李 理

長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410000

在礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中，若環(huán)境保護(hù)措施不當(dāng)將引起嚴(yán)重的礦山環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞等問題[1]。其中，地下水環(huán)境問題因?yàn)榫哂须[蔽性和滯后性的特點(diǎn)，更是成為環(huán)境影響評價(jià)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[2-3]。我們需要就建設(shè)項(xiàng)目整個(gè)生命周期過程中對地下水可能造成的影響進(jìn)行分析、預(yù)測和評估，提出相應(yīng)預(yù)防的措施。

數(shù)值法是采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行地下水環(huán)境影響預(yù)測的方法之一，可以用來預(yù)測復(fù)雜水文地址條件下地下水水質(zhì)隨時(shí)間變化的趨勢。本文在安徽省某金礦礦區(qū)周邊進(jìn)行的水文地質(zhì)調(diào)查、水位監(jiān)測、地下水取樣和水文地質(zhì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用地下水模擬軟件Visual Modflow建立了該金礦研究區(qū)地下水水流及溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型。通過數(shù)值仿真預(yù)測和評價(jià)了該礦山堆浸場運(yùn)行過程中對地下水環(huán)境可能造成的直接影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理?xiàng)l件

研究區(qū)地處皖南山區(qū)與沿江平原的過渡地帶，屬于低山丘陵區(qū)，地勢中部高，西北及東南低。海拔高度100～300m，最高海拔在礦區(qū)西北部，最低海拔為礦區(qū)東側(cè)河流。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤型季風(fēng)氣候，多年平均降水量為1408.8mm，年最大降水量為2301.9mm，多年平均蒸發(fā)量為1142.5mm。研究區(qū)內(nèi)大氣降水沿北東向分水嶺匯入礦區(qū)東側(cè)河流。

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)地下水類型包含如下3類：松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水。淺層為松散孔隙水和基巖裂隙水；孔隙含水層巖性為含粘土砂礫石，厚度2～13.2m；裂隙含水層巖性為砂巖、頁巖、粉砂巖及泥巖。深層為灰?guī)r巖溶水，地下水埋深較淺。

研究區(qū)內(nèi)降水豐沛，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)地下水分水嶺沿北東向山脊形成，和地表分水嶺基本一致。地下水沿分水嶺向東側(cè)河流排泄，總體方向向東，南邊為北東向，基本與地表水排泄方向一致。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

本文以逆斷層為界，建立分水嶺東側(cè)裂隙水文地質(zhì)單元的地下水?dāng)?shù)值模型。

四周邊界：西部邊界、東北部邊界以河流為界，概化為水頭邊界；其余邊界以地表分水嶺和斷層為界，概化為零通量邊界。垂向邊界：模型的上邊界為降水補(bǔ)給、蒸發(fā)邊界，下邊界以溶隙或裂隙不發(fā)育的低滲透性基巖為界，概化為零通量邊界。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，通過分析地下水補(bǔ)排特征，將區(qū)內(nèi)的地下水流概化成非均質(zhì)各向同性、二維地下水流系統(tǒng)。

2.2 模型網(wǎng)格剖分和參數(shù)選取

本文采用Visual Modflow 4.2 軟件，構(gòu)建的網(wǎng)格剖分在計(jì)算單元平面上78行109列，垂向上不分層。

地下水流動(dòng)模型考慮的因素包含：含水層介質(zhì)水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水蒸發(fā)系數(shù)。依據(jù)礦區(qū)抽水試驗(yàn)結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置初步含水層參數(shù)。根據(jù)含水層的不同，對模型中滲透系數(shù)進(jìn)行分區(qū)著色如圖1所示。

圖1 滲透系數(shù)分區(qū)示意圖

2.3 模型識別與驗(yàn)證

模型識別與驗(yàn)證采用試估——校正法來校正、反求和調(diào)試參數(shù)，以檢驗(yàn)并提高模型的準(zhǔn)確性。本文對仿真軟件在給定水文地質(zhì)參數(shù)、各均衡項(xiàng)條件下的地下水流場空間分布，和同時(shí)期的地下水流場進(jìn)行擬合來識別各水文地質(zhì)參數(shù)、邊界值以及其他均衡項(xiàng)，使得建立的模型逼近模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件。擬合過程遵循以下原則：（1）地下水水位等值線形狀相似；（2）識別的水文地質(zhì)參數(shù)符合實(shí)際的水文地質(zhì)條件。根據(jù)上述原則，使用礦區(qū)附近的水位監(jiān)測孔和居民水位進(jìn)行擬合。擬合表明在理想條件下，所有觀測孔的水位都應(yīng)準(zhǔn)確地位于45°角的直線上。擬合結(jié)果顯示觀測孔的水位基本位于95%的置信區(qū)間內(nèi)，具有很高的可信度。因此，所建立的地下水流數(shù)值模型達(dá)到了精度要求，基本能準(zhǔn)確反映研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動(dòng)力特征，可以用該模型進(jìn)行研究區(qū)的地下水污染情景預(yù)測。

3 預(yù)測結(jié)果及分析

3.1 預(yù)測情景

本文針對堆浸場防滲系統(tǒng)破裂而導(dǎo)致污水泄漏的事故進(jìn)行了模擬預(yù)測，模擬的事故場景包括瞬時(shí)源情景和持續(xù)源情景2種。瞬時(shí)源情景是指假設(shè)堆浸場生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，泄漏區(qū)域?yàn)槎呀稣麄€(gè)面狀區(qū)域，假設(shè)事故發(fā)生5d后得到妥善處理，污染物不再進(jìn)入地下水中。持續(xù)源情景是假設(shè)在最大風(fēng)險(xiǎn)情形下，污染物滲漏之后未能及時(shí)處理或者防滲措施出現(xiàn)問題，一直滲漏進(jìn)入地下水中。

在綜合考慮毒性大小、污染物濃度和超標(biāo)倍數(shù)等因素之后，選取毒性最大和超標(biāo)倍數(shù)最大的污染物氰化物作為預(yù)測因子。堆浸場污染源氰化物濃度均取為1000mg/L。預(yù)測過程中將風(fēng)險(xiǎn)最大化，不考慮包氣帶的吸附、溶濾、降解作用。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017），Ⅲ類地下水主要適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水。按照Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的限值，氰化物污染范圍的外邊界為0.05mg/L濃度的等值線。

3.2 預(yù)測結(jié)果分析

3.2.1 瞬時(shí)源情景

由Visual Modflow仿真結(jié)果可知，堆浸場發(fā)生滲漏事故后污水將在短時(shí)間內(nèi)穿透包氣帶進(jìn)入飽水帶。事故發(fā)生5d后采取措施停止泄漏，從而使污染物在飽水帶中的濃度和污染范圍的變化規(guī)律為先增加后減小。泄漏到飽水帶中的氰化物將隨水流向下游擴(kuò)散，氰化物污染暈中心濃度在泄露50d時(shí)達(dá)到最大值0.6mg/L，污染暈基本在堆浸場場區(qū)內(nèi)部沒有明顯擴(kuò)散。至2000d時(shí)，中心濃度下降至0.35mg/L；9000d后，通過含水層自凈，地下水中全部氰化物濃度值下降至地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的0.05mg/L。此時(shí)，認(rèn)為由泄露事故造成的影響已基本消除，未對下游居民水井、河流等產(chǎn)生影響。

3.2.2 持續(xù)源情景

當(dāng)堆浸場發(fā)生持續(xù)性的滲漏時(shí)，由仿真結(jié)果可知，發(fā)生滲漏事故后污染物由堆浸場開始向地下水下游的河流處運(yùn)移。事故發(fā)生至920d時(shí)，污染物運(yùn)移至東北部河流（設(shè)置包絡(luò)線為0.05 mg/L），會(huì)影響到了下游居民飲水安全。隨后污染物會(huì)沿河流繼續(xù)向下游擴(kuò)散。由上述運(yùn)移模擬可出如下結(jié)論：在持續(xù)源情景下，堆浸場發(fā)生持續(xù)泄漏對下游居民的飲水構(gòu)成影響較顯著，應(yīng)加強(qiáng)新建堆浸場的防滲和地下水監(jiān)測措施。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用Visual Modflow軟件對我國安徽省某金礦堆浸場泄漏的非正常工況進(jìn)行了地下水?dāng)?shù)值模擬，分別預(yù)測了在瞬時(shí)滲漏和持續(xù)性滲漏時(shí)對地下水環(huán)境的影響。分析結(jié)果對該金礦項(xiàng)目地下水環(huán)境影響提供了有力支撐。