艾濤　張學(xué)洪　舒小華　劉杰

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心　廣西桂林 541004)

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桂北鉛鋅尾礦庫尾砂顆粒的大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬研究*

艾濤1,2張學(xué)洪1,2舒小華1,2劉杰1,2

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心廣西桂林 541004)

以平地型鉛鋅尾礦庫尾砂顆粒為研究對(duì)象，基于離散型隨機(jī)軌道模型，數(shù)值模擬不同粒徑尾砂顆粒在不同風(fēng)速下的遷移路徑和沉積距離。研究結(jié)果表明，風(fēng)速對(duì)尾礦顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡有著明顯的影響。當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s時(shí)，50 μm尾砂遷移距離較短，無法到達(dá)計(jì)算域口；而當(dāng)風(fēng)速增大為2.0 m/s和3.5 m/s時(shí)，尾砂顆粒遷移至計(jì)算域出口的時(shí)間隨之縮短，分別為2 100 s和1 230 s。尾砂粒徑對(duì)尾砂的污染距離也有明顯的影響。當(dāng)風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)，粒徑為100 μm和150 μm的尾砂顆粒在距尾礦庫下風(fēng)向大約1 500 m和800 m處完全沉積，而粒徑為50 μm的小粒徑尾砂顆粒能遷移至尾礦壩下游3 000 m以外。

鉛鋅尾礦顆粒離散型隨機(jī)軌道模型大氣風(fēng)場(chǎng)遷移軌跡

0　引言

尾礦庫是礦區(qū)環(huán)境大氣污染的主要污染來源之一[1]。大多數(shù)鉛鋅尾礦裸露堆放，尾礦在經(jīng)過選礦破碎、磨細(xì)等處理后大多顆粒細(xì)小，且尾砂顆粒中重金屬含量較高。在風(fēng)力作用下，這些細(xì)小的尾砂顆粒易被吹起形成揚(yáng)塵[2-3]。粒徑較大的顆粒隨風(fēng)遷移一段距離后重新沉積在地表[4]，在降水作用下可能會(huì)隨水流進(jìn)入尾礦區(qū)周邊的水體和土壤等環(huán)境，對(duì)其造成一定的重金屬污染；粒徑較小的尾砂顆粒大多以可懸浮顆粒物的形式存在于大氣環(huán)境中，在大氣環(huán)流作用下甚至可以遷移至8 000 km以外[5]。遷移到居住區(qū)的細(xì)小尾砂顆粒很有可能會(huì)經(jīng)由呼吸道進(jìn)入人體器官內(nèi)部[6-7]，且具有一定的累積效應(yīng)[8]。在兼具粉塵污染和重金屬危害的雙重作用下，尾砂顆粒物對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體造成的影響不容忽視。

本實(shí)驗(yàn)所研究的尾礦庫已運(yùn)行數(shù)十年，由于周邊地形復(fù)雜，尾砂顆粒的遷移和沉降對(duì)環(huán)境的影響受當(dāng)?shù)貧庀髼l件(如風(fēng)、降水等)的約束，實(shí)地測(cè)量難度較大，構(gòu)建精確的物理模型難度較大。因此，對(duì)尾礦庫的實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過數(shù)值模擬方法來研究尾礦的起塵機(jī)制和遷移規(guī)律，掌握不同大氣環(huán)境條件下不同粒徑尾砂的遷移距離及污染范圍，為鉛鋅尾礦庫的大氣污染治理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1　物理模型和數(shù)值方法

1.1物理模型和網(wǎng)格劃分

在模型中，對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取平地形鉛鋅尾礦庫為研究對(duì)象，利用Gambit軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。設(shè)定計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，具體尺寸為6 000 m×4 000 m×300 m，尾礦庫設(shè)定為棱臺(tái)體，參考尾礦庫的壩高現(xiàn)狀為34 m，設(shè)計(jì)尾礦庫模型具體尺寸為底面400 m×300 m，灘面尺寸300 m×200 m，高30 m，尾礦庫在大氣場(chǎng)中的具體位置如圖1，其中尾礦庫的中心坐標(biāo)為(1 000,1 000,0)。劃分網(wǎng)格過程中為了減小計(jì)算量，采用分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)尾礦庫前后左右和靠近壁面處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，其網(wǎng)格間距小，計(jì)算精度高，此時(shí)是四面體和六面體混合網(wǎng)格，而計(jì)算域的其他地方采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格劃分，為六面體網(wǎng)格。由此整個(gè)計(jì)算域共劃分出2 377 920個(gè)網(wǎng)格單元，既能滿足計(jì)算要求，又能加快求解速度和提高求解穩(wěn)定性。

圖1　尾礦庫和計(jì)算域物理模型

1.2邊界條件和數(shù)值模擬方法

根據(jù)實(shí)際鉛鋅尾礦庫的筑壩形式，設(shè)定尾礦庫四周和灘面均為無滑移壁面邊界，僅將灘面設(shè)置為起塵面，計(jì)算域上、左、右三面設(shè)為沿來流方向的等速度邊界，出口選用壓力遠(yuǎn)揚(yáng)出口，這樣更加符合實(shí)際情況。文中將x正方向定義為速度入口方向，采用UDF(user-defined function，用戶自定義的通量函數(shù))模塊來定義大氣流場(chǎng)，速度大小按照風(fēng)廓線模式來確定，其規(guī)律按照大氣邊界層風(fēng)速廓線的冪函數(shù)分布公式進(jìn)行描述：

U=U10(z/10)α

(1)

式中，U為離地高處的平均風(fēng)速，m/s；U10為參考高度為普遍采用的z=10m處的平均風(fēng)速，m/s；α為風(fēng)速廓線指數(shù)，本文研究模型的下墊面地貌屬丘陵類，取α=0.16[9]。

采用壓力耦合計(jì)算方法(SIMPLE算法)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，該方法在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，計(jì)算比較穩(wěn)定且易收斂。對(duì)顆粒相尾砂的計(jì)算主要采用離散相模型DPM(DiscreteParticleModel)中的相間耦合模型進(jìn)行計(jì)算。

1.3顆粒物理特性

實(shí)驗(yàn)所用尾砂采集于桂北鉛鋅礦。在大棚中自然風(fēng)干后，采用篩分法將尾砂依次過250,180,150,48μm篩，尾礦砂粒徑分布如表1。尾砂粒徑大多分布在48～250μm，考慮到尾砂粒徑越小，在風(fēng)力作用下越易產(chǎn)生揚(yáng)塵，而當(dāng)尾砂粒徑大于250μm的時(shí)候基本上不會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵。故本文僅選取粒徑為50μm，100μm和150μm的尾砂顆粒作為研究對(duì)象。對(duì)于固態(tài)顆粒污染源的源強(qiáng)的估算，當(dāng)風(fēng)速較大，干灘面積為A=2 000m2時(shí)起塵量為41.67g/s[10]。本文綜合考慮尾礦庫灘面面積和尾砂粒徑分布情況，故在計(jì)算時(shí)將起塵量定為200g/s。尾砂中重金屬含量較高，主要重金屬含量見表2，說明人體一旦吸入尾砂可能會(huì)造成一定的傷害。

表1　尾砂粒徑分布

表2　不同粒徑尾礦重金屬含量　mg/kg

1.4控制方程

尾砂-大氣兩相流擴(kuò)散過程中尾砂所占比例較小，符合DPM模型計(jì)算的條件。在模擬過程中將尾砂以離散的顆粒相加入到大氣場(chǎng)中，并且考慮尾砂和大氣流場(chǎng)的相互作用。本文選用比較符合實(shí)際情況的DPM中的相間耦合模型對(duì)離散相顆粒進(jìn)行計(jì)算[11]。相間耦合計(jì)算方法的基本思想是先用Viscous[12-13]模型計(jì)算連續(xù)相大氣流場(chǎng)，而后加入離散的尾砂顆粒后用DPM模型計(jì)算顆粒軌跡，不斷更新連續(xù)相的顆粒源相[14]，之后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理即可得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。其中在計(jì)算連續(xù)相大氣流場(chǎng)時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，因?yàn)閷?duì)于類似于射流這種運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε紊流模型是比較合適的[15]。

其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型包括湍動(dòng)能k和耗散率ε的方程。湍動(dòng)能k方程為：

(2)

湍動(dòng)耗散率ε的方程為：

(3)

DPM模型中采用隨機(jī)軌道模型，應(yīng)用拉氏公式考慮離散相顆粒的曳力、重力和升力，顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(x方向)為：

(4)

啟動(dòng)DPM模型對(duì)尾砂顆粒的直徑、密度、起塵量等因素進(jìn)行設(shè)定后即可進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.5當(dāng)?shù)貧庀髼l件

尾礦庫地處南嶺山系西南部，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，平均年雨量達(dá)1 900～2 000mm，雨水最多的季節(jié)為四月至七月，降雨量占全年的40%。尾礦庫常年風(fēng)向是東北和南風(fēng)，且以東北風(fēng)為主，文中為了研究方便設(shè)定x軸正方向?yàn)樯巷L(fēng)向。參考當(dāng)?shù)?971—2000年氣象資料，最大平均風(fēng)速為3.3m/s，設(shè)定最大風(fēng)速為3.5m/s[16]，本文研究尾砂在風(fēng)速為0.5m/s，2.0m/s和3.5m/s時(shí)對(duì)大氣環(huán)境的影響。

2　數(shù)值模擬及結(jié)果分析

近年來，揚(yáng)塵已成為導(dǎo)致全球環(huán)境問題的四大主要影響因素之一，而其中可吸入顆粒物則是對(duì)人體和生態(tài)造成危害的罪魁禍?zhǔn)譡17]。本文研究的尾砂大多顆粒細(xì)小，由表1可以看出粒徑小于48μm的尾砂的顆粒比例高達(dá)21.13%，這些可懸浮顆粒物在風(fēng)力和大氣湍流作用下極易發(fā)生遷移，風(fēng)是尾砂顆粒遷移擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿Γ渲酗L(fēng)速的大小對(duì)顆粒污染物在大氣中的遷移擴(kuò)散起主導(dǎo)作用。為了簡(jiǎn)便，在研究風(fēng)速影響時(shí)僅以粒徑小于48μm的細(xì)小尾砂為代表作為研究對(duì)象，研究不同粒徑尾砂在不同風(fēng)速下的運(yùn)移模式和遷移沉降規(guī)律。

2.1穩(wěn)定大氣流場(chǎng)分析

穩(wěn)定大氣流場(chǎng)中y=1 000，z=0截面流線如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，大氣來流由于受到尾礦庫的影響，流場(chǎng)線在尾礦庫附近發(fā)生急劇改變，并且在逆風(fēng)區(qū)會(huì)形成一定的漩渦，這表明如果尾砂在風(fēng)力作用下形成揚(yáng)塵后，會(huì)不容易發(fā)生沉降和遷移。由圖2和圖3可以看出在尾礦庫垂直方向上0～45m和水平方向上0～400m范圍內(nèi)會(huì)形成一定的局部性污染，并且這種局部性污染可能會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。隨著高度的增加，地形和地面粗糙度對(duì)流線的影響逐漸減小，流場(chǎng)線逐漸變得平緩穩(wěn)定，表明速度場(chǎng)逐漸變得穩(wěn)定。

圖2y=1 000m截面流線圖

圖3z=0m截面流線圖

2.2不同風(fēng)速下尾砂顆粒的遷移軌跡規(guī)律

三種不同風(fēng)速下尾砂顆粒的遷移軌跡如圖4、圖5和圖6所示。由圖可以看出，風(fēng)速不同時(shí)，尾砂顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡不同，尾砂能遷移的距離也不同；但基本表現(xiàn)為風(fēng)速越大，尾砂的遷移距離越遠(yuǎn)，遷移的速度越快，起塵率越大。當(dāng)風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，尾砂由于受自身重力的作用，只有極少數(shù)的尾砂能被吹起形成揚(yáng)塵。由于風(fēng)速較小，被吹起的尾砂能遷移的距離也較短，甚至不能到達(dá)計(jì)算域的出口。在這種風(fēng)速條件下，尾砂顆?；旧现辉谖驳V庫的下風(fēng)向較小范圍內(nèi)形成揚(yáng)塵，只會(huì)造成局部污染。隨著風(fēng)速的增大，尾砂的起塵率也隨之增加，尾砂在大氣湍流作用下，隨風(fēng)遷移的距離也增大。當(dāng)風(fēng)速為2.0m/s和3.5m/s時(shí)，尾砂在大氣湍流作用下均能遷移至計(jì)算域的出口，并且隨著風(fēng)速的增大，尾砂顆粒到達(dá)計(jì)算域出口的時(shí)間也越來越短。3.5m/s風(fēng)速下尾砂到達(dá)計(jì)算域出口的時(shí)間大約為1 150s，而風(fēng)速為2.0m/s時(shí)大約需要1 980s。隨著風(fēng)速的增大，尾砂隨大氣湍流作用所能產(chǎn)生的污染范圍也在不斷擴(kuò)大，因此需要在大風(fēng)天的時(shí)候加強(qiáng)應(yīng)對(duì)措施減少尾砂對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的危害。

由此可見，風(fēng)速是決定尾礦庫灘面能否起塵的重要因素[18]。風(fēng)速越大，尾礦庫灘面起塵率越大。這主要是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速較小的時(shí)候，尾砂的自重和地表粗糙度對(duì)擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，因而起塵率低；當(dāng)風(fēng)速增大后，風(fēng)速對(duì)尾砂的擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，此時(shí)尾砂表現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性，遷移距離和擴(kuò)散范圍都變大。

圖4v=0.5m/s時(shí)遷移軌跡

圖5v=2.0m/s時(shí)遷移軌跡

圖6v=3.5m/s遷移軌跡

2.3不同粒徑尾砂遷移軌跡規(guī)律

由前面的分析可以得出，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，尾砂較容易被風(fēng)吹起形成揚(yáng)塵，且產(chǎn)生污染的范圍較大，所以在對(duì)尾礦庫表面顆粒的遷移及危害進(jìn)行研究時(shí)，更應(yīng)側(cè)重對(duì)大風(fēng)速條件下的研究。因而在研究尾砂粒徑對(duì)污染物遷移軌跡影響時(shí)，只選取風(fēng)速為3.5m/s時(shí)，對(duì)粒徑分別為<48μm，48～150μm，150～180μm尾砂顆粒進(jìn)行研究，如圖6、圖7、圖8。

對(duì)比圖6、圖7和圖8，可以得出隨著粒徑的增大，尾砂的起塵率減小，能遷移的距離也減小，只有粒徑小于48μm的尾砂能遷移至計(jì)算域出口，粒徑為48～150μm和粒徑為150～180μm的尾砂顆粒在距尾礦下風(fēng)向大約1 500m和800m處就完全重新形成降塵沉積下來。這主要是因?yàn)殡S著尾砂粒徑的增大，尾砂自重影響占主導(dǎo)地位，尾砂不易被風(fēng)吹起形成揚(yáng)塵，因而起塵率小，即使起塵的尾砂很快就在尾礦庫下風(fēng)向附近地表沉積。由此說明小粒徑顆粒尾砂可能對(duì)環(huán)境影響更大，因此在研究尾砂對(duì)大氣污染問題時(shí)，更應(yīng)側(cè)重對(duì)小顆粒尾砂的研究。

圖7粒徑為48～150μm的尾砂遷移軌跡

圖8粒徑為150～180μm的尾砂遷移軌跡

3　結(jié)語

(1)起塵風(fēng)速對(duì)尾砂遷移影響較大。隨著風(fēng)速的增加，尾砂能遷移的距離越遠(yuǎn)，遷移的速度越快。當(dāng)風(fēng)速為2.0m/s時(shí)到達(dá)計(jì)算域出口的時(shí)間大約為1 980s，而當(dāng)風(fēng)速為3.5m/s時(shí)大約僅需1 150s。

(2)粒徑越小，尾砂越容易形成揚(yáng)塵，能遷移的距離越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性越強(qiáng)，對(duì)大氣環(huán)境的污染越大。粒徑為48～150μm和粒徑為150～180μm的大顆粒尾砂在高風(fēng)速時(shí)都不能遷移至出口，在距尾礦庫下風(fēng)向大約1 500m和800m處就完全沉積下來；粒徑小于48μm的小粒徑尾砂顆粒均能遷移至尾礦庫下游3 000m以外，又因?yàn)槲采爸兄亟饘俸枯^高，大氣沉降形式對(duì)尾礦庫周邊造成的環(huán)境影響不容忽視。

(3)為了有效減少尾砂揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境的污染，可在鉛鋅尾礦庫灘面和周圍種植植物，一方面可以對(duì)重金屬進(jìn)行富集轉(zhuǎn)移，另一方面可以改變大氣場(chǎng)的流線分布；同時(shí)對(duì)尾礦庫定期進(jìn)行灑水，使尾砂的含水率增加，可能使細(xì)小的尾砂顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使尾砂的自重增加，降低起塵率。

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舒小華，博士，主要研究方向?yàn)榻饘俚V山尾礦污染治理及修復(fù)。

Numerical Simulation of Atmospheric Wind Field of the Tailing Particles in the North Guangxi Lead-zinc Tailing Ponds

AI Tao1,2ZHANG Xuehong1,2SHU Xiaohua1,2LIU Jie1,2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnologyGuilin,Guangxi541004)

Based on the discrete stochastic trajectory model, the migration trajectory and deposition distance of the lead-zinc tailing particles in the North Guangxi lead-zinc tailing ponds under different atmospheric wind velocity conditions is simulated. The results indicate that the atmospheric wind velocity is proved to have a certain influence on the migration trajectory. The migration distances of the different sizes of particles are very short and the tailing particles can only just reach the outlet of the tailings ponds at the atmospheric wind speed of 0.5 m/s. However, the tailing particles can migrate to the outlet of the computing field within 2 100 s and 1 230 s at the wind speed of 2.0 m/s and 3.5 m/s respectively. In addition, the results also affirm that particle size also has effects on the migration trajectory. Most of the 100 μm and 150 μm tailing particles will be deposited within 800 m and 1 500 m away from the tailing ponds, whereas most of 50 μm tailing particles can migrate more than 3 000 m in the downwind direction of the tailings ponds at the atmospheric wind speed of 3.5 m/s.Key Wordslead and zinc tailing particlesdiscrete stochastic trajectory modelatmospheric wind fieldmigration trajectory

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)重大專項(xiàng)計(jì)劃(桂科重14124001-4)，“八桂學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助，廣西區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(桂科能1401Z005)。

艾濤，男,1990年生，碩士，研究方向?yàn)楣虖U污染治理。

2016-03-21)