铜陵焦冲金硫矿地下水环境影响预测与评价

邓广柱，张振飞，管斌

（安徽省地质矿产勘查局321地质队， 安徽铜陵 244000）

1 工程概况

该矿为采选联合生产矿山，开采矿种为金矿、硫铁矿。矿山采用地下开采方式，竖井开拓方案，自上而下开采。建设及运营期地下水污染源主要是生产废水和生产固废，即尾矿库水和废石淋溶水。

2 评价区地质背景

2.1 地形与地貌

评价区总的地势是中间高两侧低，中间山体总体走向北东，山顶呈园圆顶状，最高点大尖山标高267.7m，一般120～200m，北西侧谷地最低点标高21.3m，南东侧谷地最低点标高28.8m，地势高差较大，地形坡度一般18°～33°，有利于地表水的自然排泄。

评价区地貌类型为丘陵，微地貌有高丘和山前斜地。其中高丘分布于中部，标高50～267.7m，丘顶浑圆，坡度18°～33°；山前斜地分布于东西两侧坡麓地段，地面标高28～50m，主要由第四系坡积粉质黏土、含碎石粉质黏土组成。

2.2 地层

评价区地表出露地层为三叠系中统分水岭组、南陵湖组及下统塔山组，深部钻孔揭露有三叠系下统小凉亭组、二叠系上统大隆组、龙潭组和下统孤峰组、栖霞组、石炭系上中统黄龙船山组、泥盆系上统五通组。

2.3 评价区所处的水文地质

评价区位于大通-顺安复向斜次级青山背斜中段，总体含水特征为背斜贫水，向斜富水。该复向斜形成丘陵区，其西北部和东南部分别为铜官山背斜和天屏山背斜形成的低山区，构成了区域地表分水岭。

2.4 地下水补给、径流、排泄条件

大气降水为区内地下水的补给水源。降水入渗后，在低山丘陵区由于沟谷切割，一部分涌出地表成泉，径流较短；另一部分沿断裂、层面、溶隙等通道汇入向斜盆地形成区域地下水径流。泉是区内地下水的主要排泄方式。矿山排水和供水井开采是区内地下水的另一排泄方式。

3 地下水影响预测与评价

3.1 矿坑涌水量预测

3.1.1 充水因素分析

矿区含水层在垂向上富水程度差异明显，塔山组、小凉亭组富水程度弱-中等，赋存于标高-200m之上，是深部巷道充水的补给来源；其下大隆组、龙潭组、孤峰组富水程度弱-极弱，视为相对隔水层，局部少量的导水裂隙是上部地下水的下渗通道；栖霞组富水程度弱-极弱，矿体产于其中，为矿坑直接充水水源。

3.1.2 边界条件

在垂向上由于大隆组、龙潭组、孤峰组相对隔水层的阻隔，浅部地下水与矿坑充水联系不大。栖霞组大理岩含水层为直接充水源，其与周边围岩的富水性相差较小，故在平面上可视为无限补给边界。

3.1.3 矿坑涌水量计算

Ⅰ号主矿体分布在26～33线之间及两侧，主要赋存于二叠系下统栖霞组上硅质层及其下部1～10m处，以及闪长玢岩与栖霞组接触带部位。经过多年开采，现有巷道分布标高为-340～-580m，矿山井下排水先由泄水井下放至-580m中段，再集中排出地表。未采矿体分布在-580m中段下方，与已采矿体的开采技术条件相似，采用水文地质比拟法预测矿坑涌水量，以近五年 -580m中段平均涌水量1045.77m3/d作为正常涌水量比拟，以近五年中最大涌水量1211.62m3/d作为最大涌水量进行比拟。

用比拟法选用公式：

式中：Q-580：-580m中段矿坑涌水量；S-580：-580m中段水位降深，取627.7m。

计算结果见表1：

3.2 矿坑排水影响预测

表1 中段涌水量计算一览表Table 1 Calculation of water inflow in the middle section

3.2.1 矿区地下水位影响预测

随着开采深度的增加，深井水位也不断地下降，降落漏斗的范围也不断扩大[1]。根据单井影响半径经验公式：R= 10S√K，计算参数：S取907.7m，K取0.0127m/d（相邻矿山深部含水层渗透系数）。经计算，矿山-820m以下中段排水所形成的降落漏斗半径为1023m。由此可见，在以矿山开拓系统为中心、半径为1023m范围内地下水位将会不同程度的下降，在矿山开拓系统中心部位，地下水水位已降至底板，在降落漏斗边缘地下水位下降较小，在其外围的地下水位不受矿山排水影响。

3.2.2 民井水位影响分析

现场调查结果表明，在地下水水位降落漏斗影响范围内没有集中的地下水饮用水源及保护区，周围居民均以自来水（长江水）作为饮水水源，原有的民井多作为绿化、清洗等用水。由于民井主要分布在背斜的北西翼，与矿山开采系统中心直线距离大于1250m，处于矿山排水降落漏斗范围之外。因此，矿坑排水对周边民井水位影响较小。

3.3 水文地质概念模型的建立

根据评价区的岩性、构造、水动力场、水化学场的分析，确定了概念模型的要素[2～3]。

3.3.1 模拟范围

地下水环境影响预测的模拟范围以尾矿库为中心，东侧以地表分水岭为界，北部以佘家大院为界，西部以牌坊村和田畈村为界，面积约0.6km2。

3.3.2 含水层概化

模拟区大体以青山背斜轴线为界限划分为东部和西部两个水文地质单元。模拟区范围主要是在西部水文地质单元，根据地下水的赋存形式及含水介质的不同，西部水文地质单元在空间上呈现为：浅部为第四系粉质黏土夹碎石孔隙含水层，下伏灰岩裂隙岩溶含水层，空间上表现为潜水。因此，将模拟区范围内含水层空间上概化为一层，即潜水含水层。

3.3.3 边界条件

模拟区东侧地下分水岭为边界，概化为零流量边界；北侧为流入边界；南侧及西侧为流出边界。含水层上边界为降雨补给、蒸发排泄边界，上边界地表高程根据地形图进行刻画。下边界为隔水边界，下边界高程根据钻孔资料进行刻画。

3.4 水流数学模型

综合模拟区地层岩性、地下水类型、地下水补径排特征、地下水动态变化等水文地质条件及模拟区水均衡分析等，在现有资料的基础上，可将模拟区地下水流系统概化成非均质各向异性、空间单层结构、三维非稳定地下水流系统，用下列的数学模型表述：

式中：

Ω—地下水渗流区域；

H—地下水水头（m）；

S1—模型的零流量边界；

S2—模型的流量边界；

Kxx，Kyy，Kzz—分别为x，y，z主方向的渗透系数（m/d）；

w—源汇项，包括降水入渗补给等（m3/d）；

q（x,y,z） —第二类边界单位面积流量函数（m3/d）；

n—边界S2上的外法线方向。

3.4.1 网格剖分

本次模拟采用有限差分软件GMS对模拟范围进行剖分。网格剖分的疏密对计算的精度和效率有重要的影响。在平面上将研究区剖分为50行×50列，在垂向上为层的矩形网格，共计2500 个单元格，其中2146个为有效单元格。

3.4.2 源汇项的处理和确定

所谓源汇项是指地下水系统接受的补给与排泄，矿区地下水补给量主要为大气降水入渗补给量、侧向径流补给量，排泄量主要为矿山排水、潜水蒸发量、侧向径流排泄量。

影响降水入渗补给量的主要因素是降水量、潜水水位埋深和包气带岩性。降水入渗补给是矿区获得补给的主要方式。降水入渗补给量采用如下计算公式：

式中：

Q降为降水入渗补给量，104m3/a；

p为年降水量，mm；

α为降水入渗系数，无因次；

F为降水入渗计算面积，km2。

3.4.3 水文地质参数分区及初值

矿区水文地质参数主要包括渗透系数、给水度、降水入渗系数、潜水蒸发系数。水文地质参数只作为模型的初始值，模型识别后方为最终值。

3.4.4 模型的识别与验证

模型的识别与检验过程是整个模拟工作中极为重要的一步，模型识别检验是一个不断调节水文地质参数、使模型结果尽可能与实际调查资料相吻合的过程。模型识别与检验的主要原则为：①模拟的地下水流场要与实际地下水流场基本一致，即模拟的地下水流场要与实测地下水流场的形状相似；②模拟的地下水水位的动态变化要与实测的地下水水位动态变化基本一致；③从水均衡的角度出发，模拟的各源汇项的均衡量要与实测的量相符；④识别的水文地质参数要符合实际的水文地质条件。

3.5 溶质运移数学模型

3.5.1 模型建立

（1）控制方程：

（2）初始条件。污染源概化为补给浓度边界，将补给浓度边界的初始浓度定为C0，其余地方均为0mg/L，具体表述为：

（3）边界条件。本次模拟将含水层各个边界均看做二类边界条件（Neumann 边界），且穿越边界的弥散通量为0，具体可表述为：

式中：Γ2为Neumann边界。

3.5.2 事故情景设计

矿区潜在的地下水污染源主要包括选矿水池、尾矿库等含重金属或类金属液体的场地。在设计可能出现的事故情景时，重点考虑尾矿库底部防渗系统泄露对地下水产生的污染。地下水预测评价的风险源选择尾矿库，污染因子选择As。事故情景设计为：非正常状况下，尾矿库防渗系统破裂情况下废水泄漏。

3.5.3 模拟条件概化

在模拟中，将上述情景的污染源设定为浓度边界，污染源位置按实际情况概化。预测原则为风险最大原则：在模拟污染物扩散时不考虑吸附作用、化学反应等因素，重点考虑地下水的对流、弥散作用。

3.5.4 模拟时段设定

总时段设为30年，一共10950天。具体到每一个情景时，则视污染物泄漏时间、扩散时间及扩散范围而定。扩散时间较长的，以100天或1000天为时间步长来预测；扩散时间较短的，以10天等不同的时间步长来预测。

3.5.5 溶质运移参数

纵向弥散度参数值取8。根据经验，横向弥散度取值应比纵向弥散度小一个数量级。在防渗系统破裂的情况下，废水以包气带的饱和渗透系数速度下渗。选择As为预测因子，泄露污染物浓度为0.454mg/L。考虑最不利情况，将污染源概化为定浓度连续点源污染，在其下游设置地下水动态监测点，通过模拟试算，废水泄漏引起的地下水污染将在泄漏后的60天内被监测到，因此将发现污染物泄漏并采取措施停止泄漏的时间确定为2个月。

3.5.6 溶质运移预测结果及评价

在溶质运移模型中，泄漏点设为补给浓度边界，泄漏源强通过Well子程序包及point source子程序包实现，As的初始浓度为0.454mg/L，模拟期为30年，利用MT3DMS软件包运行水质模型，得到As的运移扩散结果，见图1～图4。

以上各图分别给出了泄漏后90天，停止泄漏后100天、1000天、30年，As在含水层水平方向上的运移范围。按照《地下水质量标准》（GB/T14848-93）中III类标准，As的标准限值为0.05mg/L，各图中污染范围的外边界即为0.05mg/L。 As污染晕中心的运移扩散情况及浓度变化情况见表2。

上述分析结果及模拟图件可知， 尾矿库的废水泄漏后，其下游监测井中的As浓度在第60天时即可达到0.05mg/L，超过《地下水质量标准》（GB/T14848-93）中III类标准，最大扩散距离达20m。如果2个月内控制住污染源，考虑最不利因素，含水层中的污染物仅在水流稀释的作用下，浓度逐渐下降，泄漏后第30年污染晕中心浓度达到0.0012mg/L，污染物的最大扩散距离没有超过其下游150m范围。根据模拟结果，尾矿库下游民井在污染物泄露1500天时浓度为0.040mg/L，受到污染物泄露的影响较小，满足标准的要求。

表2 As的迁移扩散预测结果Table 2 Migration and diffusion prediction results of As

4 结论及建议

图1 防渗破裂时废水泄漏100天后，As在含水层中的扩散（外边界为标准限值）Fig.1 Diffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 100 days after waste leakage from breaks of antiseepage system

图2 防渗破裂时废水泄漏1000天后，As在含水层中的扩散（外边界为标准限值）Fig.2 Ddiffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 1000 days after waste leakage from breaks of antiseepage system

图3 防渗破裂时废水泄漏30年后，As在含水层中的扩散（外边界为标准限值）Fig.3 Ddiffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 30 years after waste leakage from breaks of anti-

图 4 尾矿库下游民井处污染物的浓度随时间变化示意图Fig.4 Schematic diagram of pollutant concentration changing with time in the residential wells downstream of tailings pond

（1）调查评价区矿坑排水对矿区地下水位和周边民井水位影响较小。

（2）调查评价区污染源主要是矿山废石堆场和尾矿库。

（3）根据调查评价资料，将模拟区地下水流系统概化成非均质各向异性、空间单层结构、三维非稳定地下水流系统，采用GMS中的MODFLOW和MT3D软件，联合运行水流和水质模型，设置可能出现的事故情景进行分析预测。在非正常状况下，尾矿库、选矿厂等防渗系统破损后，废水泄露会对地下水产生影响。当废水泄露60天以后被监测井发现并采取措施后，含水层中的污染物仅在水流稀释的作用下，浓度逐渐下降，泄漏后第100天、1000天、30年污染物最大扩散距离分别为35m、128m、150m，污染物浓度低于《地下水质量标准》（GB/T14848-93）中III类标准。尾矿库下游民井在污染物泄露1500天时浓度为0.040mg/L，受到污染物泄露的影响较小。

（4）针对矿山地下水环境保护现状，提出以下地下水污染防控措施与对策。主要包括：各工业场地、管道、设备、污水储存等设施应做防渗措施，从源头控制；将尾矿库、选矿厂划为污染重点防治区，主井工业场地、风井工业场地、生活服务和行政办公区等划为污染一般防治区，进行分区防控；建立尾矿库下游地下水监控体系，共布设6眼地下水监测井，及时发现地下水水质污染，及时控制；制定地下水污染应急响应预案，一旦出现地下水污染事故，立即启动应急预案和应急处置办法，控制地下水污染[4]。