钾长石矿露天开采对地下水的影响预测分析

楚晓美

摘要：露天开采是矿山开采方式中对地下水影响较为严重的一种。本文针对钾长石矿露天开采铁离子对地下水资源影响的科学问题，开展地下水模拟预测。数值模拟预测结果表明，假设污染物铁持续入渗的前提下，将污染物浓度值放大后，在一定的时段和范围内，地下水体中铁的浓度不能满足《地下水质量标准》中Ⅲ类水体的要求，但污染面积及浓度皆较小。

关键词：矿山露天开采地下水环境影响预测分析

Prediction and Analysis of Influence of Open pit Mining on Groundwater in Potassium Feldspar Mine

CHU Xiaomei

（Liaoning Changxin Environmental Engineering Consulting Co.， Ltd.，Shenyang，Liaoning Province，110000 China）

Abstract： Open-pit mining is one of the mining methods that has a serious impact on groundwater. Aiming at the scientific problem of the influence of iron ions on groundwater resources in opencast mining of potash feldspar mine， this paper carries out groundwater simulation and prediction. The prediction results of numerical simulation show that， under the premise of continuous infiltration of pollutant iron， after amplifying the pollutant concentration， the concentration of iron in groundwater can not meet the requirements of class III water body in groundwater quality standard within a certain period of time and range， but the pollution area and concentration are small.

Key Words： Open pit mining; Groundwater; Environmental impact; Prediction analysis

某钾长石矿设计开采硅石和钾长石，采用露天开采方式。项目矿区面积0.0182km2，开采深度标高320～363m。采用自上而下的水平分阶段采矿方法，工作阶段高5m，最终阶段高10m，工作阶段坡面角60º，最终阶段边坡角43º，工作平均盘宽20～25m。生产规模为硅石0.5万t/a，钾长石2万t/a。采矿方法采用露天断面法，采用潜孔凿岩爆破，人工与机械相结合的开采方式，自上而下分台阶直接开采。项目开采过程可能会对地下水产生影响[1-2]。为了解项目开采过程是否会对地下水产生影响，本文采用水文地质模型预测其开采过程对地下水的环境影响。

1预测评价范围

建设项目位于三面环山的沟谷中，东北侧一季节性排水沟从矿区边界穿过，其余三面皆为分水岭，为一完整水文地质单元。为确定项目区域水文地质情况，对项目区附近1.02 km2区域进行了水文地质调查及资料收集工作，根据当地气象、水文、地质条件和本工程三废排放情况及厂址周围敏感目标情况，依据《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610-2016）8.2.2.1的“建设项目（除线性工程外）地下水环境影响现状调查评价范围可采用自定义法确定”，本次地下水环境影响评价范围约為1.02km2。

2水文地质特征

矿区地势较高，坡度较大，附近无河流及泉出露，地表水主要靠大气降水补给，通过岩石裂隙补给地下水。岩石透水性较差，对矿床开采不会产生不利影响。

矿区范围内最高海拔标高约为385m，最低海拔标高约为240m，开采标高320～363m，当地最低侵蚀基准面标高约260m，开采矿体位于最低侵蚀基准面之上。附近无大的河流及泉出露，地表水主要靠大气降水补给;矿区内岩溶不发育，含少量的裂隙水，岩石富水性较差，涌水量较小，水文地质条件属简单的裂隙水充水为主的矿床类型。本项目东南侧4256km处为柴河干流。

3水文地质模型的概化

本次评价建设项目位于三面环山的沟谷中，东北侧一季节性排水沟从矿区边界穿过，其余三面皆为分水岭，为一完整水文地质单元。因此，模拟时以东北侧季节性排水沟为排水沟边界，三面环山以分水岭为边界，定义为隔水边界，区域内地下水主要接受降雨补给，并向模拟区域东南侧径流，区内含水层地下水流动较小，属于层流运动，符合达西定律，模型模拟时地形数据采自于GLOBAL.MAPPER 获得的卫星数据，共获取高程点336个，应用反距离加权法对地形进行插值，建立的模型为三维地形模型。

矿区位于中朝准地台的胶辽台隆的铁岭—靖宇台拱之李家台断凸与凡河凹陷交汇处。项目区出露地层主要为南康庄组紫色页岩夹砂岩及凝灰岩，雾迷山组三段深灰色燧石条带白云岩、偶夹砂岩及板岩，高家峪组灰绿色黑云角闪斜长变粒岩、黑云斜长片麻岩夹绢云石英片岩、斜长角闪岩，石英闪长岩、闪长岩、辉石闪长岩，二辉岩、辉长岩及混合岩。

该区潜水含水层为全风化太古宙花岗质片麻岩及第四系残坡积黏土、亚黏土及细砂，研究区完整水文地质单元内部含水层主要为全风化太古宙花岗质片麻岩，根据区域地质资料，岩层横向渗透系数、垂向渗透系数皆取5m/d，扩散系数取130。

由前述地下水系统的概念模型，可抽象地建立本研究区地下水及溶质运动的数学模型，其数学表达式。

3.1 地下水运移数学模型

地下水运移数学模型，可用如下偏微分方程表示[3]：

（1）

其中：

Kxx，Kyy和Kzz为渗透系数在x、y和z方向上的分量。在这里，我们假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为（LT-1）;h为水头（L）;W为单位体积流量（T-1），用以代表流进汇或来自源的水量;Ss为孔隙介质的贮水率（L-1）;t为时间（T）。

3.2 溶质运移数学模型

描述三维地下水流系统中k组分的存在和运移的偏微分方程可写成[4]：

（2）

式中：

Ck为k组分的溶解相浓度（ML-3）;θ为地层介质的孔隙度，无量纲;t为时间（T）;xi为沿直角坐标系轴向的距离（L）;Dij为水动力弥散系数张量（L2T-1）;vi为孔隙水平均实际流速（LT-1）;它与单宽流量存在如下关系：vi=qi/θ;qs为单位体积含水层流量（T-1），它代表源（正值）和汇（负值）; 为源或汇水流中k组分的浓度（ML-3）;ΣRn为化学反应项（ML-3T-1）。

方程（2）的左侧可展开成两项

（3）

式中 为地下水储存量的变化率（单位：T-1）。

方程（2）中的化学反应项表示污染物存在和运移过程中一般的生物化学和地球化学反应。本处仅考虑化学反应的两种基本类型：固液表面反应（吸附作用）和一阶速率反应，化学反应可表示成

（4）

式中：

为介质容重，ML-1; 为固体吸附k组分浓度（MM-1）;λ1为溶解相的一阶反应速率（T-1）;λ2为吸附相的一阶反应速率（T-1）。

将方程（3）和（4）代入方程（2）并去掉组分号k以简化表示，整理得：

（5）

根据掌握的区域水文地质资料，利用GMS地下水模拟软件建立地下水模型，将预测区域划分为75×75个单元格，模拟范围约为1.02km2。经现场调查可知，该区域第四系覆盖层较薄，模拟时候将地层概化为一层，含水层深度为30m。

4模型识别与验证

模型的识别和验证是整个模拟中极为重要的一步工作，通常要进行反复地调整参数才能达到较为理想的拟合结果，使模型最大程度接近实际[5-7]。

在进行污染物溶质运移前需要建立区域初始渗流场。以2019年3月测量水位值以及相关水文地质资料确定地下水初始水位。模拟未来10年内项目可能对地下水水质造成的影响，区域内地下水自西北向东南径流，在东南部分由排水沟进行泄。

模拟结果显示，模拟流场与实测流场拟合较好，反映出模拟模型与实际地下水系统在空间上基本吻合。因此，本次模拟建立的模型基本符合研究区水文地质条件，并能反映地下水系统的流场特征，利用该模型对建设项目的地下水环境影响进行预测和污染情景预报是可行的[12]。

5模型预测

在已经建立的天然渗流场基础上进行设定情景的地下水环境影响预测，预测时间最长为10年。根据本项目的实际情况，污染源分3处，即露天采场、废渣堆与堆料场，坐标系统为WGS84坐标，通用横轴墨卡托投影，51度带。

根据临近矿山经验结合矿区水文地质情况，露天采场补给率定为0.04m/d，废渣堆补给率定为0.02m/d，堆料场补给率定为0.02m/d。由于区域地下水中有铁离子浓度检出，但数值较小，可见较长时间的地下水与矿石作用不会对地下水产生影响。考虑到因为人为扰动，有可能加剧铁离子浸出，为了评价可能发生的最大污染，预测污染物的运移趋势，以地下水Ⅲ类水质铁标准限值[13]的10倍作为污染源强，即铁浓度为3mg/L，进行模拟预测。

经预测可知，污染物通过降雨淋溶方式进入地下水体50d后，向东南部运移扩散。污染羽铁离子最大浓度值为0.18mg/L，浓度中心位于漏填采坑，影响范围38400m2，污染物向东南运移的趋势明显。

经预测可知，经过200d时，铁浓度最大值上升至0.26mg/L，浓度中心位于漏填采坑处，影响范围105000m2，污染物继续向东南运移扩散。

经预测可知，经过400d时，铁浓度最大值上升至0.34mg/L，浓度中心位于漏填采坑处，影响范围106700m2，此时，铁离子浓度超标面积约为4300m2，污染物继续向东南运移扩散。

经预测可知，经过750d时，铁浓度最大值上升至0.34mg/L，浓度中心位于漏填采坑处，与模拟进行400d相比较，污染晕形状与浓度基本保持不变。

经过1800d、3650d模擬，铁浓度最大值仍为0.34mg/L，污染晕及浓度等值线形状基本不改变。可见，当污染源发生泄漏400d后，地下水铁离子浓度处于动态稳定状态。

6地下水模拟预测结论

本项目地下水评价以地下水环境现状调查和地下水环境影响预测结果为依据，对发生极端不利情况地下水中铁离子进行了模拟，根据废石淋溶结论，废石中污染物含量极低，不会对当地地下水造成影响。为预测可能发生的最大环境影响，将污染物浓度值放大后，在一定的时段和范围内，地下水体中铁的浓度不能达到《地下水质量标准》中Ⅲ类水体的要求，但污染面积及浓度皆较小。需要特别说明的是，上述所有溶质运移的预测工作均是在假设污染物持续入渗的前提下，且计算模型中并未考虑包气带介质的吸附、降解等作用的影响;且模型中污染物浓度值放大倍数较高。实际上，包气带介质中含有各种离子、有机物和微生物，污染物质在通过包气带向地下水迁移的过程中将发生吸附、过滤、离子交换、生物降解等作用而得到不同程度的净化;而且废石中污染因子含量远低于模型的取值，因此污染羽的实际迁移情况将小于上述预测结果。

参考文献

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