摘" 要：為研究不同工況下尾礦庫中重金屬遷移規(guī)律，以某尾礦庫中Cu2+遷移為案例，建立不同初始污染濃度、水頭高度、污染位置3種工況下尾礦庫數(shù)值模型。應(yīng)用Geostudio軟件中的SEEP/W和CTRAN/W模塊，并結(jié)合Fredlund和Xing擬合方程改良得到滲透系數(shù)函數(shù)，分析重金屬遷移規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著污染源濃度增加，污染物遷移范圍增大，且浸潤線附近污染濃度達(dá)到峰值；污染濃度隨時(shí)間變化呈冪函數(shù)關(guān)系，因此應(yīng)在污染早期及時(shí)治理；將污染排放位置由尾礦頂部改為尾礦右側(cè)后重金屬到達(dá)初期壩表面的時(shí)間縮短了37.5%。研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：尾礦庫；污染防治；Cu2+遷移；數(shù)值模擬；Geostudio

中圖分類號：X5" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0105-04

Abstract： In order to study the migration rule of heavy metals in tailings ponds under different working conditions， the Cu2+ migration in a tailings pond is taken as an example. For this purpose， a numerical model was developed for the tailings pond based on three operating conditions with different initial pollution concentration， head height and pollution location. The model was used as a case study. Using SEEP/W and CTRAN/W modules in Geostudio software， combined with Fredlund and Xing fitting equations， the permeability coefficient function is improved to analyze the migration rule of heavy metals. The findings of this study suggest that the range of pollutant migration increases with an increase in the concentration of the pollutant source， and the pollutant concentration peaks near the infiltration line. Moreover， the pollutant concentration follows a power function with respect to time， underscoring the importance of prompt treatment during the early stage of pollution. Additionally， the study found that changing the location of pollution discharge from the top of the tailings to the right side of the tailings reduced the time for heavy metals to reach the surface of the initial dam by 37.5%. These results provide valuable insights into the migration of heavy metals in tailings ponds under different working conditions. They could serve as a reference for similar projects， while the numerical model developed in this study may be used for other studies on heavy metal migration.

Keywords： tailings ponds; pollution prevention; migration of Cu2+; numerical simulation; Geostudio

中國有尾礦庫1.4萬余座，全國各地均有分布[1]。尾礦中含有大量的重金屬污染物，這些重金屬會對生物和環(huán)境產(chǎn)生危害，如酸性礦山廢水（AMD）將重金屬離子運(yùn)移至地下河及周邊農(nóng)田。因此對尾礦污染物運(yùn)移進(jìn)行預(yù)測和評價(jià)具有重要意義[2]，許多學(xué)者對此展開研究。陳紅丹[3]應(yīng)用Geostudio軟件對降雨和蒸發(fā)共同作用下尾礦中Cu2+的遷移進(jìn)行模擬；謝學(xué)斌[4]在Geostudio軟件中利用Fredlund方程對滲透系數(shù)函數(shù)進(jìn)行改良?；谏鲜鲅芯恳阅澄驳V庫為案例，利用Geostudio軟件中的SEEP/W和CTRAN/W模塊，結(jié)合Fredlund和Xing[5]的土水特征曲線擬合方程得到滲透系數(shù)函數(shù)，對尾礦中Cu2+在不同污染濃度、水頭高度、污染位置3種工況下運(yùn)移規(guī)律展開研究，為類似工程評價(jià)及防治提供參考。

1" 模型建立及邊界條件

1.1" 模型建立

尾礦庫模型高度為82 m，從初期壩至庫尾長為433 m，從下至上尾砂的分布情況為尾細(xì)砂2、尾細(xì)砂、尾亞砂、尾輕亞黏、尾礦泥、壩基土和基巖，具體剖面如圖1所示。土體采用Mohr-coulomb本構(gòu)模型，各尾砂層材料水文地質(zhì)參數(shù)見表1。網(wǎng)格劃分形狀根據(jù)實(shí)際情況來確定，全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 m，共1 378個節(jié)點(diǎn)，1 284個單元，網(wǎng)格設(shè)置為四邊形/三角形，由于尾礦泥層和尾細(xì)砂2層厚度較薄，尺寸分別設(shè)置為4 m及4.5 m。壩基土、基巖和尾礦泥3層材料采用飽和模型，其余層采用飽和/非飽和模型，利用Fredlund和Xing的土水特征曲線擬合方程對體積含水量擬合得到基質(zhì)吸力，如圖2所示。隨后對擬合方程進(jìn)行積分得到滲透系數(shù)函數(shù)，見圖3。

1.2" 設(shè)置工況及邊界條件

根據(jù)污染狀況、豐水期與枯水期、污染源位置可能存在不同的情形，設(shè)置3種不同的工況對其進(jìn)行污染物遷移分析，abc為潛在滲流面。

1）不同初始濃度：100 g/m3和200 g/m3污染邊界對比分析，設(shè)置de為污染邊界。

2）不同水頭高度：右側(cè)水頭分別為142 m（eg）和134 m（fg），de為污染邊界。

3）不同污染物排放位置：設(shè)置尾礦庫右側(cè)頂部（de）和右側(cè)（eg）為污染邊界。

2" 計(jì)算結(jié)果分析

2.1" 不同初始污染濃度分析

8年后在初始壩外坡面a點(diǎn)有污染物出露，如圖4所示。污染濃度分布表明重金屬對流彌散范圍隨時(shí)間推移而擴(kuò)大，并沿著初期壩方向遷移。酸性礦山廢水中的重金屬離子的濃度值直接影響到重金屬污染物的遷移范圍及遷移距離。對比發(fā)現(xiàn)，污染源濃度大的比污染源濃度小的遷移范圍要大。

設(shè)置剖面1和剖面2及其與尾細(xì)砂和尾亞砂分層面的交點(diǎn)為監(jiān)測點(diǎn)，由圖5（a）、（b）可以看出，污染物在浸潤線附近濃度較高，靠近土壤表層區(qū)域污染物濃度較低。污染物濃度增大一倍后浸潤線附近的污染物濃度相應(yīng)也增大了一倍。

由圖5（c）、（d）可以看出，污染物濃度隨時(shí)間變化近似成冪函數(shù)的關(guān)系。點(diǎn)1第584天開始污染物濃度從零開始逐漸增加，點(diǎn)2第1 168天有污染物到達(dá)此處，兩點(diǎn)相距100 m，測算可得污染物遷移速度為0.171 2 m/d。由此可知污染物濃度隨時(shí)間增長增加較快，應(yīng)在未污染時(shí)予以防治。

2.2" 不同水頭高度分析

設(shè)置初始污染濃度為100 g/m，圖4（a）為豐水期尾礦經(jīng)過8年后的污染物遷移等勢圖，其右側(cè)水頭高度為142 m；圖6為枯水期尾礦經(jīng)過8年后的污染物遷移等勢圖，右側(cè)水頭高度為134 m。

對比可知，影響污染物遷移速度主要是水的對流。在土是非飽和的情況下，彌散對于污染物遷移速度有較大影響。同樣取剖面1、2進(jìn)行污染物濃度分析，由圖7（a）可以看出，剖面1、2的濃度最大值仍出現(xiàn)在浸潤線附近，驗(yàn)證了污染物遷移主要受水的對流影響。由圖7（b）可知，剖面1濃度最大值比剖面2的高了將近26倍，經(jīng)計(jì)算污染物遷移速度為0.002 33 m/d。

2.3" 不同污染位置分析

選取模型右側(cè)eg段為污染物邊界條件后，污染物隨地下水對流而遷移，遷移速度較快，污染物很快堆積到尾礦庫底部區(qū)域；預(yù)測經(jīng)過1 825 d后，污染物在尾礦邊坡表面出露，相比于原模型右側(cè)頂部de段為污染物邊界條件的情況縮短了37.5%的時(shí)間，如圖8所示。

同樣取2個剖面進(jìn)行污染物濃度分析，如圖9所示。在尾礦庫底部由于未設(shè)置溶質(zhì)出口，污染物堆積使得底部區(qū)域濃度較高；eg為污染邊界時(shí)剖面1的污染物濃度出現(xiàn)先降低后增大的現(xiàn)象，是因?yàn)槲草p亞黏的滲透系數(shù)大于尾細(xì)砂的滲透系數(shù)。

3" 結(jié)論

Geostudio軟件對尾礦污染物遷移的數(shù)值模擬結(jié)果表明，污染源濃度大的比污染源濃度小的遷移范圍要大，浸潤線附近污染物濃度最大，污染物濃度隨時(shí)間變化近似成冪函數(shù)的關(guān)系。影響污染物遷移速度的主要是水的對流，在土壤非飽和狀態(tài)時(shí)彌散對于污染物遷移速度有較大影響。在改變污染物排放位置后，污染物運(yùn)移速度更快且堆積在尾礦壩底部，相較于原污染邊界到達(dá)初期壩表面時(shí)間縮短了37.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊玉婷.尾礦材料重金屬釋放機(jī)理及其運(yùn)移規(guī)律研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2020.

[2] FARIA R R，SILVA W B D，DUTRA J C S，et al． Particle filter-based data assimilation technique for the evaluation of transport of pollutants in small rivers[J]． Computational and Applied Mathematics， 2020，39（243）：1-19.

[3] 陳紅丹，郝喆，滕達(dá)，等.降雨-蒸發(fā)與地下水耦合作用下的大型尾礦庫重金屬Cu2+遷移數(shù)值模擬分析[J].有色金屬工程，2021，11（4）：133-142.

[4] 謝學(xué)斌，饒寶文，羅海霞，等.基于改良滲透系數(shù)的尾礦庫污染物運(yùn)移模擬[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（27）：49-54.

[5] FREDLUND D G， XING A. Equations for the soil-water characteristic curve[J]. Canadian Geotechnical Journal， 1994， 31（4）：521-532.