金矿尾矿库地下水砷污染迁移的数值模拟研究

邓玉彪

（上海合然环保科技有限公司，上海 200082）

近年来矿山污染问题越来越引发关注，尾矿库对地下水环境的污染不易察觉，且不良后果难以根除。因此，研究尾矿库对周边地下水污染的影响具有重要意义。地下水模拟软件GMS常被用来进行地下水数值模拟建模[1-3]。本研究运用GMS软件，针对研究区金矿尾矿库持续渗漏对周边地下水环境的影响，尤其是对下游地下水型集中式饮用水水源地可能造成的影响进行模拟分析[4-6]，提出相应的防控措施。

1 研究区概况

1.1 自然地理及水文地质条件

金矿尾矿库于2015年建成使用。研究区以剥蚀地貌为主，多年平均降雨量924.9 mm，年均蒸发量2 100 mm。尾矿库下游约1 720 m处有一地下水型集中式饮用水水源地，保护区以取水井为中心，半径为100 m。尾矿库位于研究区东南侧沟谷上游，沟谷贯穿研究区，出露地层为全新世松散沉积物；沟谷两侧山坡出露地层主要为中元古代片麻岩。沟谷地下水为第四系松散岩类孔隙潜水，水位埋深小于6.0 m，含水层厚度为5～15 m；两侧山坡地下水为变质岩类裂隙水，水位埋藏深度小于15 m，水流量较小，不具备承压性，水位标高与地形起伏基本吻合，形成浅部风化裂隙中弱含水带。除侧向径流补给和侧向排泄外，地下水补给和排泄方式主要表现为大气降水补给和蒸发排泄，区内未见泉眼。研究区地下水流向主要为两侧山坡向中间沟谷流，沟谷内地下水自东南流向西北。

研究区水文地质如图1所示。

图1 研究区水文地质

1.2 地下水污染现状

尾矿库主要堆存氰化法炼金工艺产生的废弃尾渣，含有大量氰化物和金属砷、镉[7]。目前，尾矿库废水中砷浓度达14.8 mg/L，下游部分区域地下水中砷浓度明显高于区域背景值（0.003 mg/L）。沟谷内地下水砷浓度趋近尾矿库，呈现显著递增趋势，超出地下水Ⅲ类水质标准（As>0.01 mg/L）的范围已扩散至距离尾矿坝西北方向1 206 m处。

2 模型建立

2.1 水文地质概念模型

研究区地下水主要为沟谷区域第四系松散岩类孔隙潜水以及两侧山坡区域的浅部风化裂隙潜水，下伏基岩裂隙发育程度及透水性极差，两种地下水可以概化为单层含水层结构。

模拟区东南边界的尾矿坝和西北边界的沟谷下游出口地下水位稳定，为定水头边界，水头高度由地下水位确定。其余边界为山脊分水线，设为零流量边界。模型上部为潜水界面，以接受大气降水补给和蒸发排泄为主。模型下部根据钻孔揭示结果，约20 m深度处水量交换变得极少，可以概化为隔水底板。模拟区总面积4.28 km2。

水文地质概念模型及参数分区如图2所示。

图2 水文地质概念模型及参数分区

2.2 数学模型

按照水文地质概念模型，建立研究区各向异性三维稳定地下水流数学模型[8]；不考虑含水层中污染物的挥发、交换、吸附和生物化学反应，建立溶质运移数学模型[9]。数学模型包括控制方程、初始条件和边界条件，组成定解问题，应用三维有限差分法，联合运行GMS的MODFLOW与MT3DS两大模块进行求解，得到特征污染物在设定情景下不同时间、不同方向的模拟扩散范围。

2.3 数值模型

（1）网格剖分。

建立地下水流数学模型，对模拟区进行空间离散。平面剖分为10 m×10 m的单元格，模拟区共剖分为有效网格91 453个。

模拟区网格剖分如图3所示。

图3 模拟区网格剖分

（2）模型参数确定。

①水文地质参数。结合区域水文地质资料及研究区微水试验结果，设置模拟区水文地质参数。

模拟的地下水流场与实际的地下水流场比较如图4所示。

图4 模拟的地下水流场与实际的地下水流场比较

水文地质相关参数汇总如表1所示。

表1 水文地质相关参数汇总

②源汇项处理。

大气降水入渗补给与蒸发排泄。根据当地气象资料，研究区年均降雨量924.9 mm，降水入渗系数选区域平均值0.2，模拟区总面积4.28 km2，则模拟区大气降水入渗量为79.17 m3/a。根据钻孔揭示结果，模拟区潜水埋深为3.5～15.0 m，潜水蒸发量较少，与大气降水入渗量相比，可忽略不计。因此，将大气降水入渗补给量简单概化为模型上部有效净补给量。

侧向补给与侧向排泄。模拟区东南边界尾矿坝段定义为定水头边界，按实测水位赋予水头值，由模型内置程序自动计算侧向补给量。模拟区西北边界沟谷下游出口段定义为定水头边界，按实测水位赋予水头值，由模型中的内置程序自动计算侧向排泄量。

（3）源强设置。

根据尾矿库废水及下游地下水样品检测结果，选取特征污染物砷为预测因子。尾矿坝处处于持续渗漏状态，选择模拟区东南侧尾矿坝作为源强，模型中设为定浓度边界，砷浓度取值14.8 mg/L。

（4）模型验证。

建立模型，对渗流场进行拟合，并校正各项相关参数。比较模拟区内6口地下水观测井的水位实测值和模型计算值，差值范围在模型允许误差内。模拟的地下水渗流场与实测水位绘制的实际地下水渗流场较吻合，表明模型基本能够客观反映模拟区实际的地下水流系统。将尾矿库运行6年后的地下水砷浓度模拟结果与现状调查结果进行拟合，地下水中砷的模拟浓度与实测浓度相差不大。因此，模型可以用来进行模拟区地下水污染物运移规律的模拟分析。

地下水位的模拟值与实测值如图5所示。地下水中砷浓度的模拟值与实测值如图6所示。

图5 地下水位的模拟值与实测值

图6 地下水中砷浓度的模拟值与实测值

3 模拟结果与分析

根据模拟结果分析，金矿尾矿库淋溶废水持续渗漏可能对周边地下水环境造成影响，对集中式饮用水源地保护区的影响进行分析。

现状条件下（尾矿库持续渗漏6年），地下水砷浓度大于区域背景值（0.003 mg/L）的污染晕范围约289 882 m2，地下水砷浓度大于《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ类限值（0.01 mg/L）的超标范围约为265 528 m2。尾矿库持续渗漏对下游1 267 m范围内的地下水环境造成一定影响，砷超标范围最远扩散至下游1 206 m，未对饮用水水源地保护区造成影响。

尾矿库在现状条件下持续渗漏，将导致下游沟谷内地下水中砷污染晕范围和砷超标范围不断扩大、逐渐趋于稳定，砷污染晕范围在未来10年内最终稳定为473 570 m2，砷超标范围在未来15年内最终稳定为473 345 m2。尾矿库持续渗漏在未来5年内对饮用水水源地保护区地下水环境产生污染影响，地下水砷浓度可以达0.021 mg/L，超出Ⅲ类水质标准，上游尾矿库的持续渗漏严重威胁饮用水水源地保护区的地下水水质安全；水源地保护区地下水砷浓度将继续升高，在20年时达到7.460 mg/L。

4 结语

研究区尾矿库持续渗漏对下游地下水环境造成的污染正不断扩散，如不及时采取应对措施，未来5年内将危及下游集中式饮用水水源地的供水安全。建议对尾矿库的底部和尾矿坝重新进行防渗处理，防止废水继续渗漏。针对沟谷中继续向下游扩散的地下水污染物，建议采取有效的风险管控或修复措施，并在下游布设地下水水质监测井，增加监测频率，以便实时掌控地下水污染物迁移动态。此外，还需制定居民应急供水预案，尾矿库持续渗漏危及水源地保护区时，及时采取相关措施保障居民供水安全。