平面连续点源模型模拟某尾矿库中铜、锌、铅的迁移情况

朱时佳，孙艳玲，张丽玲

吉林省地质调查院，吉林 长春 130102

0 引言

矿产开采是人类生存和发展的重要活动，Pb、Zn等金属在生产中的为人类的生活带来了巨大便利。然而在采选矿物的过程中，会使用到CuSO4等淋选药品，淋选后的矿渣将与残留的淋溶液一同排入尾矿库。某地现有一座使用中的尾矿库，该湿排尾矿库的底部具有防止污染物泄漏的防渗层，通过理论分析和多年监测结果可知尾矿库底部不会出现渗漏影响地下水水质。然而在极限情况下，该防渗层存在局部渗漏的可能。本文主要探讨在模拟防渗层局部渗漏的情况下，选择具有代表性的重金属，通过模拟重金属离子在地下水迁移过程中的扩散过程，可以分析重金属对当地地下水影响的范围和程度，从而能够更加有针对性地对地下水污染采取治理和修复。

1 区域自然条件

1.1 气候条件

该区属北寒温带大陆性半湿润季风气候，冬长夏短，四季分明，降雨集中在 6—8 月份，冰冻期11 月中旬至翌年 3 月末，常年主导风向为西北—东南，年平均风速变化平缓。

1.2 地质条件

该湿排尾矿库位于中朝准地台的辽东台隆上，区内构造活动强烈且较复杂，有东西向、南北向、北东向、北西向构造，控制了区域呈北西向雁形式排列的断陷盆地。尾矿库区及坝址区地层为大面积华力西晚期岩体，未发现断层痕迹，岩体节理烈隙不发育，岩石风化层厚度较小。

尾矿库下方地层主要由尾矿堆积物、人工填土及库基原始天然地层组成。尾矿堆积物主要为尾粉砂、尾粉土及尾粉质粘土等；人工填土主要为尾矿初期坝（碎石土坝）及各级子坝上部的碎石层填筑物；库基原始天然地层主要为含砾粉质粘土、碎石土、风化花岗岩等。见图1。

1.3 水文地质条件

尾矿库附近地貌类型主要为低山丘陵区，因地形切割强烈，大部基岩出露，表层风化裂隙发育。区内地势起伏较大，地势东南高，西北低。区内地层简单，地下水赋存类型较为单一，根据提供材料，评价区地下水类型为HCO3-Ca型。根据该区地下水赋存条件、水理性质及水力特征等，可划分为松散岩类孔隙水、基岩风化裂隙水两种类型。

尾矿库所在地地势为西北高东南低、高差较大、切割强烈的低山丘陵。大气降水渗入补给是区内各类地下水的主要补给来源；其排泄方式主要为通过地表径流及地下径流排泄，地表径流排泄过程中伴有蒸发排泄，此外，人工开采也是工作区地下水的重要排泄方式。区内地下水系统是一个开放的地下水系统，其地下水动态变化是地形地貌、地层岩性、地质结构、气象水文和人类活动等多种因素综合影响的结果，因此地下水呈现出不同的变化规律。

总体而言，当地地下水变化主要受大气降雨影响较大，因此在汛期地下水位会明显上升，反之地下水位下降。其余因素对地下水影响相对较小。

2 评价方法及指标选取

2.1 评价方法的选取

对于污染物在地下水中扩散的模拟方法有很多，主要可归纳为数值法和解析法两大类[1]。数值法主要是指有限元位移法，一般认为只要力学模型正确，利用软件获得的结果就会比较准确[2]。解析法是应用数学推导、演绎去求解数学模型的方法，又称分析法[3]。由于本项目地下水环境较简单，地下水动力系统易分析推导，因此适宜运用解析法对污染物迁移规律进行模拟测量。

本次模拟防渗层渗漏的情况为局部渗漏，污染物迁移模式为连续点源扩散，因此套用数学模型是，选择连续注入示踪剂的平面连续点源模型，其数学表达式如下：

式中：x,y—计算点处的位置坐标；t—时间，d；

C(x，y，t)—t时刻点 x，y 处的示踪剂浓度，g/L ；

M—承压含水层的厚度，m；

mt—单位时间注入示踪剂的质量，kg/d；

u—水流速度，m/d；

ne—有效孔隙度，无量纲；

DL—纵向弥散系数，m2/d;

DT—横向y方向的弥散系数，m2/d；π—圆周率。

K0(β)—第二类零阶修正贝塞尔函数；—第一类越流系数井函数[4]。

2.2 评价因子的选取

根据地下水与污染物的动力特征，特征污染物的选取需遵循两个原则，一是选取的污染物必须就有代表性，即污染物必须是生产过程中主要残留物；二是需考虑各污染物等级量化与测量的难易程度，选择易测可靠、经济成本小的污染物进行分析，确保特征污染物的选择真实、有效[5]。根据对湿排尾矿库中存水的测量，发现Cu、Zn、Pb浓度较高，且三者测量方法易操作，同时，Cu、Zn、Pb又为采矿的主要产物，因此选择Cu、Zn、Pb作为本次预测的特征污染物。对尾矿库存水中的主要污染物浓度检测结果见表1。

表1 尾矿库存水主要污染物及含量Table1 Main pollutants and their contents of the water in tailing reservoir

3 分析及结果

当上述防渗失效情景发生时，假设主要特征污染物Cu、Zn和Pb的污染源强为三者的极限浓度，即三者在尾矿库积存水中的浓度（详情见表1），防渗失效面积为1 m2，根据平面连续点源模型中所选择的参数（见表2），模拟过程中所使用的参数均为经验值。

表2 模型参数值及单位Table 2 Parameters and their units of the model

根据预测模型和参数，取得的计算结果如图1～图3所示，图中+x为地下水迁移方向，-x为其相反方向，y为x的垂直方向。由图4-1～图4-3可知，在下渗水浓度与库内存积水浓度相等的极限情况下，Cu、Zn和Pb向下游地下水迁移至约25 m处时，浓度基本降低为0；在迁移反方向运移约为15 m时，浓度基本降低为0；在与水流方向垂直的方向上迁移至约7m时，浓度基本降低为0。由于库区下方有一层致密含砾粉质黏土层，渗水在此层将被大量隔绝，少数下渗的污水也与下层土壤其发生复杂的物理、化学和生物作用，如胶体吸附、离子交换作用等，在这些作用下，污染物在土壤中附着和分解，达到自净化效果，因此即使出现渗漏情况，下渗污水浓度也将远小于现库内积存水的污染物浓度，其弥散半径将更小。所以即使发生尾矿库防水层渗漏情况，特征污染物的影响范围也将小于25 m。

图1 Cu迁移最远距离Fig.1 The farthest distance of Cu movement

图2 Zn迁移最远距离Fig.2 The farthest distance of Zn movement

图3 Pb迁移最远距离Fig.3 The farthest distance of Pb movement

4 结论

本文通过选取解析模型，模拟了特征污染物Cu、Zn、Pb在尾矿库防渗层局部渗漏时可能对闹枝镇地下水的影响范围。模拟计算结果表明，Cu、Zn、Pb三种污染物在迁移过程中，沿地下水流动方向迁移距离不会超过25 m，在地下水流动反方向迁移距离不会超过15 m，在垂直地下水流动方向迁移距离不会超过7 m。从当地整体范围来说，污染物影响范围较小。

本次模拟计算采用解析法，评价指标的选取和收集数据资料收集的全面性和准确性有完善的空间，计算结果有待通过数值法模拟验证，具有借鉴价值。

[1]陈秀艳,刘启蒙,李鹏飞.涌水量预测的解析法与数值法对比研究[J].山东工业技术，2016，(24)：100-157.

[2]胡 鹏，李 阳.工程地质数值法发展现状研究[J].武汉科技报·科教论坛，2013，(11).

[3]田国林,畅俊斌,王 玮.解析法在地下水允许开采量计算中的应用研究[J].人民珠江，2016，(10)∶1-7.

[4]环境影响评价技术导则—地下水环境(HJ 610-2016)[C].环境保护部.2016.

[5]赵 微,杨巧凤,林健北,等.北京平原区地下水承压含水层组防污性能评价[J].城市地质，2017，(03)：64-70.