樂文喜，王 濤*，王鵬程，劉 偉，孔德頌，周開宇，田 俊，陳植華

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102)

中國是世界上最大的礦產(chǎn)品生產(chǎn)國、消費國和貿(mào)易國[1]。隨著我國工業(yè)化進程的加快，大量的礦產(chǎn)資源被開采利用，但開采過程中會產(chǎn)生尾礦、冶煉廢渣等固體廢物[2]。云南省被譽為“有色金屬王國”，是得天獨厚的礦產(chǎn)資源寶地，工業(yè)固體廢物歷史遺留問題較為突出。冶煉廢渣堆經(jīng)過大氣降雨淋濾，會不斷浸出含有重金屬、硫酸鹽等污染物的滲濾液，對周邊水土環(huán)境安全構(gòu)成威脅。

云南某冶煉企業(yè)超過600萬t的冶煉廢渣堆露天堆存，占地面積近15萬m2?；趯υ撘睙拸U渣堆進行長期安全處置考慮，提出對渣堆場地實施原位風(fēng)險管控的設(shè)想，而滲濾液作為渣堆對周邊水土的核心污染源，是污染場地原位風(fēng)險管控的關(guān)鍵對象。滲濾液產(chǎn)生量的多少及分布，決定了風(fēng)險管控工程的規(guī)模、空間布局和需要投入管控的力量，對項目管控方案的制定尤為重要。然而，在該渣體不同階段施工的百余個勘察鉆孔中，僅有4個鉆孔揭露到滲濾液，其余鉆孔均未見滲濾液；渣場周圍設(shè)置的5個滲濾液截滲井(JS1～JS5)，也只有渣場東南部的JS4、JS5截滲井收集到一定的滲濾液，大量資料數(shù)據(jù)表明，渣體自身產(chǎn)生滲濾液的量少且影響因素比較復(fù)雜。此前在云南省其他歷史遺留渣堆調(diào)查中均發(fā)現(xiàn)，這些渣堆下部存在大量滲濾液并在地表出現(xiàn)滲濾液排泄點，而該渣堆則與之形成明顯的差異。如何解釋該渣堆滲濾液產(chǎn)生量少、分布位置有限這種特殊現(xiàn)象，需要查明渣堆滲濾液產(chǎn)生的控制條件和影響因素。

若將渣體視為一個特殊的巨厚包氣帶，且該包氣帶具有吸收水分、保持水分和傳遞水分的能力，(以下統(tǒng)稱為“渣體包氣帶”)，那么降雨入滲后水分如何在這種特殊物質(zhì)和結(jié)構(gòu)組成的渣體包氣帶內(nèi)部運移轉(zhuǎn)換并形成滲濾液，便是一個非常具有研究價值的問題?；诖颂厥馇闆r，研究渣體包氣帶滲濾液產(chǎn)生及其影響因素就顯得至關(guān)重要。

渣體包氣帶水分運移和滲濾液產(chǎn)生過程極其復(fù)雜，影響因素眾多，除氣象要素(降水、蒸發(fā)等)外，還包括渣體包氣帶的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)(不同性質(zhì)的渣體、物質(zhì)組成及厚度、結(jié)構(gòu)類型等)、初始含水率、有無覆蓋填土等[3-10]，這些因素均會對渣體包氣帶水分運移產(chǎn)生影響。為此，本文基于詳細勘察和野外現(xiàn)場調(diào)查試驗結(jié)果，提出渣體包氣帶水文地質(zhì)概念模型及數(shù)值模型，并結(jié)合HYDRUS軟件分析不同條件下渣體包氣帶的水分變化，以期通過深化渣體包氣帶水文地質(zhì)學(xué)研究，提升對不同影響因素下復(fù)雜渣體包氣帶滲濾液產(chǎn)生的認識，拓展渣體包氣帶數(shù)值模擬在固體廢物處置中的技術(shù)應(yīng)用，對云南省乃至我國當(dāng)前亟待治理的大量冶煉廢渣堆、尾礦庫等提供專業(yè)研究借鑒。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象水文

該冶煉廢渣場地所在位置屬低緯高原山地季風(fēng)氣候。該地區(qū)年平均氣溫15℃左右，多年平均降雨量為1 000.5 mm，月最大降雨量為208.3 mm，日最大降雨量為165.4 mm，降雨主要集中在5～10月份；多年平均蒸發(fā)量為1 717.92 mm，年均蒸發(fā)量大于年均降雨量；多年平均日照時數(shù)為2 445.6 h，最大風(fēng)速為40 m/s(見圖1)。該冶煉廢渣堆及周邊地表水系不發(fā)育，無穩(wěn)定地表徑流。

圖1 研究區(qū)多年月均氣象數(shù)據(jù)

1.2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)屬于昆明盆地西北部邊緣構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，主要出露的地層有二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)雜色頁巖和棲霞-茅口組(P1q+m)灰?guī)r、二疊系中統(tǒng)峨嵋山組(P2e)玄武巖和第四系(Q)黏性土層等，見圖2。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)概圖

1.3 場地地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)特征

該渣堆所在場地的地層可劃分為6層，由新至老分別為渣體(Qml)、第四系坡洪積物(Qdl+pl)、第四系殘坡積物(Qel+dl)、第四系殘積物(Qel)、二疊系中統(tǒng)峨嵋山組(P2e)玄武巖強-中風(fēng)化層、二疊系下統(tǒng)棲霞-茅口組(P1q+m)灰?guī)r，見圖3。

圖3 渣體地層結(jié)構(gòu)剖面圖

根據(jù)地下水埋藏條件及含水介質(zhì)類型，研究區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水、玄武巖類風(fēng)化裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水三大類。場地內(nèi)低滲透性的殘坡積物、殘積物等屬于相對隔水層，透水性差，僅在一些碎石含量較高的坡洪積物中具有一定的滲透性，可以作為賦存孔隙水的含水介質(zhì)；玄武巖類風(fēng)化裂隙水僅在局部分布，規(guī)模小，沒有形成穩(wěn)定連續(xù)的含水層，雖然局部可以接受降水入滲或第四系孔隙水補給，但與坡洪積孔隙水和下部巖溶水沒有直接的水力聯(lián)系；灰?guī)r地層在渣場底部分布較廣，但巖溶水的地下水水位埋深較大，屬于潛水，與上部孔隙水基本沒有水力聯(lián)系。

2 渣體包氣帶水分運移數(shù)值模擬

2.1 渣體包氣帶水文地質(zhì)概念模型建立

渣體主要分為熔煉渣、石膏渣、雜填土和部分生活垃圾等單元層。其中，熔煉渣在整個渣場均有分布；石膏渣在渣場分布無規(guī)律，局限于渣場部分地區(qū)。除渣場西側(cè)和南側(cè)未堆渣外，場地內(nèi)渣體厚度最大值近50 m，但有近一半面積的渣體厚度不足10 m，渣體總厚度分布情況見圖4。

圖4 渣體厚度分布圖

由于渣體處于地下水水位之上，故可將渣體視為包氣帶，滲濾液的形成及遷移可概化為渣體包氣帶水分運移問題，以便于闡述和分析滲濾液產(chǎn)生及其影響因素。研究區(qū)雨旱分明，而火法工藝產(chǎn)生的熔煉渣體也較為干燥，在旱季末期，渣體包氣帶上部的含水率低于殘留含水率，形成水分缺失。渣體包氣帶截留的水量先用于補足降水間歇期由于蒸散造成的水分缺失，故降雨初期首先要補足渣體包氣帶水分缺失，多余的水分才能下滲[11]。當(dāng)降水入滲量超過渣體包氣帶的最大持水能力后才開始形成向下遷移的水流，即產(chǎn)生滲濾液。建立的渣體包氣帶水分運移過程概念模型，見圖5。

圖5 渣體包氣帶水分運移過程概念模型

根據(jù)水量平衡，渣體包氣帶單位面積內(nèi)的水均衡可概化為

P=ΔW+E+D+Q

(1)

式中：P為降雨量(mm)；ΔW為渣體包氣帶單位面積內(nèi)水分儲量的變化量(mm)；E為蒸發(fā)消耗量(mm)；D為地表徑流量(mm)；Q為底部滲濾液產(chǎn)生量(mm)。

2.2 渣體單孔HYDRUS-1D水分運移模擬

2.2.1 模擬概況

為了驗證降雨后渣體包氣帶水分入滲補給的情況，本次研究布設(shè)了測定渣體垂向含水率變化的取樣鉆孔SK5。SK5鉆孔于2020年7月23日封孔，其中6月底至封孔前累計降雨量約為100 mm，巖心中可以看到明顯的水分運移濕潤鋒的界線深度在8.8 m，8.8 m及更深的渣體樣品外觀干燥，這反映降雨入滲渣體包氣帶后運移的深度有限，無法入滲飽和產(chǎn)流形成滲濾液或穿透渣體進入地下水。本文以SK5取樣鉆孔為研究對象，通過建立HYDRUS-1D單孔剖面模型來分析渣體包氣帶水分垂直入滲過程。渣體厚度為30 m，模擬期為2020年6月14日至2020年7月21日，共計38 d，期間累計降雨量為215.2 mm，蒸發(fā)量為93.6 mm。

HYDRUS-1D采用改進的非線性方程來描述非飽和帶的水流運動，其表達式為：

(2)

式中：θ為體積含水率(%)；t為時間(d)；h為負壓水頭(cm)；K(h)為對應(yīng)負壓水頭h時的非飽和滲透系數(shù)函數(shù)(cm/d)；z為垂向坐標(cm)，取向上為正。

初始條件為模擬開始時刻實測的渣體體積含水率。上邊界位于地表，定義為大氣邊界(Atmospheric BC with Surface Layer)，同時設(shè)置積水最大高度為0，即無地表徑流，水分全部下滲；下邊界選用水力坡度為1的自由排水邊界(Free Drainage)。將氣象數(shù)據(jù)和各層的土壤水力參數(shù)作為模型輸入項。

根據(jù)取樣鉆孔SK5巖性分層特點和渣體的顆粒組成(依據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類標準，采用LS13320型粒度分析儀測得)，將模擬的剖面分為7層，利用HYDRUS-1D軟件中Rosetta Lite V1.1模塊所提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測各層渣體的水力參數(shù)[12-13]，并根據(jù)其實測的體積含水率進行微調(diào)，綜合考慮后給出了各層渣體相關(guān)水力參數(shù)，見表1。

表1 各層渣體經(jīng)Rosetta模型估算的相關(guān)水力參數(shù)

2.2.2 模擬結(jié)果與分析

采用HYDRUS軟件模擬得到的渣體包氣帶體積含水率與實測渣體包氣帶體積含水率數(shù)據(jù)的對比，見圖6。渣體包氣帶體積含水率模擬值與實測值的吻合程度采用決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE進行評價，結(jié)果顯示：R2=0.923，RMSE=1.795，說明渣體體積含水率模擬值與實測值兩者趨勢一致且相當(dāng)吻合；但表層2.0～3.3 m深度處渣體包氣帶體積含水率模擬值與實測值誤差略大，這可能是由于模型對于渣體包氣帶水分變化相對較大的位置模擬精度較差造成的，而其他層位的渣體包氣帶體積含水率模擬值與實測值相對誤差基本在20%以內(nèi)，且越深層位渣體包氣帶體積含水率模擬值與實測值的相對誤差越小，模擬效果更好。由此可見，HYDRUS軟件能夠較好地模擬渣體包氣帶中水分運移過程。

圖6 渣體包氣帶體積含水率模擬值與實測值的對比

模擬得到的渣體包氣帶水均衡各項收支情況，見表2。

表2 渣體包氣帶水均衡模擬結(jié)果

由表2可知：渣體包氣帶單位面積內(nèi)水分儲量的增加量ΔW為14.34 cm，為降水入滲總量(即降雨總量)的66.64%，而蒸發(fā)消耗量占33.36%，地表徑流量(D)和底部滲濾液產(chǎn)生量(Q)均為0?？梢?，在取樣鉆孔SK5處渣體雖然接受了降水入滲且水分完全進入渣體中，但大氣降水補給量并未超出渣體包氣帶的極限水分存儲量，故底部沒有滲漏量，即無法產(chǎn)生滲濾液。

模擬期內(nèi)渣體包氣帶水分儲量、降雨量和蒸發(fā)量的變化情況，見圖7。

圖7 渣體包氣帶水分儲量、降雨量和蒸發(fā)量的變化

通過對比渣體包氣帶體積含水率模擬值與初始值結(jié)果，可以看出渣體接受大氣降水入滲后，僅有限深度的體積含水率發(fā)生改變，臨界深度為8.8 m；而臨界深度以下渣體包氣帶水分含量幾乎保持初始狀態(tài)，見圖8。

圖8 渣體包氣帶體積含水率模擬值與初始值的對比

模型應(yīng)用中涉及參數(shù)的取值問題，各參數(shù)取值的變化會對模擬結(jié)果產(chǎn)生不同的影響[14]，因此需要對各參數(shù)的敏感性進行分析。本次研究采用Morris法分析模型參數(shù)(降雨量、蒸發(fā)量和渣體水力參數(shù))在一定范圍內(nèi)變化對模型輸出結(jié)果(渣體包氣帶水分儲量)的影響程度。其具體分析步驟如下:在其他參數(shù)不變的情況下，分別以2%為固定步長，分別取原值的-10%、-8%、-6%、-4%、-2%、+2%、+4%、+6%、+8%和+10%對單一參數(shù)進行擾動；再將擾動后的參數(shù)輸入HYDRUS模型，計算某一參數(shù)調(diào)整后模型的輸出值，進而利用Morris公式計算參數(shù)的敏感性指數(shù)。Morris法計算參數(shù)敏感性指數(shù)的公式為

(3)

式中:S為參數(shù)的敏感性指數(shù)；Yi+1為參數(shù)第i+1次變化后的模型輸出值;Yi為參數(shù)第i次變化后的模型輸出值；Pi+1為第i+1次參數(shù)變化的百分率；Pi為第i次參數(shù)變化的百分率；n為模型運算次數(shù)。

參數(shù)的敏感性程度分為4級：高度敏感(S≥1)、敏感(0.2≤S<1)、中等敏感(0.05≤S<0.2)和不敏感(0≤S<0.05)。

各參數(shù)的敏感性分析結(jié)果，見表3。

表3 各參數(shù)的敏感性分析結(jié)果

由表3可知:各參數(shù)的敏感性指數(shù)呈現(xiàn)降雨量>蒸發(fā)量>n>θs>α>Ks>θr，其中降雨量為高度敏感參數(shù)，蒸發(fā)量和n為敏感參數(shù)，θs和α為中等敏感參數(shù)，Ks和θr為不敏感參數(shù)。

2.3 渣體剖面HYDRUS-2D水分運移模擬

2.3.1 模擬概況

為了探究廢渣堆一個完整水文年內(nèi)具體的滲濾液產(chǎn)生情況，針對不同渣體物質(zhì)組成和渣體包氣帶厚度進行分析，采用HYDRUS-2D來模擬具體的渣體包氣帶剖面水分運移情況。擬模擬的剖面穿過整個渣場且渣體厚度變化大，最厚處近50 m，渣體物質(zhì)組成包含了主要的熔煉渣和生活垃圾等，見圖9。本文將模擬區(qū)域渣體包氣帶類型概化為熔煉渣、生活垃圾、雜填土3種類型，模擬期為2019年7月21日至2020年7月21日，共計367 d，該水文年內(nèi)累計降雨量為1 097.4 mm，累計蒸發(fā)量為1 239.4 mm。

圖9 模擬剖面的渣體物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)

HYDRUS-2D采用的水分運動基本方程為

(4)

初始條件：各層渣體的初始體積含水率設(shè)為系統(tǒng)默認的持水量和經(jīng)驗參數(shù)；將氣象數(shù)據(jù)和各層渣體的水力參數(shù)作為模型輸入項；結(jié)合各層渣體樣品測得的初始體積含水率均值，熔煉渣的初始體積含水率取0.10，生活垃圾的初始體積含水率取0.20，雜填土的初始體積含水率取0.15。

邊界條件：上邊界為大氣邊界，假設(shè)存在積水情況，且最大積水厚度為1 cm；下邊界為熔煉渣，設(shè)為自由排水邊界；左、右邊界為相對隔水層，設(shè)為零流量邊界。

參數(shù)設(shè)置：生活垃圾和石膏渣受限于場地條件暫時無法獲取原狀樣并求取相關(guān)的水力參數(shù)，故通過含水狀況并參考已有的國內(nèi)堆填場地研究，獲取了其近似的水力參數(shù)[15-17]；雜填土的水力參數(shù)根據(jù)建筑填土資料[18]和HYDRUS-1D模型中參數(shù)進行綜合考慮給出。獲取的渣體主要水力參數(shù)，見表4。

表4 渣體主要水力參數(shù)取值

2.3.2 模擬結(jié)果與分析

采用HYDRUS-2D模擬不同階段第60天、120天、180天、240天、300天、360天渣體包氣帶剖面體積含水率分布情況，其結(jié)果見圖10。

圖10 模擬不同階段渣體包氣帶剖面體積含水率分布圖

由圖10可以看出：模擬第30天時，熔煉渣和生活垃圾分布較廣的均一渣體包氣帶介質(zhì)的體積含水率基本沒有太大變化，表層渣體受降水的影響體積含水率有所增加；模擬第60天時，表層渣體的體積含水率有所增加，但下部渣體體積含水率仍是初始狀態(tài)；模擬第120天時，僅在兩側(cè)渣體厚度不大的區(qū)域有含水率增加的現(xiàn)象，這是因為第120天為11月下旬，昆明步入旱季少雨期；隨著旱季來臨，第180～300天(2020年1月—2020年5月)時，表層渣體已經(jīng)出現(xiàn)水分缺失，體積含水率越來越小并趨于渣體的殘余體積含水率，且原先雨季含水率增加的區(qū)域也受蒸發(fā)的影響逐漸消耗，體積含水率不斷下降，且水分缺失的范圍、深度持續(xù)下移；模擬第360天時，步入2020年7月，迎來昆明的雨季，降雨量增加同時蒸發(fā)量減小，渣體水分得以補充，在剖面右側(cè)熔煉渣較薄處體積含水率明顯增加，熔煉渣分布區(qū)整體水分變化的影響深度不足10 m，生活垃圾分布區(qū)僅在兩側(cè)厚度較薄處出現(xiàn)一定水分缺失。

為了便于定量分析渣體包氣帶剖面年際體積含水率的變化情況，將其體積含水率概化為剖面的水分儲量，模擬得到整個渣體包氣帶水分儲量、降雨量和蒸發(fā)量的變化情況，見圖11。

圖11 渣體包氣帶水分儲量、降雨量和蒸發(fā)量的變化

由圖11可以看出：整個渣體包氣帶的初始水分儲量為2 120.7 m2，隨著較為密集降雨的入滲，渣體包氣帶水分儲量逐漸增加，并在第54天達到全年最大值2 195.1 m2，增加了約70 m2，此后水分儲量保持在較高水平直至2019年10月中旬；隨著旱季(11月至次年5月)的到來，降雨量和降雨頻次明顯減少，整個渣體包氣帶水分儲量在蒸發(fā)作用下不斷減少，直至2020年6月13日，水分儲量降至最小值1 954.1 m2，較初始值減少了約160 m2，中間受間歇性降雨的影響略有波動。可見，整個渣體包氣帶水分儲量隨季節(jié)的變化明顯。

在取樣孔SK5處的渣體包氣帶縱向設(shè)置不同深度的觀測點，用來觀察渣體包氣帶水分在垂向上的運動變化規(guī)律，通過模擬得到各觀測點渣體體積含水率的變化情況，見圖12。

圖12 模擬期內(nèi)各觀測點渣體體積含水率的變化

由圖12可以看出：0～7.3 m的7個觀測點渣體體積含水率均有不同程度的變化，自上而下年際變幅逐漸減小；渣體表層含水率受降雨入滲的影響明顯，含水率變化劇烈，其中地表0 m處渣體體積含水率在2019年12月之后的旱季甚至降至渣體的殘余含水率，說明旱季蒸發(fā)強度非常強烈；與渣體上部差異明顯不同的是，9.4～32.3 m的渣體體積含水率基本不隨降雨變化，維持在初始狀況，亦或者說降雨入滲深度不足9.4 m，這與HYDRUS-1D模擬結(jié)果基本對應(yīng)，表明渣體包氣帶厚度較大的區(qū)域水分垂向運移深度有限。

此外，根據(jù)HYDRUS-2D的模擬結(jié)果可以說明，對于該渣堆而言，當(dāng)其渣體的堆存厚度超過9.4 m后，底部不會形成滲濾液，降雨入滲的水分暫時儲存在渣體包氣帶內(nèi)部，后續(xù)將通過持續(xù)蒸發(fā)而消耗。

3 滲濾液產(chǎn)生及其影響因素分析

滲濾液產(chǎn)生與降雨量和蒸發(fā)量等氣象因素以及渣場環(huán)境要素有關(guān)，同時也與渣體初始含水率和渣體包氣帶的持水能力變化有關(guān)，并且各因素相互作用共同影響，其中自然降水和渣體包氣帶結(jié)構(gòu)是主要影響因素。本節(jié)均采用HYDRUS-1D進行數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果主要分析土壤水儲存量、徑流量、入滲量和底部滲漏量的變化情況。

3.1 氣象要素的影響分析

根據(jù)昆明地區(qū)降雨資料統(tǒng)計，昆明11個縣市區(qū)30年內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)2天暴雨的次數(shù)共有16次，幾率非常低；出現(xiàn)連續(xù)大暴雨(≥100 mm)的天數(shù)最多為1天[19]。針對昆明當(dāng)?shù)貧庀笠貤l件，本文分別選取小雨、中雨、大雨、暴雨4種降雨強度進行了模擬(見表5)。不同降雨強度下渣體包氣帶水分儲量及底部滲漏量的模擬結(jié)果，見圖13。

表5 4種降雨強度的模擬日期和降雨量

圖13 不同降雨強度下渣體包氣帶的水分儲量和底部滲漏量

由圖13可以看出：在暴雨情況下渣體包氣帶的水分儲量增加明顯，大雨和中雨時渣體包氣帶的水分儲量僅小幅增加，而小雨時由于蒸發(fā)量大于降雨量，渣體包氣帶的水分儲量甚至出現(xiàn)下降趨勢，表明渣體包氣帶水分儲量主要受降雨量和蒸發(fā)量控制，且與降雨強度明顯相關(guān)[見圖13(a)]；大雨、中雨、小雨3種情況下底部滲漏量非常少，均不到0.1 cm，而暴雨情況下底部滲漏量超過1.3 cm，遠遠高于其他降雨強度，表明僅在暴雨條件下渣體包氣帶會飽和并產(chǎn)生滲漏量，即在渣體底部出現(xiàn)滲濾液[見圖13(b)]。

在實際情況下，昆明地區(qū)暴雨次數(shù)少且過程歷時短，降雨強度若超過渣體表面的下滲能力即產(chǎn)生超滲產(chǎn)流，轉(zhuǎn)而形成地表徑流，更加限制了渣體包氣帶滲濾液的產(chǎn)生。

3.2 渣體包氣帶結(jié)構(gòu)的影響分析

3.2.1 渣體物質(zhì)組成及厚度對水分運移的影響

渣體包氣帶的持水能力與其底部能否產(chǎn)生滲濾液密切相關(guān)，而渣體的物質(zhì)組成及厚度則直接影響到渣體包氣帶的持水能力。本次模擬設(shè)計采用30 m厚的不同渣體物質(zhì)成分(即熔煉渣、石膏渣、生活垃圾)，渣體主要水力參數(shù)見表3，渣體初始體積含水率均為0.12，模擬期為2010年1月1日至2020年12月31日，共計4 018 d，主要模擬各類渣體體積含水率的年際變化規(guī)律。期間降雨量主要集中在6～10月份，其他月份的降雨量很小且蒸發(fā)量大，雨旱分明，季節(jié)性特征鮮明，見圖14。

圖14 模擬期內(nèi)月降雨量和月蒸發(fā)量的變化

模型設(shè)置同第2.2節(jié)，將觀測點調(diào)整為1.0 m、3.0 m、5.0 m、10.0 m、20.0 m處，通過單變量控制，模擬研究區(qū)不同物質(zhì)組成的渣體包氣帶在不同深度下水分運移和底部滲漏量情況，其結(jié)果見圖15。

由圖15可以看出：研究區(qū)熔煉渣、石膏渣、生活垃圾渣體接受降雨后體積含水率均明顯升高，呈現(xiàn)明顯的年際周期性規(guī)律；在厚度均為30m的情況下，不同物質(zhì)組成的渣體包氣帶水分運移及其滲濾液產(chǎn)生量的區(qū)別非常明顯，具體表現(xiàn)如下：

(1) 熔煉渣降雨入滲速率最快，第1年雨季到來時渣體上部(1.0 m、3.0 m、5.0 m)體積含水率明顯上升，第2年雨季時入滲的水分已經(jīng)運移轉(zhuǎn)至渣體中部(10.0 m)，再往下受渣體包氣帶厚度的影響，直至第4年才開始有入滲的水分抵達渣體下部(20.0 m)，渣體整體體積含水率在0.13～0.20之間浮動，越接近地表變幅越大[見圖15(a)]。

圖15 各類渣體不同深度體積含水率和底部滲漏量的變化

(2) 石膏渣相對熔煉渣而言，水分運移的速度較慢，渣體體積含水率變幅較小，在0.18～0.28之間浮動，渣體中部和下部分別到第4年和第7年體積含水率才開始增加，且變幅小于熔煉渣[見圖15(b)]。

(3) 生活垃圾是3種主要渣體中水分運移速度最慢的，但其穩(wěn)定后體積含水率較高，在0.25～0.35之間浮動，渣體包氣帶的持水能力更強。由圖15(c)可以看到生活垃圾各深度體積含水率增加的拐點均是最長的，且在HYDRUS-2D模擬中生活垃圾分布區(qū)體積含水率也基本沒有變化，這都表明生活垃圾自身的持水能力較強。

(4) 熔煉渣在第1年雨季后產(chǎn)生了極少量的滲濾液，至第6年渣體包氣帶儲水量達到峰值，渣體持水能力大幅下降，因而底部滲漏量開始快速增加。與此同時，石膏渣直到第10年底部才產(chǎn)生滲漏量，且遠小于熔煉渣渣體的滲漏量；生活垃圾甚至沒有出現(xiàn)底部滲漏，表明多年來降水入滲尚未超過其最大持水能力，無法匯流成滲濾液?？梢?，渣體厚度越大，水分運移至底部的時間越長，因此在影響渣體包氣帶水分運移及其產(chǎn)生滲濾液方面表現(xiàn)為：熔煉渣>石膏渣>生活垃圾。

3.2.2 渣體結(jié)構(gòu)類型對水分運移的影響

為了分析渣體結(jié)構(gòu)類型對底部滲濾液產(chǎn)生的影響，采用1.0 m熔煉渣、1.0 m石膏渣、1.0 m生活垃圾進行不同渣體結(jié)構(gòu)類型配置(總厚度設(shè)置為3.0 m)，用于模擬渣體底部的滲濾液產(chǎn)生量。由于生活垃圾全部被覆蓋，故未將生活垃圾置于頂部，可得4種結(jié)構(gòu)類型的渣體(見圖16)，簡寫為石(膏渣)+生(活垃圾)+(熔煉)渣等形式，具體參數(shù)設(shè)置和模擬條件與上節(jié)相同。模擬得到不同結(jié)構(gòu)類型渣體滲濾液產(chǎn)生量、水分儲量增量和實際蒸發(fā)量的變化，見圖17。

圖16 模擬的4種渣體結(jié)構(gòu)類型

圖17 不同結(jié)構(gòu)類型渣體滲濾液產(chǎn)生量、水分儲量增量和實際蒸發(fā)量的變化

由圖17可以看出：渣體結(jié)構(gòu)類型對入滲能力、蒸發(fā)作用均具有明顯的影響，底部為熔煉渣的渣體結(jié)構(gòu)其滲漏量最大為14.55 cm，而相對滲透能力較弱的生活垃圾和石膏渣位于熔煉渣下部時，底部滲漏量明顯減小，分別為4.17 cm、4.37 cm，不到前者滲漏量的1/3；水分儲量增量在渣體物質(zhì)組成厚度基本相同情況下大致相同；實際蒸發(fā)量明顯受上部渣體結(jié)構(gòu)類型的影響，熔煉渣在渣體結(jié)構(gòu)頂部時，實際蒸發(fā)量遠高于上部為石膏渣的渣體結(jié)構(gòu)，而上部渣體一致下部渣體不同時，實際蒸發(fā)量近似，沒有太大差異。

綜上可知，渣體結(jié)構(gòu)類型對于整個渣體包氣帶水分運移的影響很大；上部為熔煉渣時，雖然一定程度上有利于降雨入滲，但當(dāng)下部為生活垃圾或石膏渣時，導(dǎo)水率變小，水力阻滯作用明顯，嚴重阻礙了水分向下運移；同時，實際蒸發(fā)量會更大，并會導(dǎo)致旱季沒有降雨入滲時渣體包氣帶水分含量不斷減少。

3.3 渣體初始體積含水率的影響分析

渣體初始體積含水率是其入滲能力的重要影響因素[20]，為了分析渣體初始體積含水率對渣體滲濾液產(chǎn)生的影響，采用熔煉渣作為典型渣體進行了模擬分析。渣體厚度設(shè)計為30 m，模擬期為2020年1月1日至2020年12月31日，共計366 d，期間累計降雨量為1 056.6 mm，蒸發(fā)量為1 198.0 mm，并通過設(shè)置4種不同渣體初始體積含水率θ0(0.04、0.08、0.12、0.16)，對渣體滲濾液產(chǎn)生量進行了模擬分析，其模擬結(jié)果見圖18。

圖18 不同渣體初始體積含水率下渣體滲濾液產(chǎn)生量和水分儲量增量的變化

由圖18可以看出：隨著渣體初始體積含水率的增加，底部滲漏量越來越大，從0 cm增加到21.09 cm，水分儲量增量卻越來越小，從51.88 cm變?yōu)?4.63 cm，減少近50%；在渣體初始體積含水率接近殘余體積含水率時(θ0=0.04)，渣體底部沒有滲漏量，表明降雨入滲量未超過包氣帶持水能力，僅使渣體水分儲量增加而已；當(dāng)渣體初始體積含水率達到0.08時，底部才開始產(chǎn)生滲濾液。

渣體底部滲漏量隨渣體初始體積含水率的增加而增大，主要是因為渣體包氣帶持水能力有限，當(dāng)渣體初始體積含水率增加時，渣體所吸持的水量相應(yīng)降低，有利于水分向下運移，從而在渣體底部產(chǎn)生滲漏液。而接近飽和體積含水率的渣體相對于干燥渣體，其吸水后孔隙減少，因而其入滲率低于干燥渣體，其水分儲量增量也比較小。

3.4 覆土層厚度的影響分析

為了抑制渣場粉塵飛揚和滲濾液產(chǎn)生，冶煉企業(yè)近年來在渣堆表面覆蓋了黏土。覆蓋層厚度直接影響地表徑流和入滲量，也進而影響渣體滲濾液產(chǎn)生量和蒸發(fā)量。為此將模型概化為厚3.0 m的熔煉渣，設(shè)計無覆土、0.1 m覆土、0.2 m覆土、0.5 m覆土4種情況，覆土層的參數(shù)取自表4中的雜填土，模擬期同上節(jié)，熔煉渣初始體積含水率設(shè)計為0.08，覆土層初始體積含水率設(shè)計為0.15；將上部大氣邊界調(diào)整為可產(chǎn)流并流失，模擬得到不同覆土厚度下渣體水量的變化，見圖19。

圖19 不同覆土層厚度下渣體水量的變化

由圖19可以看出：無覆土層時，降雨全部入滲到渣體中，而有覆土層情況下均產(chǎn)生一定的地表徑流，且地表徑流量隨覆土層厚度的增加而增加[見圖19(a)]；入滲渣體中的水分主要轉(zhuǎn)換為渣體包氣帶水分儲量，無覆土層時部分轉(zhuǎn)換為底部滲漏量，有覆土層時底部無滲漏量，同時覆蓋的雜填土厚度越大，整個渣體的實際蒸發(fā)量越小[見圖19(b)]，表明覆土層能有效減少降雨入滲水量，抑制渣體底部產(chǎn)生滲濾液，抑制下部熔煉渣的蒸發(fā)排泄。

4 結(jié)論與展望

在基于對云南某冶煉廢渣堆渣體包氣帶特征研究的基礎(chǔ)上，利用HYDRUS軟件對渣體單個典型鉆孔一維、主要渣體包氣帶剖面二維進行了數(shù)值模擬，探究了該渣體滲濾液的產(chǎn)生及其影響因素，得出了以下結(jié)論：

(1) 渣堆物質(zhì)組成與堆存結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由熔煉渣、石膏渣、生活垃圾等多種渣體類型組成且堆積厚度巨大，可考慮將渣體視為大氣降水補給地下水過程中的關(guān)鍵包氣帶，滲濾液遷移問題可以概化為渣體包氣帶水分運移問題，并結(jié)合水均衡分析有助于闡述和分析滲濾液的產(chǎn)生及其影響因素。

(2) 結(jié)合包氣帶水文地質(zhì)理論并參考渣體垂向入滲的特點，采用HYDRUS-1D模型較好地模擬了巨厚渣體包氣帶水分運移規(guī)律。以取樣鉆孔SK5為例，模擬期間總降雨量達215.2 mm，模擬結(jié)果表明：大氣降水入滲渣體包氣帶后僅改變有限深度的渣體含水率，臨界深度為8.8 m，無法在渣體包氣帶底部形成滲濾液。

(3) HYDRUS-2D模擬反映出研究區(qū)主方向剖面渣體包氣帶的體積含水率年際內(nèi)變化明顯，渣體底部滲濾液產(chǎn)生量主要增長階段在雨季，而旱季渣體包氣帶水分儲量不斷減少，且該冶煉渣體包氣帶水分垂向運移深度有限，最大運移深度在7.3～9.4 m之間，這與HYDRUS-1D的模擬結(jié)果相近。在昆明地區(qū)蒸發(fā)量高于降雨量情況下，難以超過渣體包氣帶的最大持水能力，故無法在底部大范圍形成滲濾液。

(4) 研究區(qū)渣體包氣帶水分運移主控條件為氣象要素(如降雨、蒸發(fā)等)，影響降水入滲的因素主要為渣體包氣帶結(jié)構(gòu)(渣體物質(zhì)組成及厚度、渣體結(jié)構(gòu)等)，同時能否形成滲濾液也與渣體初始體積含水率和渣體包氣帶的持水能力變化有關(guān)，并且各因素相互交叉共同影響。暴雨條件下熔煉渣相較于石膏渣和生活垃圾更易產(chǎn)生滲濾液，而非暴雨強度下，渣體包氣帶越厚、渣體初始體積含水率越低、渣體物質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、覆土層越厚的條件下，渣體越難以產(chǎn)生滲濾液。

研究區(qū)渣堆因所在地的蒸發(fā)量遠大于降雨量、渣體自身堆積厚度大、火法工藝產(chǎn)生的熔煉渣體較為干燥、渣體物質(zhì)組成及其結(jié)構(gòu)差異極大等因素影響下，故而渣體滲濾液產(chǎn)生量少，分布位置和出露范圍有限。在這種背景下，渣堆下部黏性土層作為連續(xù)穩(wěn)定的天然防滲層可阻滯渣堆滲濾液的垂向運移[21-22]，從而對渣場深部巖溶含水層無重大威脅。由于渣體包氣帶水分運移過程較為復(fù)雜，本研究未考慮渣體內(nèi)部熱量變化對滲濾液產(chǎn)生的影響，今后可深化拓展相關(guān)方面的研究。

冶煉廢渣堆的滲濾液產(chǎn)生及其影響因素研究是場地地下水污染監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和污染原位風(fēng)險管控方案的基礎(chǔ)性內(nèi)容，本研究得到的結(jié)論可為類似歷史遺留固廢的原位風(fēng)險管控提供借鑒。