周自偉 李世吉

（1.云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司；2.西雙版納職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

磷石膏是磷肥工業(yè)生產(chǎn)過程中副產(chǎn)的固體廢棄物，每生產(chǎn)1 t磷酸副產(chǎn)5 t磷石膏［1］。磷石膏主要成分是二水硫酸鈣，其含量高達(dá)90%以上。隨著經(jīng)濟(jì)增長，我國磷肥工業(yè)快速發(fā)展，磷石膏產(chǎn)量隨之迅猛增加。2000年我國磷石膏年產(chǎn)量1 000萬t［2］，2015年達(dá)到峰值后，基本穩(wěn)定在7 800萬t左右。根據(jù)2004年資料，全世界每年磷石膏的排放量高達(dá)1.1～1.3億t。然而，磷石膏利用率并不高，全世界磷石膏利用率僅4.1%～4.5%。我國磷石膏利用率逐年保持增長態(tài)勢(shì)，目前已超過40%，堆存量仍然非常之大。大量磷石膏的堆存對(duì)社會(huì)安全和環(huán)境影響日趨嚴(yán)重。

按照我國《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5086—2002）和GB 5086鑒定標(biāo)準(zhǔn)，磷石膏屬于第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物。從環(huán)評(píng)、設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理，磷石膏庫一直堅(jiān)持滲濾液及含污雨水收集處理后全部回用的原則，其水量平衡分析與控制顯得尤其重要。近年，一些學(xué)者對(duì)磷石膏堆場(chǎng)酸性工藝水滲漏［3］及滲濾液產(chǎn)量［4］都做了比較深入的研究，是磷石膏庫水量平衡研究很好的參考和借鑒。

磷石膏庫的水量分布及循環(huán)規(guī)律受氣候、地質(zhì)及磷石膏庫構(gòu)造等很多因素影響，量化起來非常復(fù)雜，為實(shí)際操作和控制帶來難度。本研究結(jié)合某磷石膏庫建設(shè)和運(yùn)行實(shí)踐，分別針對(duì)多年、逐月及24 h水量平衡分析方法進(jìn)行歸納總結(jié)。這些方法雖然遵循基本水量平衡規(guī)律，但每種計(jì)算分析方法都解決不同的技術(shù)問題。

1 磷石膏庫水量分布與基本平衡公式

除了個(gè)別利用露天廢棄采坑、凹地貯存磷石膏外，磷石膏庫一般都通過堆筑磷石膏壩來貯存磷石膏。根據(jù)磷石膏輸送至磷石膏庫時(shí)的含水量大小，又分為濕法堆存和干法堆存。為保障磷石膏的安全，防止洪水漫壩，都設(shè)置了防排洪設(shè)施。為防止短歷時(shí)暴雨攜帶酸性工藝水外泄，磷石膏壩的下游設(shè)置了調(diào)解回水池。當(dāng)磷石膏庫上游匯水面積較大時(shí)，庫區(qū)周邊設(shè)置截水溝，進(jìn)行清污分流，以保障實(shí)現(xiàn)水量平衡。

2008年，儲(chǔ)學(xué)群等提出磷石膏堆場(chǎng)盈虧水量計(jì)算公式［5］，為當(dāng)前國內(nèi)磷石膏等工業(yè)固廢堆場(chǎng)普遍采用的計(jì)算方法。為便于理解和計(jì)算分析，本研究在算法上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其水量分布及循環(huán)情況如圖1所示，基本平衡公式如下。

式（1）中各物理量的意義如下。

（1）降雨量（Wj）。降雨量根據(jù)不同的歷時(shí)進(jìn)行計(jì)算，有些學(xué)者將降雨量分為徑流和滲流，這為無疑為計(jì)算分析增加了很大的難度，在工程實(shí)踐中意義不是太大。

（2）磷石膏渣漿含水量（Ww）。磷石膏渣漿含水量為磷石膏輸送至磷石膏庫的過程中所含水量，根據(jù)生產(chǎn)工藝條件，每年磷石膏渣漿排放總量為600萬t，渣漿濃度為27.0%，磷石膏渣漿含水量為1 622.22萬m3/a。

（3）蒸發(fā)量（Wz）。蒸發(fā)量包括水面蒸發(fā)量和土壤蒸發(fā)量，水面蒸發(fā)量根據(jù)地方水文資料和水面面積計(jì)算。土壤蒸發(fā)量受氣候、土壤類別以及植被覆蓋等影響很大。

（4）回水量（Wh）?；厮堪ㄊ占臐B濾液、渣漿澄清水以及設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的調(diào)蓄洪水，以調(diào)節(jié)回水池回水泵站輸送量為準(zhǔn)。

（5）孔隙滯留水量（Wk）。磷石膏堆積體內(nèi)的孔隙會(huì)滯留大量的水，包括部分渣漿含水和降雨入滲。孔隙滯留水量并不穩(wěn)定，會(huì)隨著庫內(nèi)水位上升增加，隨著庫內(nèi)水位下降、磷石膏固結(jié)以及土壤蒸發(fā)逐漸減少。本項(xiàng)目僅研究運(yùn)行中的磷石膏庫，依據(jù)勘察資料取新近堆積磷石膏含水率平均值26.5%，孔隙滯留水量159.00萬m3/a。

滲濾量為磷石膏堆積體內(nèi)滲出的工業(yè)廢水，其中包括部分渣漿含水和降雨入滲。滲濾量的計(jì)算方法已有較多的研究，但由于現(xiàn)場(chǎng)磷石膏沉積和固結(jié)情況復(fù)雜，很難準(zhǔn)確計(jì)算。設(shè)計(jì)階段往往通過三維數(shù)值模擬進(jìn)行確定，與實(shí)際運(yùn)行情況相比出入很大。尤其是到底有多少渣漿澄清水通過庫內(nèi)回水設(shè)施導(dǎo)流至調(diào)節(jié)回水池，目前沒有任何計(jì)算方法。因此，本研究將滲濾液、渣漿澄清水以及設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的調(diào)蓄洪水合并，這也有利于計(jì)算分析和實(shí)踐驗(yàn)證。

雖然磷石膏庫總的匯水面積都不會(huì)太大，但一些溝谷在建庫之前是有基流的。在有基流的情況下，建庫時(shí)往往會(huì)進(jìn)行地下水導(dǎo)排和防滲處理。當(dāng)前國內(nèi)磷石膏等工業(yè)固廢堆場(chǎng)普遍采用的水量平衡公式都沒有考慮基流，也沒有考慮缺陷滲漏。在工程措施完備的情況下，基流和缺陷滲漏是可以忽略的。以上所有進(jìn)入磷石膏庫的水量減去流出水量后即為盈虧水量ΔW，盈余為正，虧損為負(fù)。

2 年水量平衡分析

年水量平衡分析有2種方法對(duì)應(yīng)2個(gè)目的，計(jì)算歷時(shí)均為1 a。首先，是為更好實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整個(gè)生命周期內(nèi)的節(jié)水與環(huán)保，采用多年水量平衡確定磷石膏庫的年回水量，為廠區(qū)供水提供依據(jù)。其次，按歷史最大年降雨量和截水溝標(biāo)高以下庫區(qū)面積，計(jì)算調(diào)節(jié)回水池最大蓄水量［6］。

2.1 年回水量

當(dāng)?shù)亟?0 a年平均降雨量861 mm。截水溝過流斷面按50 a一遇洪水重現(xiàn)期的防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)［6］，常年洪水不會(huì)進(jìn)入磷石膏庫，取截水溝標(biāo)高以下匯水面積2.418 km2，計(jì)算降雨量Wj=0.1×861×2.418=208.19萬m3。

當(dāng)?shù)亟?0 a年平均蒸發(fā)量為1 885 mm。水面面積為0.431 km2，包括正常運(yùn)行庫內(nèi)澄清水域面積和調(diào)節(jié)回水池正常運(yùn)行水面面積之和。水下磷石膏平均含水率為31%，水上磷石膏平均含水率為22%，土壤日蒸發(fā)量取2.1 mm［7］。土壤蒸發(fā)計(jì)算面積為1.987 km2，為截水溝標(biāo)高以下匯水面積減去水面面積。年蒸發(fā)量Wz=0.1×(1885×0.431+2.1×1.987×365)=233.55萬m3。

假設(shè)磷石膏庫運(yùn)行期水量正好平衡，即盈虧水量為零，則每年回水量Wh=1 622.22+208.19-233.55-159.00=1 437.86（萬m3）。

多年水量平衡分析結(jié)果如圖1所示，顯然回水量小于渣漿含水量，說明磷石膏庫可以實(shí)現(xiàn)污水零排放，但廠區(qū)需要補(bǔ)充用水量。

2.2 調(diào)節(jié)回水池最大蓄水量

當(dāng)?shù)貧v史最大年降雨量為1 144 mm，降雨量Wj=0.1×1144×2.418=276.62（萬m3），其中匯水面積同前。水面增發(fā)量按最不利情況取最小值1 561 mm，則水面蒸發(fā)量為67.28萬m3，蒸發(fā)量為219.58萬m3，匯水面積和土壤蒸發(fā)量同前。磷石膏渣漿含水量、蒸發(fā)量、回水量及孔隙滯留水量同前，由式（1）計(jì)算 盈 虧 水 量ΔW=1 622.22+276.62-219.58-1437.86-159.00=82.40（萬m3），按照這種方法確定的調(diào)節(jié)回水池最大蓄水量則為82.40萬m3。

3 月水量平衡分析

由于降雨量和增發(fā)量在全年每個(gè)月都不一樣，尤其是降雨量在汛期和枯水期相差極大，那么月水量平衡是確定調(diào)節(jié)回水池容積的又一種方法。該方法計(jì)算歷時(shí)1個(gè)月，逐月計(jì)算分析，最大累計(jì)盈余量即調(diào)節(jié)回水池最大蓄水量。

首先，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑慕涤炅亢驼舭l(fā)量月分配系數(shù)，計(jì)算逐月降雨量和蒸發(fā)量，其中年降雨量和蒸發(fā)量同前，見表1第2～5列。其次，由當(dāng)?shù)刂鹪陆涤炅亢驼舭l(fā)量分別計(jì)算磷石膏庫的逐月降雨量和蒸發(fā)量，其中計(jì)算面積同前，見表1第5、6列。最后，假設(shè)每月磷石膏渣漿含水量和回水量平均分配，其中年磷石膏渣漿含水量和年回水量同前，則可按照式（1）計(jì)算逐月盈虧平衡量，見表1第7列。

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綜上可知，可以得到最大累計(jì)盈余量為76.21萬m3，為5—11月，由此確定調(diào)節(jié)回水池最大蓄水量為76.21萬m3。

4 日水量平衡分析

日水量平衡分析也是2種方法對(duì)應(yīng)2個(gè)目的，計(jì)算歷時(shí)一般均為24 h。首先，由于極端天氣的降雨呈偏態(tài)部分，導(dǎo)致24 h洪峰流量和洪水總量均非常大，為保障壩體安全，需要進(jìn)行庫內(nèi)日水量平衡分析［6］，確保防排洪設(shè)施的防排洪能力滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。其次，按設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和截水溝標(biāo)高以下庫區(qū)面積計(jì)算的2次24 h洪水之和確定調(diào)節(jié)回水池容積［6］。

4.1 庫內(nèi)防排洪調(diào)洪演算

磷石膏庫防排洪調(diào)洪演算與尾礦庫相同［6］，所采用的水量平衡公式［6］如下。

因此，由于防排洪調(diào)洪演算歷時(shí)僅24 h，式（2）與式（1）相比，僅有暴雨徑流水量，其余水量沒有計(jì)入。另外，磷石膏庫防洪標(biāo)準(zhǔn)高于截水溝的防洪標(biāo)準(zhǔn)，匯水面積為能匯集到防排洪設(shè)施入水口的所有匯水面積，包含截洪溝以上部分。

磷石膏庫防排洪調(diào)洪演算采用牛頓迭代法［8］，調(diào)洪演算水量平衡如圖3所示。前期洪水流量大于泄流量，盈虧量為正，累計(jì)盈余量即為調(diào)洪庫容。后期洪水流量小于泄流量，盈虧量為負(fù)，累計(jì)盈虧量等于累計(jì)盈余量。調(diào)洪全過程保持水量平衡。

4.2 調(diào)節(jié)回水池容積確定

由24 h洪水總量確定調(diào)節(jié)回水池容積時(shí)，按設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和截水溝標(biāo)高以下庫區(qū)面積計(jì)算24 h洪水總量。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)同4.1節(jié)，匯水面積同2.1節(jié)。與庫內(nèi)調(diào)洪演算一樣，這種方法也僅計(jì)算暴雨徑流水量，其余水量沒有計(jì)入。由于入滲部分在24 h內(nèi)滲出量很少，洪水總量計(jì)算應(yīng)乘以24 h徑流系數(shù)。24 h洪水總量為46.60萬m3，用這種方法確定的調(diào)節(jié)回水池容積不小于93.21萬m3。

5 結(jié)語

（1）多年水量平衡確定磷石膏庫的年回水量，為企業(yè)項(xiàng)目建設(shè)提供依據(jù)，同時(shí)為企業(yè)節(jié)能和環(huán)保提供重要的技術(shù)保障。

（2）年水量平衡確定調(diào)節(jié)回水池最大蓄水量，主要考慮當(dāng)?shù)貧v史最大年降雨量。年蒸發(fā)量取歷史最小值，提高了保障系數(shù)。

（3）月水量平衡是確定調(diào)節(jié)回水池容積的又一種方法，考慮了汛期集中降雨的情況。

（4）庫內(nèi)防排洪調(diào)洪演算是論證防排洪設(shè)施的防排洪能力是否滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。本研究也重點(diǎn)分析了調(diào)洪演算中水量平衡公式與以往水量平衡公式之間的異同。

（5）由24 h洪水總量確定調(diào)節(jié)回水池容積，調(diào)洪演算一樣，也僅計(jì)算暴雨徑流水量，其余水量沒有計(jì)入。

（6）不同的分析方法解決不同的問題。尤其是調(diào)節(jié)回水池容積的確定就采用了3種方法，3種方法的主要影響因素是不一樣的。針對(duì)不同氣候、地質(zhì)條件及磷石膏庫構(gòu)造特點(diǎn)，每種方法都值得高度重視。本水量平衡分析方法也可推廣至尾礦庫以及其他固廢堆場(chǎng)，當(dāng)然，還需根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。本研究在土壤蒸發(fā)、滲流等方面的研究尚且不足，而這些在水量平衡中的影響不容忽視。