任 旭

(攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

尾礦為選礦作業(yè)中廢棄部分，截止到2002年，我國每年生產(chǎn)的各種工業(yè)固體廢物和尾礦已達6×108t[1]。尾礦庫起初是用來容納尾礦及其廢水的環(huán)境保護設(shè)施，隨著尾礦逐年累積，尾礦庫會轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘奈廴驹础Ｎ驳V庫承載的尾礦浸出液中含有的污染因子，可能對地下水環(huán)境產(chǎn)生一定影響[2]。四川攀西地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，礦區(qū)周邊村落居民多以地下水為生活、生產(chǎn)供水水源，地下水環(huán)境敏感，在此地區(qū)防止尾礦浸出液下滲對地下水水質(zhì)污染，保護地下水環(huán)境尤為重要。

本文將以攀西地區(qū)某鉛鋅尾礦庫為例，根據(jù)實地調(diào)查，區(qū)域水文地質(zhì)資料，水文地質(zhì)試驗及尾礦浸出試驗，確定水文地質(zhì)參數(shù)，污染因子及污染源強。利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS，對尾礦庫不同運行工況下，浸出液下滲對地下水環(huán)境影響的程度及范圍進行模擬計算分析，并提出切實可行的地下水環(huán)境保護緩解措施。

1 尾礦庫工程概況及區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 尾礦庫工程概況

尾礦庫選址于金陽縣熱水河內(nèi)，占用部分河道，總庫容114.37萬 m3，永久占地為26.07畝。尾礦庫上游修建攔水壩將熱水河尾礦庫區(qū)上游來水集中收集，并通過引水隧道的方式排至尾礦庫下游。尾礦庫內(nèi)則修建初期壩和排洪系統(tǒng)，其中初期壩為堆石壩，壩高37.5 m，壩頂寬4 m，壩軸線長約75.76 m，選廠產(chǎn)生的尾礦通過無壓自流管輸送至尾礦庫，當(dāng)尾礦堆積高度超過初期壩時采用上游堆積法造壩，直至加高至標(biāo)高1 240 m;尾礦庫內(nèi)的排洪系統(tǒng)采用框架井+泄洪隧道的方式。尾礦庫內(nèi)收集的廢水采用泵加壓回水方式返回選廠高位水池供選礦廠重復(fù)使用(見圖1)。

1.2 區(qū)域地質(zhì)背景及水文地質(zhì)概況

尾礦庫區(qū)位于金沙江以西，屬深切割中高山地貌。尾礦庫區(qū)域出露地層中與工程建設(shè)密切相關(guān)的主要為寒武系(∈)，巖性總體為一套碎屑沉積、碳酸鹽沉積巖。庫區(qū)未見斷層發(fā)育，構(gòu)造以巖體節(jié)理及褶皺為主，構(gòu)造形跡總體屬于一個穹隆狀背斜遭受斷裂破壞后的殘余部份。尾礦庫區(qū)含水層以寒武系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r地層為主，溶孔、溶隙一般規(guī)模較小，巖溶泉水流量僅在0.02～2 L/s之間。區(qū)內(nèi)地形坡降大，地表徑流條件好，使部分大氣降水以地表徑流形式流出區(qū)外，部分大氣降水補給含水層，受構(gòu)造及地層巖性控制主要沿層間裂隙、基巖裂隙中賦存和運移，于斜坡沖溝河床以分散狀泄流出地表，受巖性、節(jié)理裂隙等影響，局地以泉的形式排泄，或直接排泄到當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面熱水河中。

圖1 尾礦庫平面布置圖

2 浸出液下滲量計算

2.1 工況設(shè)計

按照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》要求，Ⅱ類工業(yè)固體廢物處置場中，當(dāng)天然基礎(chǔ)層的滲透系數(shù)大于1.0×10－7cm/s時，應(yīng)采用天然或人工材料構(gòu)筑防滲層，防滲層的厚度應(yīng)相當(dāng)于滲透系數(shù)1.0×10－7cm/s和厚度1.5 m的粘土層的防性能。本文以尾礦庫區(qū)設(shè)置防滲層為基礎(chǔ)分別設(shè)計尾礦庫的兩種運行工況，并計算各工況下尾礦浸出液下滲量[3]。

1)正常工況:庫底、邊坡和初期壩內(nèi)側(cè)設(shè)1.5 mm厚滲透系數(shù)不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防滲層;

2)非正常工況:設(shè)庫底、邊坡和初期壩內(nèi)側(cè)設(shè)1.5 mm厚滲透系數(shù)不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防滲層，但防滲層有10%出現(xiàn)破損。

2.2 尾礦浸出液下滲量計算

尾礦庫的下滲補給量，采用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)專業(yè)軟件中的SEEP2D模塊進行了計算。

1)數(shù)學(xué)模型

壩體庫區(qū)內(nèi)滲流的模型為[4]:

式中:Ω為計算區(qū)域;S1為上游定水頭邊界;S2為下界面隔水邊界;S3為下游定水頭邊界;S4為滲出面邊界;S5為上界面隔水邊界;n為邊界的外法線方向;H為計算區(qū)內(nèi)及邊界上的水頭分布;K為含水層介質(zhì)的滲透系數(shù)。

2)概念模型

選取尾礦庫最大縱斷面進行二維模擬，模型頂部為尾礦自然堆積層，尾礦之下為防滲層，防滲層之下為基巖。模型上游以尾礦庫為澄清水池為定水頭邊界(水位高程1 238.5 m)，下游以熱水河為定水頭邊界(水位高程1 175 m)。

模擬區(qū)可概化為非均質(zhì)各向異性剖面二維穩(wěn)定流系統(tǒng)，如圖2。

圖2 概化二維有限元網(wǎng)格化計算模型

3)計算參數(shù)的選取

根據(jù)1:20萬區(qū)域水文地質(zhì)資料中關(guān)于含水巖組及其富水性的劃分，僅尾礦庫區(qū)計算模型中主要涉及2種不同富水性能的地層，分別為寒武系上中統(tǒng)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r(∈3e、∈2d)和寒武系中統(tǒng)粉砂巖(∈2x)，含水層、壩體及防滲層的滲透系數(shù)主要參考《熱水河尾礦庫水文地質(zhì)試驗報告》中的鉆孔壓水試驗數(shù)據(jù)，尾礦庫初步設(shè)計，1:20萬區(qū)域水文地質(zhì)報告[5]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范確定。計算參數(shù)選取見表1。

表1 浸出液下滲量計算參數(shù)表

4)計算結(jié)果

由表2可知:不加任何防滲層時，尾礦庫的滲漏量為12.5 m3/d·m，即 947 m3/d;設(shè)鋪設(shè) 1.5 mm厚滲透系數(shù)不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防滲層后，尾礦庫的滲漏量大為減少至 0.037 m3/d·m，合 2.80 m3/d，僅為前者的0.3%，說明防滲層起到了良好的阻水作用;當(dāng)所設(shè) 1.5 mm厚滲透系數(shù)為1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防滲層，但防滲層出現(xiàn)10%的破損時，尾礦庫的滲漏量為1.28 m3/d·m，合97.22 m3/d。

3 熱水河尾礦庫對區(qū)域地下水環(huán)境影響結(jié)果分析

3.1 源強分析

根據(jù)《尾礦渣毒性浸出試驗報告》(見表3)及各工況下浸出液下滲量，可計算不同條件下污染物下滲量見表4。

表2 浸出液下滲量計算結(jié)果

表3 尾礦浸出液分析結(jié)果表 mg/L

3.2 模擬條件及計算過程

3.2.1 模擬邊界及模擬時間

模擬范圍向西熱水河與金陽河分水嶺為界，向南以熱水河與金沙江分之間分水嶺為界，向北以庫區(qū)上游2 km為界，向東以熱水河斷裂為界。模擬區(qū)以熱水河為地下水的排泄邊界(定水頭邊界)，考慮到金沙江侵蝕基準(zhǔn)面面的影響，模型東邊界和南邊界設(shè)為通用水頭邊界，西邊界和北邊界設(shè)為零流量邊界，模擬區(qū)域外的單元格設(shè)為無效單元格。

尾礦庫運行6 a，分為正常工況非正常工況，爾后進入封場期。因模擬運行共20 a后，地下水流場中污染因子基本達到平衡，模擬時間共為20 a。

3.2.2 計算方法

本次地下水環(huán)境模擬采用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)專業(yè)軟件中的MODFLOW和MT3D模塊。

1)MODFLOW模塊數(shù)學(xué)模型:根據(jù)水文地質(zhì)概念模型及含水層水力性質(zhì)，將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)，利用MODFLOW模塊計算地下水滲流場，該數(shù)學(xué)模型如下[6]:

Kx、Ky、Kz為滲透系數(shù)在 x、y、z方向的分量(m/d)(假定滲透系數(shù)主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致);H為地下水水頭(m);M為含水層厚度(m);W為單位體積流量，用以代表流進源或流出匯的水量;H0為地下水初始水頭(m);t為時間(d);D為模擬區(qū)范圍;Γ1為一類邊界;Γ2為二類邊界;q為邊界流量[6、7]。

2)MT3D模塊數(shù)學(xué)模型:依據(jù)最不利原則，不考慮包氣帶的降解作用和防污性能。假設(shè)污染物在地表或近地表處一經(jīng)滲漏，即到達含水層，對地下水發(fā)生污染。忽略污染物的溶解吸附作用和化學(xué)反應(yīng)，溶質(zhì)運移的二維水動力彌散方程的數(shù)學(xué)模型如下[7]:

初始條件為:

邊界條件為:

式(1)中，右端前四項為彌散項，后一項為對流項。其中:θ為介質(zhì)孔隙度(無量綱);c為溶質(zhì)濃度(mg/L);Dxx，Dyy為 x，y，z三個主方向的彌散系數(shù)(m2/d);μx，μy為 x，y 主方向的實際滲流速度(m/d);W為水流的源匯項。

式(2)和式(3)中，C0為溶質(zhì)初始濃度(mg/L);→v為滲流速度(m/d);Ω為溶質(zhì)滲流的區(qū)域;τ2為二類邊界;Φ為邊界溶質(zhì)通量;gradc為濃度梯度。

(1)式的解必須和(2)、(3)式聯(lián)立才能求解。

3.2.3 參數(shù)選取

根據(jù)1:20萬《區(qū)域水文地質(zhì)資料(昭通幅)》，模型區(qū)主要涉及4類富水性能不同的地層，含水層滲透系數(shù)主要參考項目《水文地質(zhì)試驗報告》中的壓水試驗數(shù)據(jù)及1:20萬區(qū)域水文地質(zhì)報告確定(見表5)。根據(jù)研究資料，該套地層中縱向彌散系數(shù) 20 m2/d，橫向彌散系數(shù) 2 m2/d[8、9]。

3.3 初始滲流場模擬計算及校核

根據(jù)初始滲流場的模擬結(jié)果，受區(qū)內(nèi)地形地貌、富水巖組分布及構(gòu)造發(fā)育等條件控制，在地形較高地區(qū)地下水位埋深較大，表現(xiàn)為單元格被疏干(無填充的單元格)，而在地勢較低的河谷地帶，地下水位埋深較淺，甚至有的區(qū)域表現(xiàn)為富水區(qū)(三角形標(biāo)記單元格)，這與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件及實地調(diào)查結(jié)果相符。根據(jù)預(yù)測，初期壩附近地下水水位埋深約3.2 m，這與水文地質(zhì)鉆探中的 ZK1和 ZK2鉆孔中水位(埋深3.0～3.5 m)基本相符。由上分析可知，不考慮尾礦庫影響，穩(wěn)定流運行結(jié)果可以作為本次模擬的初始滲流場。

表4 污染物源強計算表

表5 地下水滲流場計算參數(shù)表

圖3 正常工況尾礦庫運行Pb離子濃度分布圖

3.4 溶質(zhì)運移預(yù)測結(jié)果對比分析

模擬計算結(jié)果顯示，正常工況下污染物遷移及影響范圍較小，如圖3所示，由于污染物主要集中在尾礦庫及其周邊區(qū)域，因此，為直觀表達，將影響區(qū)域按一定比例放大后予以展示(圖中一個單元格為50 m×50 m)。

正常工況下，尾礦庫及周邊地下水中污染成分隨時間延長，其濃度增速放緩，并逐漸達到平衡，Pb、Zn、Cu、Hg4種金屬離子模擬結(jié)果表明(見表 6)，尾礦庫運行20 a后，地下水系統(tǒng)中各污染物濃度均滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[6]中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值要求。當(dāng)尾礦庫以非正常狀態(tài)運行時，隨時間延長，尾礦庫及周邊地下水中污染物濃度逐步增加，同時期相比，非正常工況下地下水中污染物含量是正常工況下的20倍左右。非正常工況下，Zn、Cu、Hg3種金屬離子在尾礦庫運行5 a內(nèi)均不超標(biāo);Pb在尾礦庫運行1 a內(nèi)不超標(biāo)，2～5 a內(nèi)最大可達 0.066 5～0.152 7 mg/L，超出《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(0.05 mg/L)要求[11]，超標(biāo)范圍約0.037 5 km2，主要分布在庫區(qū)及周圍和庫區(qū)東南側(cè)區(qū)域(地下水徑流方向)，最大超標(biāo)距離距初期壩約50 m(見圖4)。

圖4 非正常工況尾礦庫運行Pb離子濃度分布圖

4 地下水環(huán)境保護措施

本實例通過對正常生產(chǎn)工況和非正常工況的模擬計算，提出了源頭控制、過程控制及末端控制等措施，具體如下:

1)源頭控制:尾礦浸出液主要來源為尾礦渣自含水及大氣降水。針對浸出液主要來源提出以下兩點主要措施:

(1)庫區(qū)內(nèi)收集的尾礦澄清水和雨水禁止外排，全部收集后回用于選廠選礦;

(2)為了減少庫區(qū)匯水面積和進入尾礦庫的大氣降水，實現(xiàn)“清污分流”，要求在庫區(qū)以上設(shè)置多級截洪溝，最大程度將雨水收集并排出庫外。

2)過程控制:針對實例中正常工況及非正常工況下對地下水環(huán)境的不同影響程度，保護措施的重點是減緩攜帶污染物的地下水滲流速率，降低污染物遷移途徑中滲透介質(zhì)的滲透系數(shù)和水力坡度。熱水河尾礦庫天然基礎(chǔ)層滲透系數(shù)為10～5 cm/s量級，按《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，應(yīng)采用天然或人工材料構(gòu)筑防滲層，防滲范圍包括庫底、庫坡和初期壩等，防滲層性能應(yīng)不低于厚度1.5 m、滲透系數(shù)1.0×10－7cm/s的粘土防滲性能。由于項目所在地缺乏優(yōu)質(zhì)粘土資源，故環(huán)評要求采用厚度1.5 mm，滲透系數(shù)不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜作為防滲層。防滲系統(tǒng)由下至上結(jié)構(gòu)為:壓實基礎(chǔ) +500 mm壓實粘土層 +1.5 mm-HDPE膜+600 g土工布。

3)末端控制:為回收庫內(nèi)排洪系統(tǒng)及超出庫內(nèi)澄清池容量尾礦浸出液，在初期壩下游、庫外排洪出口以上修建攔水壩，使攔水壩與初期壩之間形成蓄水池(庫容共計約3.0萬m3)，一方面可以調(diào)蓄尾礦庫浸出液，另一方面可以作為事故水池收集洪水期間庫內(nèi)排洪。環(huán)評要求該蓄水池池底及池壁敷設(shè)1.5 mm厚的HDPE膜進行防滲處理。收集的廢水返回庫內(nèi)澄清水池中，與澄清水一起經(jīng)加壓泵送至選廠高位水池回用，不外排。

表6 污染物最大值與時間相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計表

5 結(jié)語

(1)固體廢棄貯存、處置場的設(shè)置，需根據(jù)國家相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)，明確堆存固體廢棄物性質(zhì)，對不同類別處置場采取不同級別防滲措施，Ⅱ類處置場防滲當(dāng)天然基礎(chǔ)層的滲透系數(shù)大于1.0×10－7cm/s時，應(yīng)采用天然或人工材料構(gòu)筑防滲層，防滲層的厚度應(yīng)相當(dāng)于滲透系數(shù)1.0×10－7cm/s和厚度1.5 m的粘土層的防滲性能。

(2)根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、前期調(diào)查獲得的含水層介質(zhì)的參數(shù)，采用數(shù)值模擬的方法，計算比較防滲層完好及防滲層破損10%的條件下對地下水環(huán)境的影響程度，防滲層破損10%的條件下滲漏量逾20倍，造成約0.037 5 km2超出《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值(Pb≤0.05 mg/L)要求。在庫區(qū)防滲層的鋪設(shè)及運營管理過程需加強管理，盡量避免對防滲層的損傷。

(3)在處置場的運行及封場期(至穩(wěn)定)需設(shè)置地下水水質(zhì)監(jiān)測體系，對地下水水質(zhì)的變化進行監(jiān)測，亦為場區(qū)運行狀態(tài)的判定提供依據(jù)，及時采取相應(yīng)的地下水環(huán)境保護措施。

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