尾矿库排放的重金属锌在厂区的迁移模拟分析

徐志成

摘要：近年来，随着矿物的开采开发，对地下水造成了严重的污染，尤其是在选矿和尾矿堆放过程中。对方的尾矿经过淋漓作用释放出重金属，重金属淋漓液经渗透进入地下水造成地下水污染。本文在北衙某尾矿堆放场地下水环境影响调查及分析的基础上，建立研究区渗流模型及污染物迁移模型，在此基础上设定不同的污染情况并进行模拟分析。研究表明重金属锌的迁移主要受含水层性质、污染物泄漏事件以及防渗工程等因素影响。

Abstract： In recent years， with the exploitation of mineral resources， groundwater has caused serious pollution， especially in the process of mineral processing and tailings stacking. The tailings releases heavy metals through the heavy rain， and the heavy metal liquid through infiltration into groundwater causes groundwater pollution. In this paper， based on groundwater environmental impact survey and analysis a the Beiya tailings disposal site， it established the seepage model and pollutant transport model in the study area， and on the basis， set different pollution conditions and took a stimulation.

关键词：尾矿；溶质运移；数值模拟

Key words： tailings；solute transport；numerical simulation

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0128-03

0 引言

随着工业化的发展，对资源的需求也来越大，矿产资源的开采造成了各种污染问题，尾矿就是其中之一。尾矿库就是用来容纳尾矿和废水的设施，同时，尾矿库也是高能污染源[1]，它一旦失事发生污染事故，将对环境造成不可估量的破坏。尾矿库环境污染主要来自尾矿废水中的各种有毒物质造成的环境污染及尾矿库溃坝造成事故造成的环境破坏。尾矿库泄露尾矿水将造成宝贵的地表水、地下水污染[2]，土壤污染等，影响生态环境的可持续发展。因此，对尾矿废水经由地下水途径对环境造成的影响进行预测和评价，从而对尾矿库的选址、设计、建造和管理提供依据。

目前广泛采用的评价方法是依据厂址相关地址数据构建地下水污染物迁移数值模型[3，4]，模拟污染物在地下水中的迁移行为，预测污染物在地下水中迁移的时间和浓度。GMS在溶质运移问题上被广泛的应用。本文应用GMS针对尾矿库区勘察数据和实验数据，对库区污染物遷移进行数值模拟，对污染物的迁移行为和所产生的影响进行预测和评价。

1 研究区环境地质条件

二选厂位于北衙盆地东部山麓分水岭西北侧山体斜坡地段，地势南东高，北西低，自然坡度介于10～25°。地下水的补给、径流、排泄主要受地形地貌、岩性和构造等因素所控制。根据地层岩性特征及赋存地下水介质的孔隙特征，将场地地下水类型划分为松散类孔隙水、岩浆岩类裂隙水及碳酸盐岩岩溶水三大类型。

1.1 松散岩类孔隙水

赋存于建设区内第四系粘性土及人工填土层中。地下水位埋较浅，一般埋深0.5～1m，受季节影响明显，透水性弱，富水性较弱，以大气降雨为主要补给源。

1.2 岩浆岩类裂隙水

分布于建设区东部，地下水主要赋存于岩浆岩的节理裂隙中，水位埋深较浅，受季节影响明显，属风化裂隙水。透水性弱。根据区域资料，泉流量0.2L/s～7.6L/s，平均1.4L/s，富水性弱。

1.3 碳酸盐岩岩溶水

为建设区主要含水层，地下水赋存于三叠系中统白衙组（T2b）地层中，地下水位较深，没有统一的地下水面。地下水主要赋存于岩体的溶蚀裂隙、溶洞及岩溶管道中，由于白衙组（T2b）碳酸盐岩溶蚀裂隙、地下溶洞等岩溶较为发育，且岩体厚度大，补给充足，地层含水层富水性极强，透水性极强。

建设区地下水补给主要由大气降水入渗补给。地下水的补给方式主要是在浅部由大气降水于地表通过第四系及裸露岩体补给孔隙水、岩浆岩类裂隙水及碳酸盐岩岩溶水。经过补给的孔隙水及岩浆岩类裂隙水受地形影响，多顺坡径流，以散溢形式于坡脚地段排泄出地表；接受补给的岩溶水则通过岩体的溶蚀裂隙、岩溶管道径流，排泄点为锅厂河中游的区域地下水排泄出口北衙暗河出口。

场区内地下水分为孔隙水、裂隙水及岩溶水。地下水主要接受大气降雨补给，孔隙水赋存于土体的孔隙中、裂隙水赋存于岩浆岩的风化裂隙中、岩溶水则赋存于碳酸盐岩岩体的溶蚀裂隙及岩溶管道中。各类地下水径流、排泄条件相差较大，孔隙水及裂隙水主要为顺坡径流排泄，并存在一定的水力，岩溶水则通过深部岩溶管道向锅厂河中游的北衙暗河出口（大泉）排泄。故建设区内地下水中孔隙水及裂隙水二者存在一定的水力联系，但与岩溶水水力联系较弱，且互为相互独立的径流、排泄条件。

2 污染物迁移数值模型

2.1 地下水水流及污染物迁移数值模型

2.1.1 地下水水流数值模型

两个方程式分别为多孔介质中渗流和污染物迁移的基本方程式，在具体的应用过程中，需要对其加以相应假设和限制，即边界条件和初始条件，即可对方程进行求解，从而获得渗流场的空间分布情况和污染物迁移情况。

2.2计算单元格剖分

根据研究区的实际水文地质结构条件及几何形状，对研究区进行网格剖分。将研究区在平面上剖分成100×100的矩形网格单元，厂区进行了加密处理，垂向上为1 层，模型顶部高程为地表标高，底部至潜水底板。有效计算单元为6478个，无效计算单元为3522个，共计10000个。其平面和垂向剖分网格見图1，图2。

2.3 模拟范围及边界条件和初始条件

本次研究区边界条件主要是基于已有调查数据，将项目区边界结合调查结果，圈定模拟区范围如图3所示，模拟区面积为2.2km2，尾矿库面积0.423km2，总体上地下水主要受大气降水补给，向东南侧排泄，整个模拟区构成一个完整的水文地质单元，而模拟区范围内深切割沟谷用GMS中的排水沟模型进行概化，西北侧和东南侧概化为定流量边界，西南侧和东北侧概化为隔水边界。

初始条件主要包括初始水头值和初始浓度，本次研究区地下水初始水头根据施工钻孔稳定水位及泉点出露位置高程，其他部位根据地形形态特征插值推测，采用克里金插值方法获得模拟区地下水等水位线如图4所示，该水头值也用做模拟计算的初始水头值。而初始浓度本次主要根据浸出液最高检出浓度锌为0.03mg/L作为模拟区泄漏初始浓度，分布于整个渣场库区范围内。将实验获取的渗透系数带入GMS模拟软件中，结合如前所概化的边界条件和初始条件，对模型进行校正及验证，最终获得模拟区稳定渗流场水头分布如图5所示。

3 泄漏和防渗工况水质模拟预测

在得到渗流场谁偷得基础上，利用MODFLOW和MT3DMS模块对污染物迁移进行模拟。联合运行水流和水质模型。针对非正常情况下的尾矿库Zn污染物泄漏情况，重点考虑了对流、弥散作用，不考虑吸附作用、化学反应等因素，将泄漏点设为补给浓度边界，进行了尾矿库Zn泄漏及防渗条件下污染物迁移模拟。

3.4.1 尾矿库Zn泄漏预测结果

Zn初始浓度设为0.03mg/L，模拟期为7200天（20年），以50为时间步长，共模拟了144个应力期。图6各图分别给出了在尾矿库底泄漏发生100天、500天、2000天、5000天、7200天后的预测结果。

从上述图6可以看出，Zn在泄露100天后整体沿着尾矿库东南侧尾矿坝下游迁移，移动距离较短，影响范围限制在尾矿坝下游，中心部分最高浓度可达到源强浓度0.03mg/L；泄露500天后仍朝南东方向尾矿坝一侧沿着地下水流方向进一步迁移，污染羽状物扩散范围有所增加，由于弥散作用，尾矿库西北侧沟谷间沿着沟谷反向弥散，羽状物向尾矿库四周扩散，但是范围有限，都在尾矿库范围周边区域数米范围之内，而东南侧沿着沟谷迁移最远距离约80m；泄露2000天后，Zn污染羽状物沿着尾矿坝东南侧沟谷扩散速度加快，污染羽状物扩散面积增加明显大于500天情景东南侧尾矿坝下游污染物沿着沟谷最远迁移距离约200m；泄露5000天后，Zn在水动力条件下继续运移，主要沿着东南侧沟谷继续迁移，但是由于沟谷下游地形较为缓和，结合稳定水头分布图也可以看出，随着水力梯度减小，污染物沿着沟谷迁移速度减小，东南侧沿着沟谷最远迁移距离约250m，比2000天情景时羽状物扩散范围增加，但是增加速度减缓；而7200天后Zn污染物还在不沿着东南沟谷迁移扩散，同样由于沟谷下游水力梯度减小，扩散速度减慢，羽状物形态与5000天情景相差不大，沿着东南侧沟谷最远距离有所增加，约为280m。

3.4.2 防渗条件下污染物模拟结果

正常工况且人工防渗发挥作用的渗漏条件下，尾矿库正常持续泄漏。尾矿库设计防渗层渗透系数小于10-12cm/s，为最大限度地预测污染物运移扩散情况，故正常工况并考虑人工防渗发挥作用下，防渗层整体渗透系数取1.0×10-7cm/s，本着风险最大原则，Zn初始浓度0.03mg/L，考虑尾矿库淋溶液年存渗滤液的时间按365天计算。联合运行水流和水质模型，得到Zn扩散预报结果，图7各图分别给出了在尾矿库底泄漏发生100天、500天、2000天、5000天、7200天后的预测结果。

从图7中可以看出，在尾矿库进行防渗条件下，污染物仅仅在尾矿库底部发生微量聚集，在7200天后在尾矿库底部部分区域浓度达到0.00088，但仍然远远低于0.05mg/L。因此说明，在防渗设施较好条件下，污染物发生泄漏导致地下水污染的风险较小。低浓度的Zn污染羽状物扩散趋势与情景1类似，主要是沿着尾矿坝东南侧沟谷方向迁移，但浓度均较低，迁移距离较短。

4 结论

①利用GMS构建概念模型，再通过概念模型构建数学模型，可以有效地模拟尾矿库地下水流场分布，研究污染物在地下水中的迁移行为，掌握其迁移规律和影响状况。②模拟结果表明在良好防渗设施条件下，污染物泄露导致的地下水污染风险较小。

参考文献：

[1]贾娟.岩溶山区某尾矿地下水污染评价与治理方案研究[D].成都理工大学，2012.

[2]梁文寿，覃朝科.某铅锌尾矿库周边地下水污染特征与评价[J].北方环境，2013，11：156-158.

[3]薛禹群，谢春红.地下水数值模拟[M].北京科学出版社，2007.

[4]Lautz LK， Siegel DI. Modeling surface and ground water mixing in the hyporheic zone using MODFLOW and MT3D[J]Advances in Water Resouces 2006，29（11）：1618-1633.