某钼尾矿库地下水污染的评价及污染防治措施

李晓昕 ， 魏荣锋 ， 朱国军 ， 李绍生

(1.中赟国际工程有限公司 , 河南 郑州 450000 ； 2.河南省郑州生态环境监测中心 , 河南 郑州 450000)

0 引言

我国钼总储量仅次于美国，是全世界钼矿储量较大的国家，其中以河南省钼矿资源最为丰富，栾川县有中国“钼都”之称。随着钼选矿工业的发展，大量的尾矿堆积在尾矿库可能对地下水形成污染。丛俏等[1]对钼矿区汚灌菜地土壤重金属污染研究表明，由于地下水受到污染导致汚灌菜地土壤重金属污染，形成农田土壤的生态风险。1943年Ferguson第一次报道了钼中毒现象，之后关于钼污染问题引起了相关学者的重视。本文以新建的咸池沟尾矿库及其周围地下水为研究对象，以钼特征因子为重金属代表，研究、评价该尾矿库的建设运行可能对周围地下水重金属污染、迁移特征及规律，为该类尾矿库的设计、地下水污染预防和防治措施提供科学依据。

1 尾矿库概况

咸池沟尾矿库为栾川龙宇钼业有限公司榆木沟尾矿库的接替库，为了增加库容，设计采用中线筑坝法，堆积坝总高度130 m，最终堆积标高1 115 m，最终总坝高为195 m，总库容为13 433.52万m3，有效库容12 571.43万m3，可满足在选厂15 000 t/d生产能力下服务38.19年。根据《尾矿设施设计规范》(GB50863—2013)对堆放场等别的划分标准可知为二等尾矿库。为达到环保截渗的目的，在尾矿堆积坝的下游坡脚100 m处设置截渗坝一座，项目初期坝采用透水堆石坝，就地选择库区周边质地坚硬的石料；初期坝轴线位于陶湾咸池沟沟口上游2.0 km处，设计初期坝65 m，坝底标高920 m，坝顶标高985 m，坝顶宽8 m，坝轴线全长450 m，初期坝上游坡比1∶1.75，下游坡比1∶2.0。在初期坝坝顶985 m标高的基础上，堆积坝采用尾砂中线法堆筑，即库内堆积溢流细颗粒尾砂，坝外坡采用旋流器底流粗颗粒尾砂堆筑，堆坝外坡比1∶3.0，为适当降低尾矿坝下游粗尾砂筑坝量，中线法轴线向库内偏移角度为20°；中线法子坝每级子坝堆积高度为10.0 m，坝顶宽度20 m，内坡比1∶2.5，外坡比1∶3.0。在初期坝轴线下游355 m和630 m分别修建1#和2#滤水拦渣坝，截渗坝坝高15 m，上游坡坡比1∶0.2，下游坡坡比1∶0.6，上下游直墙段高度2.0 m，采用浆砌石重力坝，截渗坝设溢流坝段采取全库区防渗措施。

2 尾矿的有害成分分析

为了解钼矿选矿后尾矿中重金属的含量情况，对龙宇钼业有限公司尾矿进行有害成分进行分析，结果如下：As，<0.001%；B，0.007%；Cd，<0.001%；Co，0.001%；Cr，0.009%；Cu，0.006%；C，0.390%；Fe，2.520%；Hg，<0.001%；Mn，0.069%；Mo，0.043%；Ni，0.002%；P，0.045%；Pb，0.001%；S，0.347%；Sb，<0.001%；SiO2，64.490%；V，0.004%；Zn，0.008%；CaO，6.277%；MgO，6.100%；Na2O，2.617%；K2O，12.21%。钼尾矿中存在多种重金属，如不加以控制，会对周边地下水等构成污染危害。

3 地下水影响预测

3.1 数值模型的建立

地下水影响预测选取了含砾粉质黏土层含水岩组作为目标含水层，模拟范围从堆积坝处至下游伊河处的区段，地形为两山夹一谷，面积为0.45 km2，下游边界以伊河为水文地质分界线进行划分。

地下水水流控制模型采用潜水含水层中“有入渗补给、非均质、各向异性、空间三维结构、非稳定运动的基本方程”，边界条件选择“第一类边界”求取稳定、收敛解；地下水水质控制模型在水流控制模型上加入溶质运移方程，边界条件选择“第三类边界——给定溶质通量边界”进行求解；采用地下水数值计算模型Visual Modflow Flex构建地下水数值模型，设定南部为补给边界、北部为排泄边界，垂向地下水补给主要是大气降水入渗补给；模型模拟区数学模型的求解采用矩形网格剖分法，设定网格剖分尺寸为2.067 m×2.107 m，单个计算单元面积为4.36 m2，共布设约10万个网格计算单元。

3.2 模型参数的确定和求取

3.2.1包气带渗水试验

在尾矿库库区内、外共选取4个点进行试坑单环渗水试验，4处试验点均布置于沟谷及斜坡上：K01位于初期坝下游处；K02、K03、K04位于库区内；实验结果为含砾粉质黏土层渗透系数K值为5.81×10-6～30.8×10-6cm/s，平均取值为15.0×10-6cm/s。

3.2.2钻孔压水试验

钻孔压水试验结果表明，微风化石英片岩层的渗透系数(K)为0.19×10-6～1.35×10-6cm/s，平均为0.77×10-6cm/s，从试验数据来看，可概化为不透水层。

3.2.3水动力弥散试验

以食盐为试剂在库区内选择天然包气带防污性能相对较弱的区域进行弥散试验，将实验结果与标准曲线进行拟合，计算出(纵向)地下水流速为5.00 m/d；纵向弥散度(aL)为0.167 m；纵向弥散系数为(DL)为0.85 m2/d。

3.2.4给水度的确定

库区主要含水类型为层状基岩裂隙水，富水性差，根据经验数值，有效孔隙度取值确定为0.001 1。

3.3 水质预测因子、预测情景设定及源强的确定

本研究选取超标倍数最大的钼特征污染物作为重金属代表。

预测情景设定如下：非正常工况下，截渗坝内集水区域防渗结构部分失效，尾矿水入渗至地下水环境，考虑最不利的因素，设定拟建项目地下水污染源的概化方式为连续恒定排放。

源强确定如下：尾矿库截渗坝地面以下在运营期间表面裂缝破损，裂缝面积为渗水水面总面积的1%(30.0 m2)，根据渗漏量计算公式Q=K×I×A进行计算后取其10倍值为非正常状况下的渗漏量，计算得出为7.98 m3/d，重金属钼渗漏量为0.228 kg/d。

3.4 预测结果与分析

根据预测模型和参数进行计算，预测结果见图1～2，得到以下结果：①随着时间的推移，污染物的扩散范围不断扩大，100天、1 000天时，钼污染晕沿地下水流向下游扩散的趋势明显，向两侧扩散的趋势次之。两时间节点污染晕均不会抵达位于截渗坝西北侧的居民水井。②100天止时，污染物钼污染晕最远运移距离为161 m，并且有超标现象发生，超标距离为截渗坝下游至106 m区段处，此时钼浓度已不能满足《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类水质标准，污染晕中心浓度最大值可达5.431 9 mg/L，超标倍数为27.2倍。③1 000天止时，污染物钼污染晕运移距离已达到模拟区北部边界(即伊河)，此时边界处钼浓度为0.239 9 mg/L，即1 000天止时，自截渗坝至下游边界处均为钼超标段。④为了探究污染物钼污染晕抵达模型北部边界的具体时间节点情况，本次对数值模型进行了细化浓度时间步长的调制，对100～1 000天的时间区段进行以10天为一个时间步长的离散化操作。经数值模型的反复计算，研究发现，污染物钼在810～820天其污染晕抵达了模型北部边界。⑤在构建数值模型时，将伊河作为其北部边界，则污染物运移至北部边界的时间节点即是其开始对伊河水质影响的时间。对于污染物钼，从810～820之后，边界处浓度由0.01 mg/L开始上升至1 000天时的0.239 9 mg/L，此时钼的边界浓度不能满足《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)Ⅲ类水质标准，从地下水环境角度而言，污染物钼的超标会对伊河水质产生一定的影响。

图1 钼污染晕浓度等值线图

图2 钼抵达边界处情景

4 地下水污染防治措施

4.1 源头控制措施

针对高浓度钼矿尾矿水可能对地下水的污染，罗旭东等[2-3]研究了用石灰沉淀法处理钼矿尾矿水，表明此法对重金属等均有较好的处理效率。袁致涛等[4]研究了混凝法处理钼矿尾矿水也取得了较好的效果，因此，对钼矿尾矿水进行处理可以从源头上解决尾矿水的污染问题。

4.2 分区防控措施

根据《一般工业固体废物储存、处置场污染控制标准》(GB18599—2001)中关于第I类一般工业固体废物处置场的环境保护要求，提出了分区防渗措施，包括坝下垂直防渗措施、初期坝内坡防渗、库底防渗。

由于前期开展了详尽的水文地质勘察，创新地对库底防渗方案进行了优化，按照实际地层岩性等进一步划分为Ⅰ区重点防渗区和Ⅱ区一般防渗区，做到了同时满足《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ610—2016)以及《河南省环境保护厅办公室关于印发危险废物集中处置和矿山采选行业建设项目环境影响评价文件审批原则的通知》(豫环办[2018]209号)中“新建尾矿库(一般工业固体废物)应进行全库防渗，并满足GB18599 Ⅱ类场防渗要求，……”对尾矿库类项目防渗的技术要求，同时大大降低了业主在“库底防渗”方面的投资。

4.2.1库底防渗方案

根据项目工程地质及水文地质勘察报告，勘察钻探结果及类似工程经验综合确定包气带岩土的渗透系数(K)为2.00×10-5～45.0×10-5cm/s，岩土体厚度1.50～33.50 m，按《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)判定本建设项目包气带防污性能分级属中等到弱。尾矿库污染控制难易程度为易控制类型，污染物类型以重金属污染物为主，判断场地属于地下水污染一般防渗区到重点防渗区。根据上述判定结果结合场地节理裂隙发育情况，将库区场地按防渗性能划分为Ⅰ、Ⅱ两个分区。

Ⅰ区：重点防渗区。该区主要分布于沟谷两侧的小部分地带，其主要特征为未经压实的填土、坡残积碎块石分布，且分布不连续；局部区域为基岩露头，露头以全、强风化为主，节理裂隙极发育到较发育，且以连通性较好的张性节理为主。上述区域包气带防污性能弱，对库区防渗较为不利。此外，全风化花岗岩岩性破碎，以砂砾状为主，其本身渗透系数较大，且垂向分布极为不均匀，考虑到处理难度较大，本报告将厚度较大的全风化花岗岩出露带划分到Ⅰ区，设计单位可根据实际处理情况考虑调整。

Ⅱ区：一般防渗区。重点防渗区以外的其他大部分区域。其主要特征为渗透系数<1.00×10-4cm/s基岩或全风化花岗岩稳定、连续出露，厚度较大(厚度>1 m)的覆盖层分布区域。上述区域包气带具备一定的过滤、吸附净化、稀释或隔水能力，防污性能中等，故将该区域划分为地下水污染一般防渗区。

4.2.2断裂带防渗方案

陶湾咸池沟尾矿库上游库尾有一北西南东向断裂，根据地表调查及钻探揭露结果，断裂在库区内宽度不大，且未见明显露头。该断裂主要活动时期为燕山期，全新世以来无活动迹象，总体来说该断裂对尾矿库的影响较小。除此之外，库址内未有断裂带通过。拟在该断裂的库区最终淹没线以下(1 115 m标高)采用土工膜防渗；平均防渗宽度初步确定为50.0 m，该防渗宽度基本能够覆盖断裂破碎带宽度并可在周边预留一定的完整山体区域。防渗铺设型式(从下到上)为：平整压实处理后+4 800 g/m2GCL+2.0 mm HDPE+400 g/m2土工布，防渗层分台阶采用锚固沟锚固在库区山坡上，每层台阶高度25 m。防渗层一次防渗高度可结合尾矿库运行情况进行分期防渗。

4.2.3其他防渗措施

由于工勘阶段的局限性，为防止尾矿水下渗对地下水的污染，评价要求在库区清表的过程中，对新发现的断层破碎带采用注浆的方式进行防渗处理，对其两侧各10 m范围内采用注浆的方式进行防渗处理，深度应达到微风化层；注浆的目的是通过对断层破碎带裂隙、溶隙等注入高质量的浆液，使断层破碎带裂隙、溶隙被浆液充填、破碎带被固化，以达到防渗的效果；注浆方法应采用钻孔注浆的方式，材料应采用黏土水泥浆，注浆后应封孔。

4.3 污染监控措施

为监控尾矿库渗水可能对地下水的污染，在尾矿库及周边设置6个监控井，定时监测，建立地下水环境跟踪监测系统，及时监控地下水水质动态变化，防止地下水受到污染影响。

5 结论

①从预测结果可以看出，如不采取有效的污染防控措施，尾矿水下渗会构成区域地下水的污染；②当尾矿水下渗810～820天后，钼污染晕会抵达模型北部边界即伊河，通过浅层地下水与伊河水的相互交换，会构成伊河地表水的污染；③通过详尽的水文地质勘察，优化了尾矿库防渗及污染防控措施，为尾矿库污染防控设计提供了科学依据。