■劉亮顧春杰吳奇譚桂麗

（1江蘇省地質(zhì)工程有限公司 江蘇南京 210018；2浙江海北勘察股份有限公司 浙江嘉興 314200；

3地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院 江蘇南京 210007；4中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心 江蘇南京 210016）

福建尤溪某鋅冶煉加工區(qū)Zn、Pb對地下水環(huán)境影響評價(jià)

■劉亮1顧春杰2吳奇3譚桂麗4

（1江蘇省地質(zhì)工程有限公司 江蘇南京 210018；2浙江海北勘察股份有限公司 浙江嘉興 314200；

3地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院 江蘇南京 210007；4中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心 江蘇南京 210016）

鋅冶煉加工區(qū)主要污染因子為Zn和Pb，為準(zhǔn)確分析加工區(qū)Zn和Pb在地下水中的遷移情況，正確預(yù)測和評價(jià)加工區(qū)建設(shè)運(yùn)行對地下水環(huán)境的影響，以福建尤溪某擬建鋅冶煉加工區(qū)工程項(xiàng)目為例，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬法預(yù)測其遷移情況和擴(kuò)散范圍，選用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)預(yù)測和評價(jià)加工區(qū)Zn、Pb對地下水環(huán)境的影響。結(jié)果表明，模擬區(qū)內(nèi)在非正常運(yùn)營期間，污染物遷移速率較慢；隨著污廢水排放和時(shí)間推移，污染物遷移范圍逐漸擴(kuò)大，將對尤溪河流域造成一定污染。

鋅冶煉Zn、Pb地下水?dāng)?shù)值模擬環(huán)境影響評價(jià)

在我國，作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的冶金工業(yè)，不僅是能源與資源的消耗大戶，其大量排放的污染物也對環(huán)境造成不同層次、不同程度的影響[1]。冶金類建設(shè)項(xiàng)目規(guī)模的迅速發(fā)展，除了直接對地表各種環(huán)境造成一定的影響外，對地下水環(huán)境的影響也越來越大，各種冶金建設(shè)項(xiàng)目與地下水環(huán)境持續(xù)惡化的矛盾已顯得日益突出[2]。因此，為了使地下水資源更好的為人類服務(wù)，就必須開展地下水環(huán)境影響評價(jià)工作，了解冶金建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的污廢水中主要污染物特征因子（Zn、Pb）在地下水中的遷移規(guī)律、運(yùn)移范圍和對環(huán)境的影響程度，預(yù)測和評價(jià)冶金類建設(shè)項(xiàng)目冶煉加工區(qū)污染物對地下水環(huán)境的影響程度。這對判斷冶金類建設(shè)項(xiàng)目選址及布局是否合理、預(yù)測工藝方案可能引發(fā)的地下水環(huán)境問題以及如何揚(yáng)長避短等具有重要意義。本文以福建省尤溪縣某擬建鋅冶煉加工區(qū)工程項(xiàng)目為例，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，建立了Visual Modflow三維地下水流動與污染物運(yùn)移數(shù)值模型，對加工區(qū)非正常運(yùn)營期間，污廢水直接滲入地下時(shí)Zn和Pb的運(yùn)移情況進(jìn)行模擬預(yù)測，確定污廢水中主要污染物特征因子Zn、Pb的運(yùn)移情況及擴(kuò)散范圍，從而評價(jià)Zn、Pb對地下水環(huán)境的影響程度，以及為該鋅冶煉加工區(qū)及其類似項(xiàng)目的規(guī)劃和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)[3]。

1 工程概況

擬建鋅冶煉加工區(qū)位于福建省尤溪縣，規(guī)劃面積為20.14Km2。項(xiàng)目區(qū)地下水環(huán)境的基本情況為：地下水補(bǔ)給為大氣降雨和上游徑流732170m3/d、輸出為尤溪河及支流734224m3/d，基本保持水均衡平衡[4]。該加工區(qū)使用年限為20年，項(xiàng)目排放物的主要污染因子是Zn和Pb等有毒重金屬元素，擬采用熱酸浸出低污染沉礬濕法煉鋅工藝，日排放含Zn、Pb污廢水315噸，處理達(dá)標(biāo)后排放到尤溪河。

2 地下水環(huán)境影響預(yù)測模型

經(jīng)分析該鋅冶煉加工區(qū)正常運(yùn)營期間的污廢水經(jīng)過處理后基本對區(qū)內(nèi)地下水環(huán)境沒有污染，為提高加工區(qū)安全性，本次模擬加工區(qū)非正常運(yùn)營期間Zn和Pb對加工區(qū)及其周邊2.4km×2.1km= 5.04km2范圍內(nèi)（圖1）的地下水環(huán)境影響。假設(shè)期間產(chǎn)生的污廢水即為污染源強(qiáng)直接滲入地下（取值Zn：300 mg/L、Pb：3mg/L），同時(shí)為了評價(jià)污染的長遠(yuǎn)影響，設(shè)模擬時(shí)段為運(yùn)營期20年和期滿后10年共計(jì)30年。

2.1 預(yù)測方法

由于相鄰區(qū)域以前未做過類似鋅冶煉工程對地下水影響的評價(jià)工作，同時(shí)為了更好的評價(jià)地下水中污染物的遷移擴(kuò)散，地下水環(huán)境影響預(yù)測評價(jià)選用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)，污染物運(yùn)移采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬法預(yù)測，采用的地下水水流的三維流動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為[5][6]：

圖1 地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)范圍示意圖

式中：H為地下水水頭（m）；Kxx,Kyy,Kzz為x,y,z方向滲透系數(shù)（m/d）；μs為含水層給水度；H0為含水層初始水頭 （m）；q1為含水層二類邊界單位面積過水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量（m/d）；Ω為滲流區(qū)域；ε1為源匯項(xiàng)強(qiáng)度（m/d）；B1為水頭已知邊界，第一類邊界；B2為流量已知邊界，第二類邊界；n為滲流區(qū)邊界的單位外法線方向。

根據(jù)廠區(qū)所在地的實(shí)際情況，建立污染物遷移數(shù)學(xué)模型：

式中：θ為介質(zhì)空隙度，無量綱；Ck為溶質(zhì)K的濃度(M/l3)；t為時(shí)間；Xi,j為在直角坐標(biāo)系下沿個(gè)方向上的距離（l）；D為水動力彌散系數(shù)張量（l2T-1）；Vi為滲流速度（lM-1）；qs為單位體積含水層，給出或接受的流體的數(shù)量，代表源匯項(xiàng)（T-1)；Cks---源匯項(xiàng)中K的濃度（Ml-3）；∑Rn---化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)（Ml-3T-1）。

2.2 模型建立

模擬采用60m×60m水平剖分網(wǎng)格進(jìn)行離散化 (劉勇,2013)（圖2），垂直方向上將模型分為4層（圖3）（由上至下代表粉質(zhì)粘土和強(qiáng)、中、弱風(fēng)化凝灰熔巖）。

圖2 模型網(wǎng)格剖分及污染源位置圖

為了更好地評價(jià)地下水中Zn、Pb的遷移擴(kuò)散，本次主要采用Visual Modflow三維地下水流動與污染物運(yùn)移模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測[7][8]。

2.3 模型參數(shù)

根據(jù)場地注水試驗(yàn)，結(jié)合相鄰區(qū)域勘察報(bào)告資料[4]，并經(jīng)過模型校正中調(diào)整最終獲得模型參數(shù)取值見表1。

表1 模型含水層流場模擬參數(shù)

表2 模型含水層污染遷移模擬參數(shù)

模型中假設(shè)污染Zn、Pb在地下水中運(yùn)移不與含水層介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，不考慮其揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，只考慮運(yùn)移過程中對流、彌散和吸附作用，設(shè)定污染遷移模型參數(shù)詳見表2。

2.4 模型初始、邊界條件

確定模型的上邊界為自由潛水面作為潛水面邊界，底邊界為弱風(fēng)化凝灰熔巖層作為零流量邊界，西側(cè)為尤溪河及其支流設(shè)為河流邊界，南東、北東及北西側(cè)均為地表分水嶺設(shè)為零流量邊界，北側(cè)為側(cè)流邊界，接受上游地下水徑流補(bǔ)給，邊界流量根據(jù)區(qū)域地下水水力梯度、含水層滲透系數(shù)及含水層厚度采用達(dá)西定律初步估計(jì)并在模型校正中調(diào)整[2]。

運(yùn)行地下水穩(wěn)定流模型，進(jìn)行模型校正，模型校正標(biāo)準(zhǔn)：使模型計(jì)算的等水位線分布與水文地質(zhì)圖中的估推等水位分布基本一致；鉆孔處模擬計(jì)算的地下水水位與鉆孔實(shí)測地下水位相當(dāng)。模擬區(qū)內(nèi)僅一個(gè)鉆孔ZK01測得地下水水位，埋深0.6m，水位標(biāo)高150.4m，ZK01的地面高程現(xiàn)為151.0m，場地平整后該處地面高程為180.0m，現(xiàn)狀地下水位將相對抬高，估計(jì)地貌改變后鉆孔ZK01的實(shí)測地下水水位為170.0m左右。模型計(jì)算得該孔的地下水水位為169.2m，與地貌改變后的推測地下水水位相當(dāng)，因此認(rèn)為模型被校正，可用于預(yù)測應(yīng)用[4]。

本次模擬分為項(xiàng)目運(yùn)營期20年和服務(wù)期滿后10年，模型時(shí)間步長設(shè)為1年；并將160-180m作為模型地下水位初始值；預(yù)測因子地下水環(huán)境背景值初始濃度Zn、Pb各定為0.001和0.025 mg/L。

3 預(yù)測結(jié)果分析

模擬計(jì)算得到各預(yù)測因子的污染羽動態(tài)變化及對尤溪河的影響。該區(qū)域地下水執(zhí)行《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，Zn質(zhì)量濃度若大于1.0 mg/L、Pb質(zhì)量濃度若大于0.05 mg/L即視為超標(biāo)。Zn、Pb遷移預(yù)測結(jié)果見圖4。

從圖4中可以看出，隨著污廢水的不斷排放，地下水中這些元素的污染影響范圍逐漸擴(kuò)大，由于其遷移速度比地下水的流速低，限制了其遷移距離，但該類物質(zhì)的污染羽面積在預(yù)測30年內(nèi)不斷擴(kuò)大，其中Zn較Pb而言對尤溪河水質(zhì)影響較大，在預(yù)測的30年內(nèi)，地下水Zn超標(biāo)范圍已抵達(dá)尤溪河、Pb超標(biāo)范圍則接近尤溪河，且應(yīng)注意這些污染物在環(huán)境中的衰減速率較小，因此在源強(qiáng)消失后，環(huán)境中已接受的這些污染物將長期存在，最終會隨地下水徑流擴(kuò)散遷移到尤溪河中。

為了更好地說明地下水中污染物對尤溪河水質(zhì)的貢獻(xiàn)，現(xiàn)在臨河處設(shè)置污染預(yù)測因子的觀測孔，分別用于觀測即將補(bǔ)給尤溪河的地下水流中Zn、Pb的濃度值。四個(gè)觀測孔的位置詳見圖2所示，代表了不同尤溪河段地下水中污染物的入流量。預(yù)測了四個(gè)觀測孔30年內(nèi)污染物由地下水流進(jìn)入尤溪河段的濃度及其動態(tài)變化。預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)1、2和4#井中各污染物預(yù)測濃度均很低，遠(yuǎn)低于地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值，地下水中的污染物對地表水的水質(zhì)影響較??；只有3#觀測孔中的污染物濃度可以與地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值相當(dāng)，對地表水的水質(zhì)有一定的影響，觀測孔內(nèi)Zn、Pb濃度變化見圖5和圖6所示。

圖5 觀測孔內(nèi)模擬30年的Zn預(yù)測值

圖6 觀測孔內(nèi)模擬30年的Pn預(yù)測值

由圖可以看出：觀測孔內(nèi)Zn濃度最大值為1.3mg/L，超出標(biāo)準(zhǔn)值（1mg/L）1.3倍。隨地下水徑流入尤溪河的Zn貢獻(xiàn)值隨預(yù)測時(shí)間的推移不斷增加，在預(yù)測第21年左右，井中開始出現(xiàn)Zn污染物濃度的增加，預(yù)測第28年左右，由地下水進(jìn)入尤溪河的Zn濃度增加到1mg/L，對尤溪河Zn的貢獻(xiàn)量較大，可見預(yù)測25年之后，地下水向河流輸入的Zn值對預(yù)測河段水質(zhì)影響較大；觀測孔內(nèi)Pb濃度最大值為0.026mg/L，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨地下水徑流入尤溪河的Pb貢獻(xiàn)值隨預(yù)測時(shí)間的推移不斷增加，在預(yù)測第21年左右，孔中開始出現(xiàn)污染物濃度的增加。預(yù)測末期，由地下水進(jìn)入尤溪河的Pb占相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值的50%，Pb對河段水質(zhì)有一定的影響。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）擬建鋅冶煉加工區(qū)生產(chǎn)過程中排放Zn、Pb污染物對廠區(qū)及其附近地下水將造成一定的污染；加工區(qū)若出現(xiàn)非正常運(yùn)營情況，將加速Zn、Pb污染物在地下水中的遷移和擴(kuò)散。

（2）加工區(qū)停產(chǎn)后Zn、Pb濃度雖然有所下降，但其污染范圍逐漸逼近尤溪河，并且其在環(huán)境中的衰減速率較小，將長期存在被污染的地下水中，并對廠區(qū)及其附近地下水造成長久的污染。

4.2 建議

（1）應(yīng)優(yōu)化加工區(qū)平面布置，對污水處理設(shè)施做好防滲處理，修建必要的事故風(fēng)險(xiǎn)池，建立健全污染物防范和防治措施，減少事故排放對地下水可能造成的影響。

（2）應(yīng)將鋅冶煉加工區(qū)的污廢水妥善收集、處理和回用，加強(qiáng)日常管理，避免事故排放，做好防護(hù)工作減少廢污水的釋放和下滲。一旦發(fā)生事故應(yīng)啟動應(yīng)急預(yù)案，采取相應(yīng)的處理措施，減少污染物的排放，從源頭上減少污染物入滲量。

（3）在尤溪河附近設(shè)置Zn、Pb污染因子監(jiān)測孔（監(jiān)測孔位置見圖2所示），時(shí)刻檢測其由地下水流進(jìn)入尤溪河段的濃度及其動態(tài)變化，為后期的恢復(fù)治理工作提供基礎(chǔ)依據(jù)。

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Environmental Impact Assessment of Zn and Pb on Groundwater in Zinc Smelting Processing Zone,Youxi county, Fujian Province

LIU Liang1,Gu Chun-jie2,Wu Qi3,TAN Gui-li4
(1.JiangSu Geology&Engineering Co.LTD,Nanjing 210018,JiangSu）
（2.Zhejiang Haibei Geotechnical investigation Company Limited,Jiaxing 314200,Zhe Jiang）
（3.Geochemical Exploration and Marine Geology Survey Institute,Nanjing 210007,Jiang Su）
(4.Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,JiangSu)

The mainly pollution factors of Zinc smelting processing zone are Zn and Pb.Taking a proposed Zinc smelting processing zone project in Youxi county,Fujian Province as an example to correctly analyze the migration of Zn,Pb and evaluate the environmental impaction at the processing zone's groundwater.It uses the Finite difference method to predict the migration conditions and the spread scope and takes the numerical simulation of ground water to predict and assess the Zn and Pb impaction on its environment basing on the rationale analysis and correctly selection of Hydro-geological conditions.The results show that the pollutants migration is relative slower and the migration scope would be extended single with sewage wastewater discharge and time went on during the non-normal operation.It may cause some degree of pollution to Youxi river basin.

zinc smelt；Zn and Pb；groundwater；numerical simulation；environmental impact assessment

X5[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-11-306-1

劉亮（1982～），男，中級工程師，碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，研究方向?yàn)榈V產(chǎn)勘查、地質(zhì)工程。