云南某冶炼废渣堆渗滤液产生及其影响因素研究

乐文喜，王 涛*，王鹏程，刘 伟，孔德颂，周开宇，田 俊，陈植华

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430078；2.云南铜业股份有限公司西南铜业分公司，云南 昆明 650102)

中国是世界上最大的矿产品生产国、消费国和贸易国[1]。随着我国工业化进程的加快，大量的矿产资源被开采利用，但开采过程中会产生尾矿、冶炼废渣等固体废物[2]。云南省被誉为“有色金属王国”，是得天独厚的矿产资源宝地，工业固体废物历史遗留问题较为突出。冶炼废渣堆经过大气降雨淋滤，会不断浸出含有重金属、硫酸盐等污染物的渗滤液，对周边水土环境安全构成威胁。

云南某冶炼企业超过600万t的冶炼废渣堆露天堆存，占地面积近15万m2。基于对该冶炼废渣堆进行长期安全处置考虑，提出对渣堆场地实施原位风险管控的设想，而渗滤液作为渣堆对周边水土的核心污染源，是污染场地原位风险管控的关键对象。渗滤液产生量的多少及分布，决定了风险管控工程的规模、空间布局和需要投入管控的力量，对项目管控方案的制定尤为重要。然而，在该渣体不同阶段施工的百余个勘察钻孔中，仅有4个钻孔揭露到渗滤液，其余钻孔均未见渗滤液；渣场周围设置的5个渗滤液截渗井(JS1～JS5)，也只有渣场东南部的JS4、JS5截渗井收集到一定的渗滤液，大量资料数据表明，渣体自身产生渗滤液的量少且影响因素比较复杂。此前在云南省其他历史遗留渣堆调查中均发现，这些渣堆下部存在大量渗滤液并在地表出现渗滤液排泄点，而该渣堆则与之形成明显的差异。如何解释该渣堆渗滤液产生量少、分布位置有限这种特殊现象，需要查明渣堆渗滤液产生的控制条件和影响因素。

若将渣体视为一个特殊的巨厚包气带，且该包气带具有吸收水分、保持水分和传递水分的能力，(以下统称为“渣体包气带”)，那么降雨入渗后水分如何在这种特殊物质和结构组成的渣体包气带内部运移转换并形成渗滤液，便是一个非常具有研究价值的问题。基于此特殊情况，研究渣体包气带渗滤液产生及其影响因素就显得至关重要。

渣体包气带水分运移和渗滤液产生过程极其复杂，影响因素众多，除气象要素(降水、蒸发等)外，还包括渣体包气带的物质组成、结构(不同性质的渣体、物质组成及厚度、结构类型等)、初始含水率、有无覆盖填土等[3-10]，这些因素均会对渣体包气带水分运移产生影响。为此，本文基于详细勘察和野外现场调查试验结果，提出渣体包气带水文地质概念模型及数值模型，并结合HYDRUS软件分析不同条件下渣体包气带的水分变化，以期通过深化渣体包气带水文地质学研究，提升对不同影响因素下复杂渣体包气带渗滤液产生的认识，拓展渣体包气带数值模拟在固体废物处置中的技术应用，对云南省乃至我国当前亟待治理的大量冶炼废渣堆、尾矿库等提供专业研究借鉴。

1 研究区概况

1.1 气象水文

该冶炼废渣场地所在位置属低纬高原山地季风气候。该地区年平均气温15℃左右，多年平均降雨量为1 000.5 mm，月最大降雨量为208.3 mm，日最大降雨量为165.4 mm，降雨主要集中在5～10月份；多年平均蒸发量为1 717.92 mm，年均蒸发量大于年均降雨量；多年平均日照时数为2 445.6 h，最大风速为40 m/s(见图1)。该冶炼废渣堆及周边地表水系不发育，无稳定地表径流。

图1 研究区多年月均气象数据

1.2 区域地质背景

研究区属于昆明盆地西北部边缘构造剥蚀低山地貌区，主要出露的地层有二叠系下统梁山组(P1l)杂色页岩和栖霞-茅口组(P1q+m)灰岩、二叠系中统峨嵋山组(P2e)玄武岩和第四系(Q)黏性土层等，见图2。

图2 研究区地质概图

1.3 场地地层结构及水文地质特征

该渣堆所在场地的地层可划分为6层，由新至老分别为渣体(Qml)、第四系坡洪积物(Qdl+pl)、第四系残坡积物(Qel+dl)、第四系残积物(Qel)、二叠系中统峨嵋山组(P2e)玄武岩强-中风化层、二叠系下统栖霞-茅口组(P1q+m)灰岩，见图3。

图3 渣体地层结构剖面图

根据地下水埋藏条件及含水介质类型，研究区内地下水可分为松散岩类孔隙水、玄武岩类风化裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水三大类。场地内低渗透性的残坡积物、残积物等属于相对隔水层，透水性差，仅在一些碎石含量较高的坡洪积物中具有一定的渗透性，可以作为赋存孔隙水的含水介质；玄武岩类风化裂隙水仅在局部分布，规模小，没有形成稳定连续的含水层，虽然局部可以接受降水入渗或第四系孔隙水补给，但与坡洪积孔隙水和下部岩溶水没有直接的水力联系；灰岩地层在渣场底部分布较广，但岩溶水的地下水水位埋深较大，属于潜水，与上部孔隙水基本没有水力联系。

2 渣体包气带水分运移数值模拟

2.1 渣体包气带水文地质概念模型建立

渣体主要分为熔炼渣、石膏渣、杂填土和部分生活垃圾等单元层。其中，熔炼渣在整个渣场均有分布；石膏渣在渣场分布无规律，局限于渣场部分地区。除渣场西侧和南侧未堆渣外，场地内渣体厚度最大值近50 m，但有近一半面积的渣体厚度不足10 m，渣体总厚度分布情况见图4。

图4 渣体厚度分布图

由于渣体处于地下水水位之上，故可将渣体视为包气带，渗滤液的形成及迁移可概化为渣体包气带水分运移问题，以便于阐述和分析渗滤液产生及其影响因素。研究区雨旱分明，而火法工艺产生的熔炼渣体也较为干燥，在旱季末期，渣体包气带上部的含水率低于残留含水率，形成水分缺失。渣体包气带截留的水量先用于补足降水间歇期由于蒸散造成的水分缺失，故降雨初期首先要补足渣体包气带水分缺失，多余的水分才能下渗[11]。当降水入渗量超过渣体包气带的最大持水能力后才开始形成向下迁移的水流，即产生渗滤液。建立的渣体包气带水分运移过程概念模型，见图5。

图5 渣体包气带水分运移过程概念模型

根据水量平衡，渣体包气带单位面积内的水均衡可概化为

P=ΔW+E+D+Q

(1)

式中：P为降雨量(mm)；ΔW为渣体包气带单位面积内水分储量的变化量(mm)；E为蒸发消耗量(mm)；D为地表径流量(mm)；Q为底部渗滤液产生量(mm)。

2.2 渣体单孔HYDRUS-1D水分运移模拟

2.2.1 模拟概况

为了验证降雨后渣体包气带水分入渗补给的情况，本次研究布设了测定渣体垂向含水率变化的取样钻孔SK5。SK5钻孔于2020年7月23日封孔，其中6月底至封孔前累计降雨量约为100 mm，岩心中可以看到明显的水分运移湿润锋的界线深度在8.8 m，8.8 m及更深的渣体样品外观干燥，这反映降雨入渗渣体包气带后运移的深度有限，无法入渗饱和产流形成渗滤液或穿透渣体进入地下水。本文以SK5取样钻孔为研究对象，通过建立HYDRUS-1D单孔剖面模型来分析渣体包气带水分垂直入渗过程。渣体厚度为30 m，模拟期为2020年6月14日至2020年7月21日，共计38 d，期间累计降雨量为215.2 mm，蒸发量为93.6 mm。

HYDRUS-1D采用改进的非线性方程来描述非饱和带的水流运动，其表达式为：

(2)

式中：θ为体积含水率(%)；t为时间(d)；h为负压水头(cm)；K(h)为对应负压水头h时的非饱和渗透系数函数(cm/d)；z为垂向坐标(cm)，取向上为正。

初始条件为模拟开始时刻实测的渣体体积含水率。上边界位于地表，定义为大气边界(Atmospheric BC with Surface Layer)，同时设置积水最大高度为0，即无地表径流，水分全部下渗；下边界选用水力坡度为1的自由排水边界(Free Drainage)。将气象数据和各层的土壤水力参数作为模型输入项。

根据取样钻孔SK5岩性分层特点和渣体的颗粒组成(依据美国农业部土壤质地分类标准，采用LS13320型粒度分析仪测得)，将模拟的剖面分为7层，利用HYDRUS-1D软件中Rosetta Lite V1.1模块所提供的神经网络模型预测各层渣体的水力参数[12-13]，并根据其实测的体积含水率进行微调，综合考虑后给出了各层渣体相关水力参数，见表1。

表1 各层渣体经Rosetta模型估算的相关水力参数

2.2.2 模拟结果与分析

采用HYDRUS软件模拟得到的渣体包气带体积含水率与实测渣体包气带体积含水率数据的对比，见图6。渣体包气带体积含水率模拟值与实测值的吻合程度采用决定系数R2和均方根误差RMSE进行评价，结果显示：R2=0.923，RMSE=1.795，说明渣体体积含水率模拟值与实测值两者趋势一致且相当吻合；但表层2.0～3.3 m深度处渣体包气带体积含水率模拟值与实测值误差略大，这可能是由于模型对于渣体包气带水分变化相对较大的位置模拟精度较差造成的，而其他层位的渣体包气带体积含水率模拟值与实测值相对误差基本在20%以内，且越深层位渣体包气带体积含水率模拟值与实测值的相对误差越小，模拟效果更好。由此可见，HYDRUS软件能够较好地模拟渣体包气带中水分运移过程。

图6 渣体包气带体积含水率模拟值与实测值的对比

模拟得到的渣体包气带水均衡各项收支情况，见表2。

表2 渣体包气带水均衡模拟结果

由表2可知：渣体包气带单位面积内水分储量的增加量ΔW为14.34 cm，为降水入渗总量(即降雨总量)的66.64%，而蒸发消耗量占33.36%，地表径流量(D)和底部渗滤液产生量(Q)均为0。可见，在取样钻孔SK5处渣体虽然接受了降水入渗且水分完全进入渣体中，但大气降水补给量并未超出渣体包气带的极限水分存储量，故底部没有渗漏量，即无法产生渗滤液。

模拟期内渣体包气带水分储量、降雨量和蒸发量的变化情况，见图7。

图7 渣体包气带水分储量、降雨量和蒸发量的变化

通过对比渣体包气带体积含水率模拟值与初始值结果，可以看出渣体接受大气降水入渗后，仅有限深度的体积含水率发生改变，临界深度为8.8 m；而临界深度以下渣体包气带水分含量几乎保持初始状态，见图8。

图8 渣体包气带体积含水率模拟值与初始值的对比

模型应用中涉及参数的取值问题，各参数取值的变化会对模拟结果产生不同的影响[14]，因此需要对各参数的敏感性进行分析。本次研究采用Morris法分析模型参数(降雨量、蒸发量和渣体水力参数)在一定范围内变化对模型输出结果(渣体包气带水分储量)的影响程度。其具体分析步骤如下:在其他参数不变的情况下，分别以2%为固定步长，分别取原值的-10%、-8%、-6%、-4%、-2%、+2%、+4%、+6%、+8%和+10%对单一参数进行扰动；再将扰动后的参数输入HYDRUS模型，计算某一参数调整后模型的输出值，进而利用Morris公式计算参数的敏感性指数。Morris法计算参数敏感性指数的公式为

(3)

式中:S为参数的敏感性指数；Yi+1为参数第i+1次变化后的模型输出值;Yi为参数第i次变化后的模型输出值；Pi+1为第i+1次参数变化的百分率；Pi为第i次参数变化的百分率；n为模型运算次数。

参数的敏感性程度分为4级：高度敏感(S≥1)、敏感(0.2≤S<1)、中等敏感(0.05≤S<0.2)和不敏感(0≤S<0.05)。

各参数的敏感性分析结果，见表3。

表3 各参数的敏感性分析结果

由表3可知:各参数的敏感性指数呈现降雨量>蒸发量>n>θs>α>Ks>θr，其中降雨量为高度敏感参数，蒸发量和n为敏感参数，θs和α为中等敏感参数，Ks和θr为不敏感参数。

2.3 渣体剖面HYDRUS-2D水分运移模拟

2.3.1 模拟概况

为了探究废渣堆一个完整水文年内具体的渗滤液产生情况，针对不同渣体物质组成和渣体包气带厚度进行分析，采用HYDRUS-2D来模拟具体的渣体包气带剖面水分运移情况。拟模拟的剖面穿过整个渣场且渣体厚度变化大，最厚处近50 m，渣体物质组成包含了主要的熔炼渣和生活垃圾等，见图9。本文将模拟区域渣体包气带类型概化为熔炼渣、生活垃圾、杂填土3种类型，模拟期为2019年7月21日至2020年7月21日，共计367 d，该水文年内累计降雨量为1 097.4 mm，累计蒸发量为1 239.4 mm。

图9 模拟剖面的渣体物质组成结构

HYDRUS-2D采用的水分运动基本方程为

(4)

初始条件：各层渣体的初始体积含水率设为系统默认的持水量和经验参数；将气象数据和各层渣体的水力参数作为模型输入项；结合各层渣体样品测得的初始体积含水率均值，熔炼渣的初始体积含水率取0.10，生活垃圾的初始体积含水率取0.20，杂填土的初始体积含水率取0.15。

边界条件：上边界为大气边界，假设存在积水情况，且最大积水厚度为1 cm；下边界为熔炼渣，设为自由排水边界；左、右边界为相对隔水层，设为零流量边界。

参数设置：生活垃圾和石膏渣受限于场地条件暂时无法获取原状样并求取相关的水力参数，故通过含水状况并参考已有的国内堆填场地研究，获取了其近似的水力参数[15-17]；杂填土的水力参数根据建筑填土资料[18]和HYDRUS-1D模型中参数进行综合考虑给出。获取的渣体主要水力参数，见表4。

表4 渣体主要水力参数取值

2.3.2 模拟结果与分析

采用HYDRUS-2D模拟不同阶段第60天、120天、180天、240天、300天、360天渣体包气带剖面体积含水率分布情况，其结果见图10。

图10 模拟不同阶段渣体包气带剖面体积含水率分布图

由图10可以看出：模拟第30天时，熔炼渣和生活垃圾分布较广的均一渣体包气带介质的体积含水率基本没有太大变化，表层渣体受降水的影响体积含水率有所增加；模拟第60天时，表层渣体的体积含水率有所增加，但下部渣体体积含水率仍是初始状态；模拟第120天时，仅在两侧渣体厚度不大的区域有含水率增加的现象，这是因为第120天为11月下旬，昆明步入旱季少雨期；随着旱季来临，第180～300天(2020年1月—2020年5月)时，表层渣体已经出现水分缺失，体积含水率越来越小并趋于渣体的残余体积含水率，且原先雨季含水率增加的区域也受蒸发的影响逐渐消耗，体积含水率不断下降，且水分缺失的范围、深度持续下移；模拟第360天时，步入2020年7月，迎来昆明的雨季，降雨量增加同时蒸发量减小，渣体水分得以补充，在剖面右侧熔炼渣较薄处体积含水率明显增加，熔炼渣分布区整体水分变化的影响深度不足10 m，生活垃圾分布区仅在两侧厚度较薄处出现一定水分缺失。

为了便于定量分析渣体包气带剖面年际体积含水率的变化情况，将其体积含水率概化为剖面的水分储量，模拟得到整个渣体包气带水分储量、降雨量和蒸发量的变化情况，见图11。

图11 渣体包气带水分储量、降雨量和蒸发量的变化

由图11可以看出：整个渣体包气带的初始水分储量为2 120.7 m2，随着较为密集降雨的入渗，渣体包气带水分储量逐渐增加，并在第54天达到全年最大值2 195.1 m2，增加了约70 m2，此后水分储量保持在较高水平直至2019年10月中旬；随着旱季(11月至次年5月)的到来，降雨量和降雨频次明显减少，整个渣体包气带水分储量在蒸发作用下不断减少，直至2020年6月13日，水分储量降至最小值1 954.1 m2，较初始值减少了约160 m2，中间受间歇性降雨的影响略有波动。可见，整个渣体包气带水分储量随季节的变化明显。

在取样孔SK5处的渣体包气带纵向设置不同深度的观测点，用来观察渣体包气带水分在垂向上的运动变化规律，通过模拟得到各观测点渣体体积含水率的变化情况，见图12。

图12 模拟期内各观测点渣体体积含水率的变化

由图12可以看出：0～7.3 m的7个观测点渣体体积含水率均有不同程度的变化，自上而下年际变幅逐渐减小；渣体表层含水率受降雨入渗的影响明显，含水率变化剧烈，其中地表0 m处渣体体积含水率在2019年12月之后的旱季甚至降至渣体的残余含水率，说明旱季蒸发强度非常强烈；与渣体上部差异明显不同的是，9.4～32.3 m的渣体体积含水率基本不随降雨变化，维持在初始状况，亦或者说降雨入渗深度不足9.4 m，这与HYDRUS-1D模拟结果基本对应，表明渣体包气带厚度较大的区域水分垂向运移深度有限。

此外，根据HYDRUS-2D的模拟结果可以说明，对于该渣堆而言，当其渣体的堆存厚度超过9.4 m后，底部不会形成渗滤液，降雨入渗的水分暂时储存在渣体包气带内部，后续将通过持续蒸发而消耗。

3 渗滤液产生及其影响因素分析

渗滤液产生与降雨量和蒸发量等气象因素以及渣场环境要素有关，同时也与渣体初始含水率和渣体包气带的持水能力变化有关，并且各因素相互作用共同影响，其中自然降水和渣体包气带结构是主要影响因素。本节均采用HYDRUS-1D进行数值模拟，并根据模拟结果主要分析土壤水储存量、径流量、入渗量和底部渗漏量的变化情况。

3.1 气象要素的影响分析

根据昆明地区降雨资料统计，昆明11个县市区30年内出现连续2天暴雨的次数共有16次，几率非常低；出现连续大暴雨(≥100 mm)的天数最多为1天[19]。针对昆明当地气象要素条件，本文分别选取小雨、中雨、大雨、暴雨4种降雨强度进行了模拟(见表5)。不同降雨强度下渣体包气带水分储量及底部渗漏量的模拟结果，见图13。

表5 4种降雨强度的模拟日期和降雨量

图13 不同降雨强度下渣体包气带的水分储量和底部渗漏量

由图13可以看出：在暴雨情况下渣体包气带的水分储量增加明显，大雨和中雨时渣体包气带的水分储量仅小幅增加，而小雨时由于蒸发量大于降雨量，渣体包气带的水分储量甚至出现下降趋势，表明渣体包气带水分储量主要受降雨量和蒸发量控制，且与降雨强度明显相关[见图13(a)]；大雨、中雨、小雨3种情况下底部渗漏量非常少，均不到0.1 cm，而暴雨情况下底部渗漏量超过1.3 cm，远远高于其他降雨强度，表明仅在暴雨条件下渣体包气带会饱和并产生渗漏量，即在渣体底部出现渗滤液[见图13(b)]。

在实际情况下，昆明地区暴雨次数少且过程历时短，降雨强度若超过渣体表面的下渗能力即产生超渗产流，转而形成地表径流，更加限制了渣体包气带渗滤液的产生。

3.2 渣体包气带结构的影响分析

3.2.1 渣体物质组成及厚度对水分运移的影响

渣体包气带的持水能力与其底部能否产生渗滤液密切相关，而渣体的物质组成及厚度则直接影响到渣体包气带的持水能力。本次模拟设计采用30 m厚的不同渣体物质成分(即熔炼渣、石膏渣、生活垃圾)，渣体主要水力参数见表3，渣体初始体积含水率均为0.12，模拟期为2010年1月1日至2020年12月31日，共计4 018 d，主要模拟各类渣体体积含水率的年际变化规律。期间降雨量主要集中在6～10月份，其他月份的降雨量很小且蒸发量大，雨旱分明，季节性特征鲜明，见图14。

图14 模拟期内月降雨量和月蒸发量的变化

模型设置同第2.2节，将观测点调整为1.0 m、3.0 m、5.0 m、10.0 m、20.0 m处，通过单变量控制，模拟研究区不同物质组成的渣体包气带在不同深度下水分运移和底部渗漏量情况，其结果见图15。

由图15可以看出：研究区熔炼渣、石膏渣、生活垃圾渣体接受降雨后体积含水率均明显升高，呈现明显的年际周期性规律；在厚度均为30m的情况下，不同物质组成的渣体包气带水分运移及其渗滤液产生量的区别非常明显，具体表现如下：

(1) 熔炼渣降雨入渗速率最快，第1年雨季到来时渣体上部(1.0 m、3.0 m、5.0 m)体积含水率明显上升，第2年雨季时入渗的水分已经运移转至渣体中部(10.0 m)，再往下受渣体包气带厚度的影响，直至第4年才开始有入渗的水分抵达渣体下部(20.0 m)，渣体整体体积含水率在0.13～0.20之间浮动，越接近地表变幅越大[见图15(a)]。

图15 各类渣体不同深度体积含水率和底部渗漏量的变化

(2) 石膏渣相对熔炼渣而言，水分运移的速度较慢，渣体体积含水率变幅较小，在0.18～0.28之间浮动，渣体中部和下部分别到第4年和第7年体积含水率才开始增加，且变幅小于熔炼渣[见图15(b)]。

(3) 生活垃圾是3种主要渣体中水分运移速度最慢的，但其稳定后体积含水率较高，在0.25～0.35之间浮动，渣体包气带的持水能力更强。由图15(c)可以看到生活垃圾各深度体积含水率增加的拐点均是最长的，且在HYDRUS-2D模拟中生活垃圾分布区体积含水率也基本没有变化，这都表明生活垃圾自身的持水能力较强。

(4) 熔炼渣在第1年雨季后产生了极少量的渗滤液，至第6年渣体包气带储水量达到峰值，渣体持水能力大幅下降，因而底部渗漏量开始快速增加。与此同时，石膏渣直到第10年底部才产生渗漏量，且远小于熔炼渣渣体的渗漏量；生活垃圾甚至没有出现底部渗漏，表明多年来降水入渗尚未超过其最大持水能力，无法汇流成渗滤液。可见，渣体厚度越大，水分运移至底部的时间越长，因此在影响渣体包气带水分运移及其产生渗滤液方面表现为：熔炼渣>石膏渣>生活垃圾。

3.2.2 渣体结构类型对水分运移的影响

为了分析渣体结构类型对底部渗滤液产生的影响，采用1.0 m熔炼渣、1.0 m石膏渣、1.0 m生活垃圾进行不同渣体结构类型配置(总厚度设置为3.0 m)，用于模拟渣体底部的渗滤液产生量。由于生活垃圾全部被覆盖，故未将生活垃圾置于顶部，可得4种结构类型的渣体(见图16)，简写为石(膏渣)+生(活垃圾)+(熔炼)渣等形式，具体参数设置和模拟条件与上节相同。模拟得到不同结构类型渣体渗滤液产生量、水分储量增量和实际蒸发量的变化，见图17。

图16 模拟的4种渣体结构类型

图17 不同结构类型渣体渗滤液产生量、水分储量增量和实际蒸发量的变化

由图17可以看出：渣体结构类型对入渗能力、蒸发作用均具有明显的影响，底部为熔炼渣的渣体结构其渗漏量最大为14.55 cm，而相对渗透能力较弱的生活垃圾和石膏渣位于熔炼渣下部时，底部渗漏量明显减小，分别为4.17 cm、4.37 cm，不到前者渗漏量的1/3；水分储量增量在渣体物质组成厚度基本相同情况下大致相同；实际蒸发量明显受上部渣体结构类型的影响，熔炼渣在渣体结构顶部时，实际蒸发量远高于上部为石膏渣的渣体结构，而上部渣体一致下部渣体不同时，实际蒸发量近似，没有太大差异。

综上可知，渣体结构类型对于整个渣体包气带水分运移的影响很大；上部为熔炼渣时，虽然一定程度上有利于降雨入渗，但当下部为生活垃圾或石膏渣时，导水率变小，水力阻滞作用明显，严重阻碍了水分向下运移；同时，实际蒸发量会更大，并会导致旱季没有降雨入渗时渣体包气带水分含量不断减少。

3.3 渣体初始体积含水率的影响分析

渣体初始体积含水率是其入渗能力的重要影响因素[20]，为了分析渣体初始体积含水率对渣体渗滤液产生的影响，采用熔炼渣作为典型渣体进行了模拟分析。渣体厚度设计为30 m，模拟期为2020年1月1日至2020年12月31日，共计366 d，期间累计降雨量为1 056.6 mm，蒸发量为1 198.0 mm，并通过设置4种不同渣体初始体积含水率θ0(0.04、0.08、0.12、0.16)，对渣体渗滤液产生量进行了模拟分析，其模拟结果见图18。

图18 不同渣体初始体积含水率下渣体渗滤液产生量和水分储量增量的变化

由图18可以看出：随着渣体初始体积含水率的增加，底部渗漏量越来越大，从0 cm增加到21.09 cm，水分储量增量却越来越小，从51.88 cm变为24.63 cm，减少近50%；在渣体初始体积含水率接近残余体积含水率时(θ0=0.04)，渣体底部没有渗漏量，表明降雨入渗量未超过包气带持水能力，仅使渣体水分储量增加而已；当渣体初始体积含水率达到0.08时，底部才开始产生渗滤液。

渣体底部渗漏量随渣体初始体积含水率的增加而增大，主要是因为渣体包气带持水能力有限，当渣体初始体积含水率增加时，渣体所吸持的水量相应降低，有利于水分向下运移，从而在渣体底部产生渗漏液。而接近饱和体积含水率的渣体相对于干燥渣体，其吸水后孔隙减少，因而其入渗率低于干燥渣体，其水分储量增量也比较小。

3.4 覆土层厚度的影响分析

为了抑制渣场粉尘飞扬和渗滤液产生，冶炼企业近年来在渣堆表面覆盖了黏土。覆盖层厚度直接影响地表径流和入渗量，也进而影响渣体渗滤液产生量和蒸发量。为此将模型概化为厚3.0 m的熔炼渣，设计无覆土、0.1 m覆土、0.2 m覆土、0.5 m覆土4种情况，覆土层的参数取自表4中的杂填土，模拟期同上节，熔炼渣初始体积含水率设计为0.08，覆土层初始体积含水率设计为0.15；将上部大气边界调整为可产流并流失，模拟得到不同覆土厚度下渣体水量的变化，见图19。

图19 不同覆土层厚度下渣体水量的变化

由图19可以看出：无覆土层时，降雨全部入渗到渣体中，而有覆土层情况下均产生一定的地表径流，且地表径流量随覆土层厚度的增加而增加[见图19(a)]；入渗渣体中的水分主要转换为渣体包气带水分储量，无覆土层时部分转换为底部渗漏量，有覆土层时底部无渗漏量，同时覆盖的杂填土厚度越大，整个渣体的实际蒸发量越小[见图19(b)]，表明覆土层能有效减少降雨入渗水量，抑制渣体底部产生渗滤液，抑制下部熔炼渣的蒸发排泄。

4 结论与展望

在基于对云南某冶炼废渣堆渣体包气带特征研究的基础上，利用HYDRUS软件对渣体单个典型钻孔一维、主要渣体包气带剖面二维进行了数值模拟，探究了该渣体渗滤液的产生及其影响因素，得出了以下结论：

(1) 渣堆物质组成与堆存结构较复杂，由熔炼渣、石膏渣、生活垃圾等多种渣体类型组成且堆积厚度巨大，可考虑将渣体视为大气降水补给地下水过程中的关键包气带，渗滤液迁移问题可以概化为渣体包气带水分运移问题，并结合水均衡分析有助于阐述和分析渗滤液的产生及其影响因素。

(2) 结合包气带水文地质理论并参考渣体垂向入渗的特点，采用HYDRUS-1D模型较好地模拟了巨厚渣体包气带水分运移规律。以取样钻孔SK5为例，模拟期间总降雨量达215.2 mm，模拟结果表明：大气降水入渗渣体包气带后仅改变有限深度的渣体含水率，临界深度为8.8 m，无法在渣体包气带底部形成渗滤液。

(3) HYDRUS-2D模拟反映出研究区主方向剖面渣体包气带的体积含水率年际内变化明显，渣体底部渗滤液产生量主要增长阶段在雨季，而旱季渣体包气带水分储量不断减少，且该冶炼渣体包气带水分垂向运移深度有限，最大运移深度在7.3～9.4 m之间，这与HYDRUS-1D的模拟结果相近。在昆明地区蒸发量高于降雨量情况下，难以超过渣体包气带的最大持水能力，故无法在底部大范围形成渗滤液。

(4) 研究区渣体包气带水分运移主控条件为气象要素(如降雨、蒸发等)，影响降水入渗的因素主要为渣体包气带结构(渣体物质组成及厚度、渣体结构等)，同时能否形成渗滤液也与渣体初始体积含水率和渣体包气带的持水能力变化有关，并且各因素相互交叉共同影响。暴雨条件下熔炼渣相较于石膏渣和生活垃圾更易产生渗滤液，而非暴雨强度下，渣体包气带越厚、渣体初始体积含水率越低、渣体物质组成及其结构越复杂、覆土层越厚的条件下，渣体越难以产生渗滤液。

研究区渣堆因所在地的蒸发量远大于降雨量、渣体自身堆积厚度大、火法工艺产生的熔炼渣体较为干燥、渣体物质组成及其结构差异极大等因素影响下，故而渣体渗滤液产生量少，分布位置和出露范围有限。在这种背景下，渣堆下部黏性土层作为连续稳定的天然防渗层可阻滞渣堆渗滤液的垂向运移[21-22]，从而对渣场深部岩溶含水层无重大威胁。由于渣体包气带水分运移过程较为复杂，本研究未考虑渣体内部热量变化对渗滤液产生的影响，今后可深化拓展相关方面的研究。

冶炼废渣堆的渗滤液产生及其影响因素研究是场地地下水污染监测系统建设和污染原位风险管控方案的基础性内容，本研究得到的结论可为类似历史遗留固废的原位风险管控提供借鉴。