朱時(shí)佳，孫艷玲，張麗玲

吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長(zhǎng)春 130102

0 引言

礦產(chǎn)開(kāi)采是人類(lèi)生存和發(fā)展的重要活動(dòng)，Pb、Zn等金屬在生產(chǎn)中的為人類(lèi)的生活帶來(lái)了巨大便利。然而在采選礦物的過(guò)程中，會(huì)使用到CuSO4等淋選藥品，淋選后的礦渣將與殘留的淋溶液一同排入尾礦庫(kù)。某地現(xiàn)有一座使用中的尾礦庫(kù)，該濕排尾礦庫(kù)的底部具有防止污染物泄漏的防滲層，通過(guò)理論分析和多年監(jiān)測(cè)結(jié)果可知尾礦庫(kù)底部不會(huì)出現(xiàn)滲漏影響地下水水質(zhì)。然而在極限情況下，該防滲層存在局部滲漏的可能。本文主要探討在模擬防滲層局部滲漏的情況下，選擇具有代表性的重金屬，通過(guò)模擬重金屬離子在地下水遷移過(guò)程中的擴(kuò)散過(guò)程，可以分析重金屬對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤绊懙姆秶统潭龋瑥亩軌蚋佑嗅槍?duì)性地對(duì)地下水污染采取治理和修復(fù)。

1 區(qū)域自然條件

1.1 氣候條件

該區(qū)屬北寒溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，冬長(zhǎng)夏短，四季分明，降雨集中在 6—8 月份，冰凍期11 月中旬至翌年 3 月末，常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅薄獤|南，年平均風(fēng)速變化平緩。

1.2 地質(zhì)條件

該濕排尾礦庫(kù)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)的遼東臺(tái)隆上，區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈且較復(fù)雜，有東西向、南北向、北東向、北西向構(gòu)造，控制了區(qū)域呈北西向雁形式排列的斷陷盆地。尾礦庫(kù)區(qū)及壩址區(qū)地層為大面積華力西晚期巖體，未發(fā)現(xiàn)斷層痕跡，巖體節(jié)理烈隙不發(fā)育，巖石風(fēng)化層厚度較小。

尾礦庫(kù)下方地層主要由尾礦堆積物、人工填土及庫(kù)基原始天然地層組成。尾礦堆積物主要為尾粉砂、尾粉土及尾粉質(zhì)粘土等；人工填土主要為尾礦初期壩（碎石土壩）及各級(jí)子壩上部的碎石層填筑物；庫(kù)基原始天然地層主要為含礫粉質(zhì)粘土、碎石土、風(fēng)化花崗巖等。見(jiàn)圖1。

1.3 水文地質(zhì)條件

尾礦庫(kù)附近地貌類(lèi)型主要為低山丘陵區(qū)，因地形切割強(qiáng)烈，大部基巖出露，表層風(fēng)化裂隙發(fā)育。區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較大，地勢(shì)東南高，西北低。區(qū)內(nèi)地層簡(jiǎn)單，地下水賦存類(lèi)型較為單一，根據(jù)提供材料，評(píng)價(jià)區(qū)地下水類(lèi)型為HCO3-Ca型。根據(jù)該區(qū)地下水賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征等，可劃分為松散巖類(lèi)孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水兩種類(lèi)型。

尾礦庫(kù)所在地地勢(shì)為西北高東南低、高差較大、切割強(qiáng)烈的低山丘陵。大氣降水滲入補(bǔ)給是區(qū)內(nèi)各類(lèi)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源；其排泄方式主要為通過(guò)地表徑流及地下徑流排泄，地表徑流排泄過(guò)程中伴有蒸發(fā)排泄，此外，人工開(kāi)采也是工作區(qū)地下水的重要排泄方式。區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放的地下水系統(tǒng)，其地下水動(dòng)態(tài)變化是地形地貌、地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣象水文和人類(lèi)活動(dòng)等多種因素綜合影響的結(jié)果，因此地下水呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

總體而言，當(dāng)?shù)氐叵滤兓饕艽髿饨涤暧绊戄^大，因此在汛期地下水位會(huì)明顯上升，反之地下水位下降。其余因素對(duì)地下水影響相對(duì)較小。

2 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)選取

2.1 評(píng)價(jià)方法的選取

對(duì)于污染物在地下水中擴(kuò)散的模擬方法有很多，主要可歸納為數(shù)值法和解析法兩大類(lèi)[1]。數(shù)值法主要是指有限元位移法，一般認(rèn)為只要力學(xué)模型正確，利用軟件獲得的結(jié)果就會(huì)比較準(zhǔn)確[2]。解析法是應(yīng)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、演繹去求解數(shù)學(xué)模型的方法，又稱分析法[3]。由于本項(xiàng)目地下水環(huán)境較簡(jiǎn)單，地下水動(dòng)力系統(tǒng)易分析推導(dǎo)，因此適宜運(yùn)用解析法對(duì)污染物遷移規(guī)律進(jìn)行模擬測(cè)量。

本次模擬防滲層滲漏的情況為局部滲漏，污染物遷移模式為連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散，因此套用數(shù)學(xué)模型是，選擇連續(xù)注入示蹤劑的平面連續(xù)點(diǎn)源模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：x,y—計(jì)算點(diǎn)處的位置坐標(biāo)；t—時(shí)間，d；

C(x，y，t)—t時(shí)刻點(diǎn) x，y 處的示蹤劑濃度，g/L ；

M—承壓含水層的厚度，m；

mt—單位時(shí)間注入示蹤劑的質(zhì)量，kg/d；

u—水流速度，m/d；

ne—有效孔隙度，無(wú)量綱；

DL—縱向彌散系數(shù)，m2/d;

DT—橫向y方向的彌散系數(shù)，m2/d；π—圓周率。

K0(β)—第二類(lèi)零階修正貝塞爾函數(shù)；—第一類(lèi)越流系數(shù)井函數(shù)[4]。

2.2 評(píng)價(jià)因子的選取

根據(jù)地下水與污染物的動(dòng)力特征，特征污染物的選取需遵循兩個(gè)原則，一是選取的污染物必須就有代表性，即污染物必須是生產(chǎn)過(guò)程中主要?dú)埩粑?；二是需考慮各污染物等級(jí)量化與測(cè)量的難易程度，選擇易測(cè)可靠、經(jīng)濟(jì)成本小的污染物進(jìn)行分析，確保特征污染物的選擇真實(shí)、有效[5]。根據(jù)對(duì)濕排尾礦庫(kù)中存水的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Pb濃度較高，且三者測(cè)量方法易操作，同時(shí)，Cu、Zn、Pb又為采礦的主要產(chǎn)物，因此選擇Cu、Zn、Pb作為本次預(yù)測(cè)的特征污染物。對(duì)尾礦庫(kù)存水中的主要污染物濃度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 尾礦庫(kù)存水主要污染物及含量Table1 Main pollutants and their contents of the water in tailing reservoir

3 分析及結(jié)果

當(dāng)上述防滲失效情景發(fā)生時(shí)，假設(shè)主要特征污染物Cu、Zn和Pb的污染源強(qiáng)為三者的極限濃度，即三者在尾礦庫(kù)積存水中的濃度（詳情見(jiàn)表1），防滲失效面積為1 m2，根據(jù)平面連續(xù)點(diǎn)源模型中所選擇的參數(shù)（見(jiàn)表2），模擬過(guò)程中所使用的參數(shù)均為經(jīng)驗(yàn)值。

表2 模型參數(shù)值及單位Table 2 Parameters and their units of the model

根據(jù)預(yù)測(cè)模型和參數(shù)，取得的計(jì)算結(jié)果如圖1～圖3所示，圖中+x為地下水遷移方向，-x為其相反方向，y為x的垂直方向。由圖4-1～圖4-3可知，在下滲水濃度與庫(kù)內(nèi)存積水濃度相等的極限情況下，Cu、Zn和Pb向下游地下水遷移至約25 m處時(shí)，濃度基本降低為0；在遷移反方向運(yùn)移約為15 m時(shí)，濃度基本降低為0；在與水流方向垂直的方向上遷移至約7m時(shí)，濃度基本降低為0。由于庫(kù)區(qū)下方有一層致密含礫粉質(zhì)黏土層，滲水在此層將被大量隔絕，少數(shù)下滲的污水也與下層土壤其發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用，如膠體吸附、離子交換作用等，在這些作用下，污染物在土壤中附著和分解，達(dá)到自凈化效果，因此即使出現(xiàn)滲漏情況，下滲污水濃度也將遠(yuǎn)小于現(xiàn)庫(kù)內(nèi)積存水的污染物濃度，其彌散半徑將更小。所以即使發(fā)生尾礦庫(kù)防水層滲漏情況，特征污染物的影響范圍也將小于25 m。

圖1 Cu遷移最遠(yuǎn)距離Fig.1 The farthest distance of Cu movement

圖2 Zn遷移最遠(yuǎn)距離Fig.2 The farthest distance of Zn movement

圖3 Pb遷移最遠(yuǎn)距離Fig.3 The farthest distance of Pb movement

4 結(jié)論

本文通過(guò)選取解析模型，模擬了特征污染物Cu、Zn、Pb在尾礦庫(kù)防滲層局部滲漏時(shí)可能對(duì)鬧枝鎮(zhèn)地下水的影響范圍。模擬計(jì)算結(jié)果表明，Cu、Zn、Pb三種污染物在遷移過(guò)程中，沿地下水流動(dòng)方向遷移距離不會(huì)超過(guò)25 m，在地下水流動(dòng)反方向遷移距離不會(huì)超過(guò)15 m，在垂直地下水流動(dòng)方向遷移距離不會(huì)超過(guò)7 m。從當(dāng)?shù)卣w范圍來(lái)說(shuō)，污染物影響范圍較小。

本次模擬計(jì)算采用解析法，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和收集數(shù)據(jù)資料收集的全面性和準(zhǔn)確性有完善的空間，計(jì)算結(jié)果有待通過(guò)數(shù)值法模擬驗(yàn)證，具有借鑒價(jià)值。

[1]陳秀艷,劉啟蒙,李鵬飛.涌水量預(yù)測(cè)的解析法與數(shù)值法對(duì)比研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，(24)：100-157.

[2]胡 鵬，李 陽(yáng).工程地質(zhì)數(shù)值法發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].武漢科技報(bào)·科教論壇，2013，(11).

[3]田國(guó)林,暢俊斌,王 瑋.解析法在地下水允許開(kāi)采量計(jì)算中的應(yīng)用研究[J].人民珠江，2016，(10)∶1-7.

[4]環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境(HJ 610-2016)[C].環(huán)境保護(hù)部.2016.

[5]趙 微,楊巧鳳,林健北,等.北京平原區(qū)地下水承壓含水層組防污性能評(píng)價(jià)[J].城市地質(zhì)，2017，(03)：64-70.