研究。

[中图分类号]X523

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0075-05