基于溶质运移模拟的某磷矿污染物迁移预测

韦澧佩，张 强，李太双，秦 榛，刘亚飞

(成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059)

基于溶质运移模拟的某磷矿污染物迁移预测

韦澧佩，张 强，李太双，秦 榛，刘亚飞

(成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059)

矿山开采过程中所产生的矿坑排水含有一定的有害物质，给周围地区的地下水环境质量造成了一定的影响。以四川省某磷矿为研究对象，运用地下水溶质运移分析法和Visual Modflow软件溶质运移模拟模块对磷矿区污染物在地下水中的迁移范围和迁移趋势进行了模拟预测分析，结果表明在不考虑污染物在迁移过程中受到土壤和微生物影响的情况下，污染物总体迁移范围不大，污染物随着地下水迁移，总体向金沙江方向扩散，并且浅层地下水与深层地下水具有稳定隔水层，水力联系较弱，污染物不会通过上覆含水层进入深层地下水含水层。

Visual Modflow；磷矿；数值模拟；地下水

1 水文地质概况

研究区主要出露地层以震旦系灯影组白云岩和寒武系筇竹寺组页岩、泥岩和粉砂岩为主。研究区为牛牛寨背斜的西翼，大坪子向斜东翼，主要由震旦系上统和寒武系下统地层组成单斜地层，地层走向呈南北向，呈总体倾向西的单斜产出。

研究区地处亚热带季风性山地气候区，属于金沙江水系，研究区南部为溜筒河，东部为金沙江，地形北西高，南东低，最低为金沙江江面。溜筒河由西向东汇入金沙江，大气降水入渗率较小。全年平均降雨量946 mm，多年平均蒸发量864.8 mm。研究区地表水径流排泄通畅，多为季节性沟谷，预计有水雨后多为干沟，流量受降雨控制。地表无常年流水和水体，地下水主要接受大气降水和河流侧向补给，地下水的补给、径流、排泄受大气降水、构造、森林覆盖等影响，金沙江为排泄基准面。研究区相对隔水层主要为寒武系筇竹寺组的页岩、泥岩，其次为寒武系西王庙组的粉砂质泥岩夹细砂岩、沧浪铺组的石英砂岩夹泥岩。页岩的黏合性好，裂隙不发育，地下水不容易渗透，隔水性能好，可视为隔水层。

区内含水层根据其赋存地质条件，按岩性、岩层的富水性程度主要划分为松散岩类孔隙含水岩组，碎屑岩裂隙潜水含水岩组，碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组。研究区主要含水层为碳酸盐岩中的裂隙岩溶水，由于研究区属大坪子背斜西翼的单斜构造，断裂及次级节理、裂隙比较发育，岩溶水的自补给区向排泄区运移一般要经过隙流、隙脉流、脉管流、管流等过程，对地下水的补给、排泄有利，但由于受到寒武系筇竹寺组页岩、粉砂岩和震旦系中的硅质层隔水层的阻挡，横向穿层困难。

2 水文地质模型

2.1 地下水溶质运移解析法

污染物用一定质量浓度条件的式(1)来评价污染物扩散过程。采用一维半无限长多孔介质柱体，一端为一定质量浓度边界的一维稳定流动一维水动力弥散模型，当取平行于地面方向为x轴，流速方向为正时，则求取污染物质量浓度的分布。

(1)

式中：x为距污染物注入点的距离，m；t为时间，d；C(x，t)为t时刻x处的示踪剂质量浓度，mg/L；C0为注入的示踪剂质量浓度，mg/L。因评价区现状地下水水质达到地下水Ⅲ类标准要求，因此示踪剂质量浓度取1 mg/L；u为水流速度，取2.76×10-7m/d；DL为弥散系数，m2/d，根据《水文地质手册》，取0.25 m2/d；erfc()为余误差函数。

2.2 地下水数学模型

当模拟计算过程中不考虑地下水本身密度改变的情形下，在工程区或岩土介质中地下水在含水层内三围空间中的流动情况可以通过式(2)所示偏微分方程来表达：

(2)

式中：Ω为地下水渗流区域；S1为模型的第一类边界；S2为模型的第二类边界；kxx，kyy，kzz分别为x，y，z主方向的渗透系数(m/s)；w为源汇项，包括降水入渗补给、蒸发、井的抽水量和泉的排泄量(m3/s)；μs为弹性释水系数(1/s)；H0(x，y，z)为初始地下水水头函数(m)；H1(x，y，z)为第一类边界地下水水头函数(m)；q(x,y,z,t)为第二类边界单位面积流量函数(m3/s)。

模拟计算所采用的MODPATH的质量方程可用有效孔隙率以及基岩裂隙率和地下水的渗透速度表达式：

(3)

式中：Vx、Vy、Vz为线性流动流速矢量在坐标轴方向的分量[LT-1];n为含水层有效孔隙率[%]；w为含水层内部单位。

2.3 研究区域范围

研究选取的范围以整个磷矿采区为中心，研究区下边界与右边界均为河流边界，左边界与上边界为自然分水岭，以分水岭往外扩展范围，划定整个磷矿区为中心，研究区为完整的水文地质单元。模型研究范围东西长9 409 m，南北宽9 541 m，将污水排放处进行单元细分，共划分出63×62个单元，模型深度400～2 800 m。建立研究区模型范围及网格划分如图1所示。

2.4 研究区边界概化

研究区整体的地下水流向自西北向南东，水力梯度较大，径流速度较快，南边的溜筒河与东边的金沙江概化为河流边界，西北部为区域分水岭，可概化为定水头边界，将金沙江以东、溜筒河以南作为无效边界处理，具体模型参数见表1，边界条件设置图如图2所示。

表1 河流边界输入参数取值

图1 研究区域范围及网格划分图

图2 边界条件设置图

2.5 研究区污染源设定

根据研究区相关资料，磷矿区总服务年限44 a，其中一期持续生产时间26 a，二期持续生产时间10 a，一期、二期衔接期1 a。磷矿区内矿体共分为两期开采，一期开采1 130 m标高以上矿体，二期开采1 130 m标高以下矿体。磷矿一期持续服务时间9 490 d，采场内坑内涌水汇集至各中段水沟，经回风上山、通风上山、斜坡道汇集至1 368排水平硐与1 128主平硐；二期持续服务时间3 650 d，采场内坑内涌水汇集至各中段水沟，经回风上山、通风上山、斜坡道汇集至798主平硐水沟与770排水平硐排至坑外。平硐具体位置见表2。

基于矿区服务年限长，一期、二期开采时间长，在基于关键时间点的情况下，本次数值模拟将只进行一期开采5 a、10 a后总磷迁移情况预测。

表2 排水平硐位置坐标

3 预测结果分析

应用地下水数学模型和溶质运移模型，得到污染物总磷运移的预测结果。图3是总磷在不同x处时间和质量浓度关系曲线图，图4表示的是研究区投入使用后总磷在5 a、10 a之后在水平方向和垂直方向上的迁移情况，研究区地下水执行GB/T 14848—1993《地下水质量标准》Ⅲ类标准，总磷排放执行GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级标准，总磷最高允许排放质量浓度为1.0 mg/L。随着时间的推移，污染羽范围不断扩大，总体趋势是随着地下水水流方向向金沙江方向迁移。总磷在5 a后主要迁移范围在排水平硐与耐巴石村附近，污染羽向着核桃坪方向移动，迁移半径达100 m，中心区域最大质量浓度达0.407 5 mg/L，前缘质量浓度为0.000 1 mg/L；10 a后污染羽范围扩大，迁移半径达到140 m，到达核桃坪附近，中心区域最大质量浓度达0.434 3 mg/L，前缘质量浓度为0.000 1 mg/L，污染物总体向金沙江方向移动。

4 结果与讨论

1)以磷矿相关水文地质资料为依据，通过对其区域范围以及边界条件的概化，获得磷矿区地下水数值模型。通过添加溶质运移模拟模块(MT3D)模拟污染物在矿区投入使用5 a、10 a后的迁移状态，获得总磷总体迁移趋势，为今后矿山进行环境管理与污染修复提供了资料支持。

表3 总磷迁移距离预测结果 单位：mg·L-1

图3 总磷在不同x处时间和质量浓度关系曲线图

图4 5 a和10 a后总磷迁移情况预测结果

2)研究区包气带主要岩性为人工填土、粉质黏土，防污能力中等且矿区废水污染物种类较多，浅层地下水与深层地下水之间有稳定的隔水层，水力联系较弱，污染物不会通过上覆含水层进入深层地下水含水层。

3)根据预测结果，污染物迁移随着地下水而迁移，总体向金沙江方向扩散，在迁移过程中随着时间变化，总磷污染羽中心都在随着地下水的流向迁移，污染范围逐渐增大。5 a后污染羽迁移距离达100 m，中心区域最大质量浓度达0.407 5 mg/L；10 a后达到150 m，中心区域最大质量浓度达0.434 3 mg/L。金沙江为本区域最低排泄基准面。

4)总磷可对下游耐巴石村和核桃坪地下水造成污染，但由于其迁移较慢、影响范围有限，加之本次预测并未考虑总磷在迁移过程中受到土壤和微生物的吸收，总体污染范围不大。

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TheMigrationPollutantsPredictionofaPhosphateRockBasedonSoluteTransportSimulation

WEI Li-pei，et al.

(CollegeofEnvironment&CivilEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China)

Mine drainage in the process of mine mining contains certain harmful substances，which has a certain influence on the quality of groundwater environment in the surrounding area.The method of solute transport and visual-Modflow software solute transport simulation module of ground water have been used to simulate，predict and analyze the migration range and migration trend of the pollutants in groundwater.The results show that in the absence of pollutants in the process of migration by the soil and micro-organisms，the overall range of pollutants is not large，with the groundwater migration，the overall direction of the pollutants is to spread to the Jinsha River，and there is a shallow stable water layer between groundwater and deep groundwater.The hydraulic connection is weak，and the pollutants can not pass through the overlying aquifer into the deep groundwater aquifer.

Visual-Modflow；phosphate rock；numerical simulation；groundwater

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.019

2017-06-20

韦澧佩(1992-)，女(壮族)，广西凤山，硕士 主要研究环境与水文地质。

P5

A

1009-8984(2017)03-0080-04