鄒 寧

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054)

我國(guó)目前已經(jīng)步入世界礦業(yè)大國(guó)行列，主要礦產(chǎn)每年尾礦排放量約3 億t，除一小部分回用于礦山充填或綜合利用外，絕大部分尾礦采用構(gòu)筑尾礦庫(kù)的方式儲(chǔ)存［1］.尾礦庫(kù)對(duì)其周邊環(huán)境造成的不利影響包括大氣環(huán)境影響、地表水環(huán)境影響、地下水環(huán)境影響、土壤環(huán)境影響以及潰壩事故影響［2］. 為減輕尾礦庫(kù)對(duì)其周邊居民的不利影響，通常在尾礦庫(kù)周邊設(shè)置一定的防護(hù)距離，該距離內(nèi)原有居民必須進(jìn)行搬遷.以前尾礦庫(kù)周邊防護(hù)距離主要根據(jù)《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599—2001)中第5.1.2 條確定為500 m，因制定該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)研究水平有限，確定的500 m 防護(hù)距離不盡合理，不能起到較好的防護(hù)作用. 根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2013年第36 號(hào)公告［關(guān)于發(fā)布《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599—2001)等3 項(xiàng)國(guó)家污染物控制標(biāo)準(zhǔn)修改單的公告］，現(xiàn)在應(yīng)依據(jù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)論確定尾礦庫(kù)與周圍人群的防護(hù)距離.所以開展對(duì)尾礦庫(kù)周邊防護(hù)距離確定方法的研究，對(duì)保護(hù)尾礦庫(kù)周邊環(huán)境，減少尾礦庫(kù)環(huán)境污染對(duì)周邊人群健康的影響有重要意義.

1 尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境的環(huán)境影響方式

尾礦庫(kù)對(duì)環(huán)境的影響方式主要可以分為大氣環(huán)境影響、水環(huán)境影響和固體廢物影響3個(gè)方面.

1.1 大氣環(huán)境影響

尾礦在堆存的過(guò)程中長(zhǎng)期受到水流侵蝕和風(fēng)吹日曬，表面會(huì)發(fā)生風(fēng)化，一旦遇到適宜的風(fēng)速將導(dǎo)致尾礦飛揚(yáng)，形成揚(yáng)塵，造成附近大氣環(huán)境的污染，如果人體吸入過(guò)量粉塵，將可能導(dǎo)致塵肺病［3］.

1.2 水環(huán)境影響

尾礦廢水對(duì)環(huán)境造成的影響主要包括地表水和地下水兩個(gè)方面.

正常運(yùn)行時(shí)，尾礦砂通過(guò)大氣降水形成的滲濾液，會(huì)淋溶出一部分污染物. 污染物中主要含有濃度較高的金屬鹽類、酸根離子、大量有機(jī)物、硫化物及其他有害物質(zhì)，這些污染物通過(guò)包氣帶污染地下水，甚至通過(guò)排泄區(qū)污染地表水. 一旦發(fā)生潰壩事故，尾礦廢水流向下游，容易造成地表水大面積污染，對(duì)尾礦庫(kù)下游水體造成嚴(yán)重威脅.

由于秦嶺山區(qū)尾礦庫(kù)周邊居民飲用水一般為通過(guò)管道輸送的山區(qū)泉水，因此尾礦庫(kù)對(duì)下游地下水環(huán)境及地表水環(huán)境的影響通常不會(huì)污染周邊居民的飲用水源.

1.3 固體廢物影響

尾礦庫(kù)是一旦發(fā)生潰壩，會(huì)導(dǎo)致大量尾礦砂下泄，覆蓋下游大面積的土地和農(nóng)田，沖毀房屋，造成重大經(jīng)濟(jì)損失及人身傷亡.

綜上所述，尾礦庫(kù)對(duì)周邊居民造成的主要影響為大氣環(huán)境影響及固體廢物影響.

2 環(huán)境防護(hù)距離確定方法

2.1 大氣環(huán)境防護(hù)距離

目前大氣環(huán)境防護(hù)距離的確定通常采用導(dǎo)則推薦的SCREEN3 估算模式來(lái)確定［4］，在推薦的計(jì)算模式中已將氣象參數(shù)設(shè)定為最不利的條件. 因此，大氣環(huán)境防護(hù)距離計(jì)算值的準(zhǔn)確性就主要取決于尾礦庫(kù)無(wú)組織排放源強(qiáng)調(diào)查的結(jié)果. 因此，尾礦庫(kù)最主要的無(wú)組織排放源為揚(yáng)塵. 干燥尾礦砂起塵量的計(jì)算公式為［5］:

式中:Q 為起塵量，gs－1;q 為起塵率，gm－2s－1;M 為干灘面積，m2;U*0為起動(dòng)摩阻風(fēng)速，mms－1.

式中:d 為尾礦砂粒徑，mm.

2.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)距離

尾礦庫(kù)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要為潰壩事故，潰壩影響范圍的確定目前尚沒(méi)有系統(tǒng)、統(tǒng)一的方法，一般采用經(jīng)驗(yàn)類比和經(jīng)驗(yàn)公式推理分析估算確定. 尾礦庫(kù)一旦發(fā)生潰壩，其下泄流體不同于一般的水流，是尾礦砂和水的混合物，類似于泥漿的流動(dòng)［6］. 目前常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、數(shù)學(xué)模型法及相似試驗(yàn)法.經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法主要借鑒水庫(kù)潰壩后泥石流的演進(jìn)經(jīng)驗(yàn)公式，該方法對(duì)于潰壩過(guò)程都是假設(shè)一次性全潰，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，但使用方便.數(shù)學(xué)模型法主要是通過(guò)建立描述潰壩下泄砂流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程和動(dòng)力方程，運(yùn)用數(shù)值分析的方法，求出尾礦庫(kù)潰壩下泄砂流在下游各點(diǎn)的流速和深度，以及潰壩后尾礦下泄引起的砂流覆蓋范圍，該方法精度較高，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，要求較高. 相似試驗(yàn)法根據(jù)模型流動(dòng)與實(shí)際流動(dòng)的相似性，即流場(chǎng)中相應(yīng)點(diǎn)上各同類物理量將具有各自固定的比例關(guān)系，可將模型試驗(yàn)的成果方便的應(yīng)用于實(shí)際流動(dòng)中［7］.但該方法需要室外模擬潰壩試驗(yàn)，花費(fèi)成本較大.由于環(huán)境評(píng)價(jià)的工作時(shí)間一般較短，費(fèi)用有限，所以推薦采用的還是經(jīng)驗(yàn)公式法.

3 實(shí)例研究

某新建鐵礦尾礦庫(kù)位于陜西省商洛市柞水縣，地處秦嶺北麓山區(qū)谷地，占地面積39.8 hm2，初期壩高40 m，設(shè)計(jì)總壩高140 m，總庫(kù)容1 561.39 ×104m3.尾礦采用濕法排放，全庫(kù)采取防滲處理，匯水面積2.95 km2，下游1.7 km 以外為溝口，地勢(shì)較開闊，下游1 km 內(nèi)無(wú)居民點(diǎn)，溝口有地表水體，上游匯水以潛流形式匯至地下水中. 尾礦庫(kù)所在地地層簡(jiǎn)單，表層為第四系松散覆蓋層，下部為泥盆系板巖.

3.1 大氣環(huán)境防護(hù)距離

尾礦砂起動(dòng)摩阻風(fēng)速為6.4 m/s (dp =0.025 mm)［8］.因?yàn)楫?dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速僅為1.3 m/s，風(fēng)速多在5.0 m/s 以下，所以一般氣象條件下，該鐵礦尾礦砂不會(huì)因起塵而對(duì)周圍環(huán)境空氣造成影響. 當(dāng)?shù)仫L(fēng)速≥7.0 m/s 的天數(shù)年平均1.1 d，起塵率為1.38×10－4gm－2s－1，起塵量為1.38 g/s(干灘面積M =10 000 m2)，該尾礦庫(kù)的大氣環(huán)境防護(hù)距離為200 m，即當(dāng)風(fēng)速=7.0 m/s 時(shí)，該尾礦庫(kù)可能對(duì)距干灘中心200 m 范圍內(nèi)的敏感目標(biāo)的環(huán)境空氣造成影響.

3.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)距離

按最不利的潰壩情況考慮，即尾礦庫(kù)在使用后期(壩高140 m)發(fā)生潰壩，按浸潤(rùn)線形成的最危險(xiǎn)滑面進(jìn)行計(jì)算，潰壩時(shí)的排砂量約為1 173 ×104m3，庫(kù)內(nèi)沉積區(qū)洪水按全部排空考慮，則洪水量約為36 ×104m3(200年一遇);本次預(yù)測(cè)計(jì)算取泄流總量為1 209 ×104m3.

潰壩最大流量可采用文獻(xiàn)［9］的計(jì)算式［9］:

式中，λ 為流量參數(shù)，取0.22(四次拋物線斷面);bm為潰壩口門寬度，m;H0為壩前最大水深，m，取132 m;W 為潰前總庫(kù)容，m3，取1 209 ×104m3;K 為沖刷系數(shù)，計(jì)算得0.000 04;E 為壩橫斷面面積，m2，取600 m2;φ 為土質(zhì)系數(shù)，碾壓式透水堆石壩取0.495.

下泄砂流洪峰流量不僅與單一洪水洪峰流量有關(guān)，而且還與潰壩時(shí)加入尾礦砂的量以及尾礦砂與水相互作用的關(guān)系有關(guān)，可將下泄砂流的洪峰流量Qdmax 表示為

式中，Qmax為水庫(kù)潰壩洪水洪峰流量;k 為考慮尾礦砂因素的洪峰流量系數(shù)，主要由加入尾礦砂的量決定，可按下泄砂流的容重來(lái)計(jì)算，即

式中，γd為尾礦砂流的容重，γw為水的容重，可取10 kN/m3，γe為尾礦砂固體顆粒的容重.

由式(2)可以得出，潰口的平均寬度為35 m，由式(1)可以得出，潰壩時(shí)壩址的最大流量為3.7 ×104m3/s，經(jīng)式(4)校正后尾礦砂的最大下泄流量為5.0 ×104m3/s.

根據(jù)潰壩下泄砂流向下游的演進(jìn)過(guò)程，利用:

其中，矩形斷面n=1.

可計(jì)算出下游沿程的最大流量及下游某處的洪峰高度，而由式(8)可計(jì)算出下泄砂流最大洪峰到達(dá)的時(shí)間.

因此，通過(guò)選取下游的典型斷面，可計(jì)算出各典型斷面下泄砂流向下游演進(jìn)過(guò)程的參數(shù). 計(jì)算結(jié)果見表1.

當(dāng)?shù)鼐用穹课菥嚯x溝底最小高度為3 m，因此最大防護(hù)距離按洪峰高度達(dá)到3 m 計(jì).

表1 下游斷面計(jì)算成果(翻譯)Tab.1 The calculating results of lower cross section

3.3 防護(hù)距離小結(jié)

根據(jù)防護(hù)距離計(jì)算結(jié)果，最大防護(hù)距離由尾礦庫(kù)潰壩影響決定，為3 000 m，大大超過(guò)原標(biāo)準(zhǔn)確定的500 m 距離.由此可知，如果按原標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)距離實(shí)施搬遷，則不能保證下游居民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，必須根據(jù)環(huán)境評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果確定相應(yīng)的防護(hù)距離.

4 結(jié) 語(yǔ)

該文通過(guò)環(huán)評(píng)實(shí)例，對(duì)尾礦庫(kù)周邊環(huán)境防護(hù)距離的確定方法進(jìn)行了研究，包括大氣環(huán)境防護(hù)距離與尾礦庫(kù)潰壩防護(hù)距離，最后發(fā)現(xiàn)尾礦庫(kù)最大防護(hù)距離由潰壩防護(hù)距離確定. 雖然人們對(duì)尾礦庫(kù)潰壩泥石流的演進(jìn)做了大量的研究工作，但尚無(wú)完善的計(jì)算模型可以應(yīng)用，導(dǎo)致影響距離計(jì)算結(jié)果尚存有誤差.此外，泥沙演進(jìn)對(duì)下游居民造成的損害效果目前還沒(méi)有深入的研究成果，計(jì)算的影響距離尚不能等同于防護(hù)距離.

總之，尾礦庫(kù)潰壩計(jì)算模型還不完善，泥沙演進(jìn)損害效果研究還不深入，需要借助土力學(xué)、水力學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)、建筑學(xué)及安全工程等學(xué)科的交叉進(jìn)一步研究.

［1］敬小非，尹光志，魏作安，等.基于不同潰口形態(tài)的尾礦壩潰決泥漿流動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］. 巖土力學(xué)，2012，33(3):745-752.

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