鄧廣柱，張振飛，管斌

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì)， 安徽銅陵 244000）

1 工程概況

該礦為采選聯(lián)合生產(chǎn)礦山，開(kāi)采礦種為金礦、硫鐵礦。礦山采用地下開(kāi)采方式，豎井開(kāi)拓方案，自上而下開(kāi)采。建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期地下水污染源主要是生產(chǎn)廢水和生產(chǎn)固廢，即尾礦庫(kù)水和廢石淋溶水。

2 評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地形與地貌

評(píng)價(jià)區(qū)總的地勢(shì)是中間高兩側(cè)低，中間山體總體走向北東，山頂呈園圓頂狀，最高點(diǎn)大尖山標(biāo)高267.7m，一般120～200m，北西側(cè)谷地最低點(diǎn)標(biāo)高21.3m，南東側(cè)谷地最低點(diǎn)標(biāo)高28.8m，地勢(shì)高差較大，地形坡度一般18°～33°，有利于地表水的自然排泄。

評(píng)價(jià)區(qū)地貌類(lèi)型為丘陵，微地貌有高丘和山前斜地。其中高丘分布于中部，標(biāo)高50～267.7m，丘頂渾圓，坡度18°～33°；山前斜地分布于東西兩側(cè)坡麓地段，地面標(biāo)高28～50m，主要由第四系坡積粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土組成。

2.2 地層

評(píng)價(jià)區(qū)地表出露地層為三疊系中統(tǒng)分水嶺組、南陵湖組及下統(tǒng)塔山組，深部鉆孔揭露有三疊系下統(tǒng)小涼亭組、二疊系上統(tǒng)大隆組、龍?zhí)督M和下統(tǒng)孤峰組、棲霞組、石炭系上中統(tǒng)黃龍船山組、泥盆系上統(tǒng)五通組。

2.3 評(píng)價(jià)區(qū)所處的水文地質(zhì)

評(píng)價(jià)區(qū)位于大通-順安復(fù)向斜次級(jí)青山背斜中段，總體含水特征為背斜貧水，向斜富水。該復(fù)向斜形成丘陵區(qū)，其西北部和東南部分別為銅官山背斜和天屏山背斜形成的低山區(qū)，構(gòu)成了區(qū)域地表分水嶺。

2.4 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

大氣降水為區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給水源。降水入滲后，在低山丘陵區(qū)由于溝谷切割，一部分涌出地表成泉，徑流較短；另一部分沿?cái)嗔?、層面、溶隙等通道匯入向斜盆地形成區(qū)域地下水徑流。泉是區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式。礦山排水和供水井開(kāi)采是區(qū)內(nèi)地下水的另一排泄方式。

3 地下水影響預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

3.1 礦坑涌水量預(yù)測(cè)

3.1.1 充水因素分析

礦區(qū)含水層在垂向上富水程度差異明顯，塔山組、小涼亭組富水程度弱-中等，賦存于標(biāo)高-200m之上，是深部巷道充水的補(bǔ)給來(lái)源；其下大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組富水程度弱-極弱，視為相對(duì)隔水層，局部少量的導(dǎo)水裂隙是上部地下水的下滲通道；棲霞組富水程度弱-極弱，礦體產(chǎn)于其中，為礦坑直接充水水源。

3.1.2 邊界條件

在垂向上由于大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組相對(duì)隔水層的阻隔，淺部地下水與礦坑充水聯(lián)系不大。棲霞組大理巖含水層為直接充水源，其與周邊圍巖的富水性相差較小，故在平面上可視為無(wú)限補(bǔ)給邊界。

3.1.3 礦坑涌水量計(jì)算

Ⅰ號(hào)主礦體分布在26～33線(xiàn)之間及兩側(cè)，主要賦存于二疊系下統(tǒng)棲霞組上硅質(zhì)層及其下部1～10m處，以及閃長(zhǎng)玢巖與棲霞組接觸帶部位。經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，現(xiàn)有巷道分布標(biāo)高為-340～-580m，礦山井下排水先由泄水井下放至-580m中段，再集中排出地表。未采礦體分布在-580m中段下方，與已采礦體的開(kāi)采技術(shù)條件相似，采用水文地質(zhì)比擬法預(yù)測(cè)礦坑涌水量，以近五年 -580m中段平均涌水量1045.77m3/d作為正常涌水量比擬，以近五年中最大涌水量1211.62m3/d作為最大涌水量進(jìn)行比擬。

用比擬法選用公式：

式中：Q-580：-580m中段礦坑涌水量；S-580：-580m中段水位降深，取627.7m。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1：

3.2 礦坑排水影響預(yù)測(cè)

表1 中段涌水量計(jì)算一覽表Table 1 Calculation of water inflow in the middle section

3.2.1 礦區(qū)地下水位影響預(yù)測(cè)

隨著開(kāi)采深度的增加，深井水位也不斷地下降，降落漏斗的范圍也不斷擴(kuò)大[1]。根據(jù)單井影響半徑經(jīng)驗(yàn)公式：R= 10S√K，計(jì)算參數(shù)：S取907.7m，K取0.0127m/d（相鄰礦山深部含水層滲透系數(shù)）。經(jīng)計(jì)算，礦山-820m以下中段排水所形成的降落漏斗半徑為1023m。由此可見(jiàn)，在以礦山開(kāi)拓系統(tǒng)為中心、半徑為1023m范圍內(nèi)地下水位將會(huì)不同程度的下降，在礦山開(kāi)拓系統(tǒng)中心部位，地下水水位已降至底板，在降落漏斗邊緣地下水位下降較小，在其外圍的地下水位不受礦山排水影響。

3.2.2 民井水位影響分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明，在地下水水位降落漏斗影響范圍內(nèi)沒(méi)有集中的地下水飲用水源及保護(hù)區(qū)，周?chē)用窬宰詠?lái)水（長(zhǎng)江水）作為飲水水源，原有的民井多作為綠化、清洗等用水。由于民井主要分布在背斜的北西翼，與礦山開(kāi)采系統(tǒng)中心直線(xiàn)距離大于1250m，處于礦山排水降落漏斗范圍之外。因此，礦坑排水對(duì)周邊民井水位影響較小。

3.3 水文地質(zhì)概念模型的建立

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)的巖性、構(gòu)造、水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)的分析，確定了概念模型的要素[2～3]。

3.3.1 模擬范圍

地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)的模擬范圍以尾礦庫(kù)為中心，東側(cè)以地表分水嶺為界，北部以佘家大院為界，西部以牌坊村和田畈村為界，面積約0.6km2。

3.3.2 含水層概化

模擬區(qū)大體以青山背斜軸線(xiàn)為界限劃分為東部和西部?jī)蓚€(gè)水文地質(zhì)單元。模擬區(qū)范圍主要是在西部水文地質(zhì)單元，根據(jù)地下水的賦存形式及含水介質(zhì)的不同，西部水文地質(zhì)單元在空間上呈現(xiàn)為：淺部為第四系粉質(zhì)黏土夾碎石孔隙含水層，下伏灰?guī)r裂隙巖溶含水層，空間上表現(xiàn)為潛水。因此，將模擬區(qū)范圍內(nèi)含水層空間上概化為一層，即潛水含水層。

3.3.3 邊界條件

模擬區(qū)東側(cè)地下分水嶺為邊界，概化為零流量邊界；北側(cè)為流入邊界；南側(cè)及西側(cè)為流出邊界。含水層上邊界為降雨補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄邊界，上邊界地表高程根據(jù)地形圖進(jìn)行刻畫(huà)。下邊界為隔水邊界，下邊界高程根據(jù)鉆孔資料進(jìn)行刻畫(huà)。

3.4 水流數(shù)學(xué)模型

綜合模擬區(qū)地層巖性、地下水類(lèi)型、地下水補(bǔ)徑排特征、地下水動(dòng)態(tài)變化等水文地質(zhì)條件及模擬區(qū)水均衡分析等，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，可將模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性、空間單層結(jié)構(gòu)、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，用下列的數(shù)學(xué)模型表述：

式中：

Ω—地下水滲流區(qū)域；

H—地下水水頭（m）；

S1—模型的零流量邊界；

S2—模型的流量邊界；

Kxx，Kyy，Kzz—分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)（m/d）；

w—源匯項(xiàng)，包括降水入滲補(bǔ)給等（m3/d）；

q（x,y,z） —第二類(lèi)邊界單位面積流量函數(shù)（m3/d）；

n—邊界S2上的外法線(xiàn)方向。

3.4.1 網(wǎng)格剖分

本次模擬采用有限差分軟件GMS對(duì)模擬范圍進(jìn)行剖分。網(wǎng)格剖分的疏密對(duì)計(jì)算的精度和效率有重要的影響。在平面上將研究區(qū)剖分為50行×50列，在垂向上為層的矩形網(wǎng)格，共計(jì)2500 個(gè)單元格，其中2146個(gè)為有效單元格。

3.4.2 源匯項(xiàng)的處理和確定

所謂源匯項(xiàng)是指地下水系統(tǒng)接受的補(bǔ)給與排泄，礦區(qū)地下水補(bǔ)給量主要為大氣降水入滲補(bǔ)給量、側(cè)向徑流補(bǔ)給量，排泄量主要為礦山排水、潛水蒸發(fā)量、側(cè)向徑流排泄量。

影響降水入滲補(bǔ)給量的主要因素是降水量、潛水水位埋深和包氣帶巖性。降水入滲補(bǔ)給是礦區(qū)獲得補(bǔ)給的主要方式。降水入滲補(bǔ)給量采用如下計(jì)算公式：

式中：

Q降為降水入滲補(bǔ)給量，104m3/a；

p為年降水量，mm；

α為降水入滲系數(shù)，無(wú)因次；

F為降水入滲計(jì)算面積，km2。

3.4.3 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及初值

礦區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)主要包括滲透系數(shù)、給水度、降水入滲系數(shù)、潛水蒸發(fā)系數(shù)。水文地質(zhì)參數(shù)只作為模型的初始值，模型識(shí)別后方為最終值。

3.4.4 模型的識(shí)別與驗(yàn)證

模型的識(shí)別與檢驗(yàn)過(guò)程是整個(gè)模擬工作中極為重要的一步，模型識(shí)別檢驗(yàn)是一個(gè)不斷調(diào)節(jié)水文地質(zhì)參數(shù)、使模型結(jié)果盡可能與實(shí)際調(diào)查資料相吻合的過(guò)程。模型識(shí)別與檢驗(yàn)的主要原則為：①模擬的地下水流場(chǎng)要與實(shí)際地下水流場(chǎng)基本一致，即模擬的地下水流場(chǎng)要與實(shí)測(cè)地下水流場(chǎng)的形狀相似；②模擬的地下水水位的動(dòng)態(tài)變化要與實(shí)測(cè)的地下水水位動(dòng)態(tài)變化基本一致；③從水均衡的角度出發(fā)，模擬的各源匯項(xiàng)的均衡量要與實(shí)測(cè)的量相符；④識(shí)別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合實(shí)際的水文地質(zhì)條件。

3.5 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

3.5.1 模型建立

（1）控制方程：

（2）初始條件。污染源概化為補(bǔ)給濃度邊界，將補(bǔ)給濃度邊界的初始濃度定為C0，其余地方均為0mg/L，具體表述為：

（3）邊界條件。本次模擬將含水層各個(gè)邊界均看做二類(lèi)邊界條件（Neumann 邊界），且穿越邊界的彌散通量為0，具體可表述為：

式中：Γ2為Neumann邊界。

3.5.2 事故情景設(shè)計(jì)

礦區(qū)潛在的地下水污染源主要包括選礦水池、尾礦庫(kù)等含重金屬或類(lèi)金屬液體的場(chǎng)地。在設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的事故情景時(shí)，重點(diǎn)考慮尾礦庫(kù)底部防滲系統(tǒng)泄露對(duì)地下水產(chǎn)生的污染。地下水預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)源選擇尾礦庫(kù)，污染因子選擇As。事故情景設(shè)計(jì)為：非正常狀況下，尾礦庫(kù)防滲系統(tǒng)破裂情況下廢水泄漏。

3.5.3 模擬條件概化

在模擬中，將上述情景的污染源設(shè)定為濃度邊界，污染源位置按實(shí)際情況概化。預(yù)測(cè)原則為風(fēng)險(xiǎn)最大原則：在模擬污染物擴(kuò)散時(shí)不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮地下水的對(duì)流、彌散作用。

3.5.4 模擬時(shí)段設(shè)定

總時(shí)段設(shè)為30年，一共10950天。具體到每一個(gè)情景時(shí)，則視污染物泄漏時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間及擴(kuò)散范圍而定。擴(kuò)散時(shí)間較長(zhǎng)的，以100天或1000天為時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)預(yù)測(cè)；擴(kuò)散時(shí)間較短的，以10天等不同的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)預(yù)測(cè)。

3.5.5 溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

縱向彌散度參數(shù)值取8。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，橫向彌散度取值應(yīng)比縱向彌散度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在防滲系統(tǒng)破裂的情況下，廢水以包氣帶的飽和滲透系數(shù)速度下滲。選擇As為預(yù)測(cè)因子，泄露污染物濃度為0.454mg/L。考慮最不利情況，將污染源概化為定濃度連續(xù)點(diǎn)源污染，在其下游設(shè)置地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)模擬試算，廢水泄漏引起的地下水污染將在泄漏后的60天內(nèi)被監(jiān)測(cè)到，因此將發(fā)現(xiàn)污染物泄漏并采取措施停止泄漏的時(shí)間確定為2個(gè)月。

3.5.6 溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果及評(píng)價(jià)

在溶質(zhì)運(yùn)移模型中，泄漏點(diǎn)設(shè)為補(bǔ)給濃度邊界，泄漏源強(qiáng)通過(guò)Well子程序包及point source子程序包實(shí)現(xiàn)，As的初始濃度為0.454mg/L，模擬期為30年，利用MT3DMS軟件包運(yùn)行水質(zhì)模型，得到As的運(yùn)移擴(kuò)散結(jié)果，見(jiàn)圖1～圖4。

以上各圖分別給出了泄漏后90天，停止泄漏后100天、1000天、30年，As在含水層水平方向上的運(yùn)移范圍。按照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）中III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，As的標(biāo)準(zhǔn)限值為0.05mg/L，各圖中污染范圍的外邊界即為0.05mg/L。 As污染暈中心的運(yùn)移擴(kuò)散情況及濃度變化情況見(jiàn)表2。

上述分析結(jié)果及模擬圖件可知， 尾礦庫(kù)的廢水泄漏后，其下游監(jiān)測(cè)井中的As濃度在第60天時(shí)即可達(dá)到0.05mg/L，超過(guò)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）中III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，最大擴(kuò)散距離達(dá)20m。如果2個(gè)月內(nèi)控制住污染源，考慮最不利因素，含水層中的污染物僅在水流稀釋的作用下，濃度逐漸下降，泄漏后第30年污染暈中心濃度達(dá)到0.0012mg/L，污染物的最大擴(kuò)散距離沒(méi)有超過(guò)其下游150m范圍。根據(jù)模擬結(jié)果，尾礦庫(kù)下游民井在污染物泄露1500天時(shí)濃度為0.040mg/L，受到污染物泄露的影響較小，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 As的遷移擴(kuò)散預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Migration and diffusion prediction results of As

4 結(jié)論及建議

圖1 防滲破裂時(shí)廢水泄漏100天后，As在含水層中的擴(kuò)散（外邊界為標(biāo)準(zhǔn)限值）Fig.1 Diffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 100 days after waste leakage from breaks of antiseepage system

圖2 防滲破裂時(shí)廢水泄漏1000天后，As在含水層中的擴(kuò)散（外邊界為標(biāo)準(zhǔn)限值）Fig.2 Ddiffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 1000 days after waste leakage from breaks of antiseepage system

圖3 防滲破裂時(shí)廢水泄漏30年后，As在含水層中的擴(kuò)散（外邊界為標(biāo)準(zhǔn)限值）Fig.3 Ddiffusion of As in the aquifer (the outer boundary is the standard limit) 30 years after waste leakage from breaks of anti-

圖 4 尾礦庫(kù)下游民井處污染物的濃度隨時(shí)間變化示意圖Fig.4 Schematic diagram of pollutant concentration changing with time in the residential wells downstream of tailings pond

（1）調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)礦坑排水對(duì)礦區(qū)地下水位和周邊民井水位影響較小。

（2）調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)污染源主要是礦山廢石堆場(chǎng)和尾礦庫(kù)。

（3）根據(jù)調(diào)查評(píng)價(jià)資料，將模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性、空間單層結(jié)構(gòu)、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，采用GMS中的MODFLOW和MT3D軟件，聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型，設(shè)置可能出現(xiàn)的事故情景進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。在非正常狀況下，尾礦庫(kù)、選礦廠(chǎng)等防滲系統(tǒng)破損后，廢水泄露會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生影響。當(dāng)廢水泄露60天以后被監(jiān)測(cè)井發(fā)現(xiàn)并采取措施后，含水層中的污染物僅在水流稀釋的作用下，濃度逐漸下降，泄漏后第100天、1000天、30年污染物最大擴(kuò)散距離分別為35m、128m、150m，污染物濃度低于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93）中III類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。尾礦庫(kù)下游民井在污染物泄露1500天時(shí)濃度為0.040mg/L，受到污染物泄露的影響較小。

（4）針對(duì)礦山地下水環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀，提出以下地下水污染防控措施與對(duì)策。主要包括：各工業(yè)場(chǎng)地、管道、設(shè)備、污水儲(chǔ)存等設(shè)施應(yīng)做防滲措施，從源頭控制；將尾礦庫(kù)、選礦廠(chǎng)劃為污染重點(diǎn)防治區(qū)，主井工業(yè)場(chǎng)地、風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地、生活服務(wù)和行政辦公區(qū)等劃為污染一般防治區(qū)，進(jìn)行分區(qū)防控；建立尾礦庫(kù)下游地下水監(jiān)控體系，共布設(shè)6眼地下水監(jiān)測(cè)井，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水水質(zhì)污染，及時(shí)控制；制定地下水污染應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，一旦出現(xiàn)地下水污染事故，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急處置辦法，控制地下水污染[4]。