李 理
長沙有色冶金設計研究院有限公司,湖南長沙 410000
在礦產資源的開發(fā)過程中,若環(huán)境保護措施不當將引起嚴重的礦山環(huán)境污染和生態(tài)平衡破壞等問題[1]。其中,地下水環(huán)境問題因為具有隱蔽性和滯后性的特點,更是成為環(huán)境影響評價中的一個薄弱環(huán)節(jié)[2-3]。我們需要就建設項目整個生命周期過程中對地下水可能造成的影響進行分析、預測和評估,提出相應預防的措施。
數(shù)值法是采用數(shù)學模型進行地下水環(huán)境影響預測的方法之一,可以用來預測復雜水文地址條件下地下水水質隨時間變化的趨勢。本文在安徽省某金礦礦區(qū)周邊進行的水文地質調查、水位監(jiān)測、地下水取樣和水文地質試驗的基礎上,采用地下水模擬軟件Visual Modflow建立了該金礦研究區(qū)地下水水流及溶質運移數(shù)值模型。通過數(shù)值仿真預測和評價了該礦山堆浸場運行過程中對地下水環(huán)境可能造成的直接影響。
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)東側河流。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤型季風氣候,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)內大氣降水沿北東向分水嶺匯入礦區(qū)東側河流。
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)內降水豐沛,地下水主要接受大氣降水補給。區(qū)內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。
本文以逆斷層為界,建立分水嶺東側裂隙水文地質單元的地下水數(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。
根據研究區(qū)水文地質條件,通過分析地下水補排特征,將區(qū)內的地下水流概化成非均質各向同性、二維地下水流系統(tǒng)。
本文采用Visual Modflow 4.2 軟件,構建的網格剖分在計算單元平面上78行109列,垂向上不分層。
地下水流動模型考慮的因素包含:含水層介質水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲補給系數(shù)和潛水蒸發(fā)系數(shù)。依據礦區(qū)抽水試驗結果以及經驗值設置初步含水層參數(shù)。根據含水層的不同,對模型中滲透系數(shù)進行分區(qū)著色如圖1所示。
圖1 滲透系數(shù)分區(qū)示意圖
模型識別與驗證采用試估——校正法來校正、反求和調試參數(shù),以檢驗并提高模型的準確性。本文對仿真軟件在給定水文地質參數(shù)、各均衡項條件下的地下水流場空間分布,和同時期的地下水流場進行擬合來識別各水文地質參數(shù)、邊界值以及其他均衡項,使得建立的模型逼近模擬區(qū)的水文地質條件。擬合過程遵循以下原則:(1)地下水水位等值線形狀相似;(2)識別的水文地質參數(shù)符合實際的水文地質條件。根據上述原則,使用礦區(qū)附近的水位監(jiān)測孔和居民水位進行擬合。擬合表明在理想條件下,所有觀測孔的水位都應準確地位于45°角的直線上。擬合結果顯示觀測孔的水位基本位于95%的置信區(qū)間內,具有很高的可信度。因此,所建立的地下水流數(shù)值模型達到了精度要求,基本能準確反映研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動力特征,可以用該模型進行研究區(qū)的地下水污染情景預測。
本文針對堆浸場防滲系統(tǒng)破裂而導致污水泄漏的事故進行了模擬預測,模擬的事故場景包括瞬時源情景和持續(xù)源情景2種。瞬時源情景是指假設堆浸場生產運行過程中發(fā)生泄漏,泄漏區(qū)域為堆浸場整個面狀區(qū)域,假設事故發(fā)生5d后得到妥善處理,污染物不再進入地下水中。持續(xù)源情景是假設在最大風險情形下,污染物滲漏之后未能及時處理或者防滲措施出現(xiàn)問題,一直滲漏進入地下水中。
在綜合考慮毒性大小、污染物濃度和超標倍數(shù)等因素之后,選取毒性最大和超標倍數(shù)最大的污染物氰化物作為預測因子。堆浸場污染源氰化物濃度均取為1000mg/L。預測過程中將風險最大化,不考慮包氣帶的吸附、溶濾、降解作用。根據《地下水質量標準》(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業(yè)用水。按照Ⅲ類標準的限值,氰化物污染范圍的外邊界為0.05mg/L濃度的等值線。
3.2.1 瞬時源情景
由Visual Modflow仿真結果可知,堆浸場發(fā)生滲漏事故后污水將在短時間內穿透包氣帶進入飽水帶。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散,氰化物污染暈中心濃度在泄露50d時達到最大值0.6mg/L,污染暈基本在堆浸場場區(qū)內部沒有明顯擴散。至2000d時,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量標準要求的0.05mg/L。此時,認為由泄露事故造成的影響已基本消除,未對下游居民水井、河流等產生影響。
3.2.2 持續(xù)源情景
當堆浸場發(fā)生持續(xù)性的滲漏時,由仿真結果可知,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移。事故發(fā)生至920d時,污染物運移至東北部河流(設置包絡線為0.05 mg/L),會影響到了下游居民飲水安全。隨后污染物會沿河流繼續(xù)向下游擴散。由上述運移模擬可出如下結論: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成影響較顯著,應加強新建堆浸場的防滲和地下水監(jiān)測措施。
本文應用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行了地下水數(shù)值模擬,分別預測了在瞬時滲漏和持續(xù)性滲漏時對地下水環(huán)境的影響。分析結果對該金礦項目地下水環(huán)境影響提供了有力支撐。