江成鑫,趙 江,張洪文

1.貴州理工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003

2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092

3.貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司,貴州 貴陽 550081

貴州省地處我國(guó)巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū),同時(shí)也是我國(guó)有色金屬資源大省。 貴州省松桃縣內(nèi)的錳礦保有儲(chǔ)量超過6.4 億t,是我國(guó)三大錳礦床之一,開采利用條件良好。 隨著錳礦開采和加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,錳渣等工業(yè)垃圾的處置堆放量日益增加,環(huán)境問題日漸突出,引起社會(huì)廣泛關(guān)注。 其中,部分錳礦渣庫設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)不合理,出現(xiàn)滲漏問題,導(dǎo)致地下水生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞[1]。 錳渣場(chǎng)產(chǎn)生的總錳(Mn)、氨氮(NH3-N)等主要污染物對(duì)地下水的污染后果嚴(yán)重,其污染特征主要表現(xiàn)為污染時(shí)間長(zhǎng)、恢復(fù)機(jī)理復(fù)雜、恢復(fù)難度大等[2]。因此,對(duì)巖溶山區(qū)錳礦渣庫滲透及污染路徑的預(yù)測(cè)研究逐漸成為尾礦庫滲漏防治研究的熱點(diǎn)。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)錳渣堆體污染物質(zhì)遷移規(guī)律的研究較少,更多的關(guān)注點(diǎn)集中在錳渣的無害化及資源化綜合利用[3-5];對(duì)錳礦渣庫滲漏的研究大多集中在壩體滲流及底部滲流數(shù)值模擬,并且主要針對(duì)城市垃圾填埋場(chǎng)[6-7];對(duì)錳渣場(chǎng)滲漏特征的研究則大多僅限于較為簡(jiǎn)單的模擬研究階段[8],較少針對(duì)復(fù)雜巖溶地區(qū)錳礦渣庫特征污染物的遷移規(guī)律開展深入研究[9]。 本文以貴州省松桃縣某錳礦尾礦庫為例,基于現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)查及長(zhǎng)期地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在合理概化地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上,利用FEFLOW (Finite Element Subsurface FLOW System)模型對(duì)該渣庫進(jìn)行水文地質(zhì)-溶質(zhì)運(yùn)移耦合,對(duì)處于巖溶山區(qū)復(fù)雜區(qū)域地質(zhì)條件且防滲措施完全失效(現(xiàn)場(chǎng)未采取任何防滲措施,處于天然情況)情況下的渣庫地下水水文地質(zhì)特征,以及特征污染物NH3-N、Mn 的遷移過程進(jìn)行詳細(xì)分析,以期為復(fù)雜巖溶條件下尾礦庫的地下水污染防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 錳渣堆渣場(chǎng)概況

該渣庫總庫容96 萬m3,堆渣量89 萬m3,運(yùn)行周期15 年。 研究區(qū)位于松桃縣城區(qū)北部,屬副亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū),氣候溫和,雨量充沛,全年降雨量1 200 ～1 300 mm,夏季平均溫度22.9 ～26.4 ℃,冬季1.1 ～4.3 ℃。 研究區(qū)海拔380 ～550 m,地勢(shì)總體呈北高南低,起伏較大,切割較強(qiáng),侵蝕、巖溶地貌分布廣泛,發(fā)育強(qiáng)烈。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地表水分水嶺呈東西向延展,與區(qū)域構(gòu)造線的空間展布方向相近(圖1)。 大氣降水及其所形成的地面散流直接或間接通過滲透性較高的包氣帶進(jìn)入各種巖溶裂隙,下滲到地下水面后,再沿巖溶裂隙通道按最大水力坡降方向向排泄區(qū)流動(dòng),最終在排泄基準(zhǔn)面(松江河)附近以泉點(diǎn)、河底出水的形式排泄。 工作區(qū)地下水主要排入松江河,雨季時(shí)也會(huì)以季節(jié)性小泉點(diǎn)的形式先排入白臘塘小溪再排入松江河。

圖1 區(qū)域工程地質(zhì)條件Fig.1 Regional engineering geological conditons

2 水文地質(zhì)模型概化及建立

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及區(qū)內(nèi)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)和敏感區(qū)域分布情況,結(jié)合現(xiàn)有各類資料,確定模擬范圍如下:東部以地表河流松江河為排泄邊界,南部以白蠟塘小溪為排泄邊界,北部、東部以地下水分水嶺為補(bǔ)給邊界。 模擬區(qū)總面積約2.7 km2,基本構(gòu)成一個(gè)較完整的水文地質(zhì)單元。研究區(qū)模擬范圍如圖2 所示。

圖2 渣庫模擬范圍Fig.2 Simulation range of slag reservoir

2.1 地下水滲流模型的建立

根據(jù)上述建模范圍,結(jié)合達(dá)西定律,可建立處于三維非穩(wěn)定流情況下的滲流數(shù)學(xué)模型,如公式(1)至公式(4)所示:

式中:Ω 為地下水滲流區(qū)域,量綱為L(zhǎng)2;H0為初始地下水位,量綱為L(zhǎng);H1為指定水位,量綱為L(zhǎng);S1為第一類邊界;S2為第二類邊界;μs為單位儲(chǔ)水系數(shù),量綱為L(zhǎng)-1;Kxx、Kyy、Kzz分別為x、y、z 主方向的滲透系數(shù),量綱為L(zhǎng)T-1;w 為區(qū)域內(nèi)地表水下滲及地下水排泄的匯源項(xiàng),量綱為L(zhǎng)T-1;q(x, y, z, t) 為與時(shí)間有關(guān)的流函數(shù),量綱為L(zhǎng)3T-1;?H/?n 表示水力梯度在邊界法線上的分量;t 為時(shí)間變量。

采用基于有限單元法的FEFLOW 軟件對(duì)上述數(shù)學(xué)控制方程進(jìn)行求解。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況,將模型區(qū)域設(shè)定為2.7 km2,通過TMesh 剖分方法將模型離散為不規(guī)則三角剖分網(wǎng)格[10]。 模型每層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12 090 個(gè),有限單元數(shù)為23 872個(gè)。 將地質(zhì)模型概化為3 個(gè)地層,并對(duì)模擬區(qū)域滲透系數(shù)進(jìn)行分區(qū),最終得到評(píng)價(jià)區(qū)二維剖分結(jié)果及三維地質(zhì)模型。 地層情況從上至下如表1 所示,三維地質(zhì)模型如圖3 所示。

表1 模型地層層序Table 1 Model stratigraphic sequence

2.2 邊界條件及水文地質(zhì)參數(shù)的確定

研究區(qū)北部、西部均以地表分水嶺為地下水分水嶺的隔水邊界,東部和南部分別以松江河和白臘塘小溪為定水頭邊界,上邊界為降水補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄邊界,下邊界以基巖作為底部相對(duì)隔水邊界。 滲透系數(shù)、給水度、入滲系數(shù)根據(jù)相關(guān)資料進(jìn)行取值,如表2 所示。

將上述數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)模型,并對(duì)模型進(jìn)行校正識(shí)別。 選取5 個(gè)水文地質(zhì)鉆孔和1 個(gè)監(jiān)測(cè)井(ZK2)完成參數(shù)校正,結(jié)果見表3。 完成識(shí)別后的研究區(qū)穩(wěn)定流模型如圖4 所示,初始流場(chǎng)水位擬合散點(diǎn)分布如圖5 所示。 擬合結(jié)果證明,該模型響應(yīng)度較好,具有較高的靈敏度,與實(shí)際情況相吻合。

圖3 渣庫三維地質(zhì)模型Fig.3 3D geological model of slag reservoir

表2 水文計(jì)算參數(shù)Table 2 Hydrological calculation parameters

表3 主要監(jiān)測(cè)井地下水模擬、實(shí)測(cè)水位埋深參數(shù)擬合情況Table 3 Fitting of buried depth parameter of simulation and measured water level in main monitoring wells groundwater

圖4 模擬區(qū)穩(wěn)定流場(chǎng)示意圖Fig.4 Sketch map of steady flow field in simulated area

圖5 初始流場(chǎng)水位擬合散點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of water level in initial flow field

2.3 溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)及污染物泄漏條件的確定

2.3.1 數(shù)學(xué)模型

本次模擬采用的彌散模型如下:

式中:Dxx、Dyy、Dzz分別為x、y、z 三個(gè)主方向的彌散系數(shù);μx,μy、μz分別為x、y、z 方向的實(shí)際水流速度;c 為溶質(zhì)濃度,量綱為ML-3;Ω 為溶質(zhì)滲流區(qū)域,量綱為L(zhǎng)2;c0為初始濃度,量綱為ML-3;t 為時(shí)間變量。

2.3.2 彌散度的確定

模型中的孔隙介質(zhì)彌散度是廣泛參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選取的結(jié)果,風(fēng)化裂隙含水層的彌散度則是主要依據(jù)EASLEY 等[11]、DAGAN[12]收集的世界范圍內(nèi)59 個(gè)大區(qū)域的彌散資料,經(jīng)過對(duì)比選取合適的取值。 最終確定的溶質(zhì)運(yùn)移模型參數(shù)包括:縱向彌散度,5 m;橫向彌散度,0.5 m;有效孔隙度,0.3。

2.3.3 模擬時(shí)段及特征污染物泄漏環(huán)境設(shè)定

依照研究區(qū)渣場(chǎng)設(shè)計(jì)年限,模擬渣庫在50 年服務(wù)期限內(nèi)的特征污染物運(yùn)移情況。 模擬時(shí)間步長(zhǎng)取1 天,計(jì)算在防滲措施失效的情況下,第1天、第1 000 天、第15 年(第5 475 天)、第50 年(第18 250 天)的特征污染物(NH3-N、Mn)運(yùn)移情況。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料,Mn 的泄漏濃度設(shè)定為1 000 mg/L,NH3-N 的泄漏濃度設(shè)定為700 mg/L。按照特征污染物全年連續(xù)泄漏進(jìn)入地下水的情景進(jìn)行迭代計(jì)算模擬。 其中,污染物最終遷移邊界濃度的取值參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T 14848—2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值,分別取Mn 0.1 mg/L、NH3-N 0.2 mg/L。 在模擬過程中,渣庫僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單的頂部防滲處理,污染物下滲方式設(shè)置為對(duì)下伏巖層產(chǎn)生污染,在水平方向上的上超標(biāo)污染暈有限,主要是受F201 斷層影響垂向遷移進(jìn)入寒武統(tǒng)清虛洞組第三段、第四段碳酸鹽巖巖溶裂隙水含水層,流向清虛洞組1 段下覆巖溶管道,并受地下水流向控制從南向北遷移。

3 研究區(qū)渣庫模擬預(yù)測(cè)結(jié)果

圖6 至圖9 展示了從最開始的第1 天到最終的第50 年,渣庫地下水中Mn、NH3-N 的遷移擴(kuò)散情況。 表4 列出了Mn、NH3-N 在4 個(gè)典型時(shí)間點(diǎn)的污染暈運(yùn)移距離、最高濃度、污染面積及垂向遷移距離等模擬結(jié)果。

在平面上,污染暈整體向東南部遷移。 從污染區(qū)邊界算起,在模擬開始時(shí),特征污染物隨即向F201 斷層滲漏;在模擬進(jìn)行到第15 年的模擬期時(shí),Mn 及NH3-N 會(huì)對(duì)渣庫北側(cè)向東部排泄的巖溶地下暗河產(chǎn)生較大滲漏風(fēng)險(xiǎn)。 在垂向上,模擬結(jié)果顯示,污染物將超過寒武系清虛洞組地層向下持續(xù)滲漏。

圖6 天然工況下的研究區(qū)渣庫Mn 污染暈Fig.6 Mn pollution halo in slag reservoir of study area under natural condition

圖7 天然工況下的研究區(qū)渣庫Mn 污染暈剖面Fig.7 Mn pollution halo section in slag reservoir of study area under natural condition

圖8 天然工況下的研究區(qū)渣庫NH3-N 污染暈Fig.8 NH3-N pollution halo in slag reservoir of study area under natural condition

圖9 天然工況下的研究區(qū)渣庫NH3-N 污染暈剖面Fig.9 NH3-N pollution halo section in slag reservoir of study area under natural condition

表4 地下水中Mn、NH3-N 污染暈情景預(yù)測(cè)結(jié)果Table 4 Prediction results of Mn,NH3-N pollution halo in groundwater

綜上所述,正常工況且防滲措施失效的情景下,渣庫運(yùn)行期間,兩種污染物會(huì)對(duì)地下水造成一定的污染,污染暈會(huì)遷移超出渣庫北側(cè)邊界約200 m,并且對(duì)渣庫北側(cè)向東部排泄的巖溶地下暗河產(chǎn)生較大風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1)在天然工況下,由于地下水、地表水的持續(xù)補(bǔ)給、滲流,以及斷層、地下巖溶管道的存在,污染物會(huì)對(duì)地下水環(huán)境造成不同程度和范圍的影響。 在持續(xù)滲漏情景下,污染物將持續(xù)沿賦水地層及斷層、下覆管道擴(kuò)散,進(jìn)而影響區(qū)域地下水環(huán)境。 即使渣庫運(yùn)行期(15 年)結(jié)束,在防滲失效條件下,周邊地下水中的特征污染物也將持續(xù)處于超標(biāo)狀態(tài)。 從模擬情景可以看出,當(dāng)污染時(shí)長(zhǎng)達(dá)到50 年時(shí),污染水平距離達(dá)到100 m 左右,但是在深度上則會(huì)下滲超過200 m,對(duì)地下水造成嚴(yán)重污染。 因此,在對(duì)地下水進(jìn)行污染防治調(diào)查時(shí),應(yīng)綜合考慮地質(zhì)情況,從而提出更為合理的污染防治建議。

2)在研究區(qū)渣庫運(yùn)行期內(nèi),受F201 導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊?污染物將匯入F201 斷層。 由于裂隙及上覆地層白云巖塌陷,污染物流入F201 導(dǎo)水?dāng)鄬雍?與下覆巖溶管道連通,匯入地下暗河,導(dǎo)致位于渣庫東面1 km 的老樸茨水井中Mn 及NH3-N 濃度的升高,最終向東側(cè)的松江河快速遷移,進(jìn)而威脅區(qū)域地下水甚至地表水環(huán)境安全。 因此,查明可能發(fā)生污染物滲漏的相關(guān)區(qū)域,并進(jìn)行人工防滲處理,成為下一步污染防治工作的重點(diǎn)。