崇左市褐鐵礦加工項目對地下水環(huán)境的影響*

程亞平　孫立群　夏源　謝永雄　黃俊宇

(桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心　廣西桂林 541004)

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崇左市褐鐵礦加工項目對地下水環(huán)境的影響*

程亞平孫立群夏源謝永雄黃俊宇

(桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心廣西桂林 541004)

摘要研究區(qū)為典型的南方巖溶區(qū)，地下巖溶管道十分發(fā)育，為了獲得其地下水等水位線圖，使用GMS軟件包，并采用MODFLOW的排水溝渠子程序包以及河流子程序包來模擬管道流。數(shù)值計算結(jié)果表明，擬建項目的廢水入滲到含水層后將向西南方向滲流，最終流入黑水河。尾礦渣的淋溶試驗結(jié)果顯示，由于選礦廢水中的重金屬含量低，故預(yù)計項目建成后選礦廢水對含水層的重金屬污染風(fēng)險性很小。

關(guān)鍵詞褐鐵礦加工巖溶水影響

Impact of Ferrohydrite Processing Project on Groundwater Environment in Chongzuo City

CHENG YapingSUN LiqunXIA YuanXIE YongxiongHUANG Junyu

(GuangxiScientificExperimentCenterofMining,MetallurgyandEnvironment,GuilinUniversityofTechnologyGuilin，Guangxi541004)

AbstractThe research area is a typical southern type of karst water system where karst pipes are greatly developed. In order to get accurate contour maps of groundwater table, a GMS software is used to simulate the groundwater flow. During simulation, a ditches package and river subroutine package in MODFLOW are also applied to simulate the turbulent flow in karst pipes. The simulation results show that the waste water will penetrate toward the southwest from the site of the proposed project to Heishui River. However, the contents of heavy metals in leaching water are very low when ferrohydrite tail slag is subjected to leaching tests. This leads to a conclusion that the risk of karst water in research area suffered heavy metal pollution from the proposed project is very small.

Key Wordsferrohydriteprocessingkarst waterimpact

0引言

廣西崇左市是典型的南方型巖溶區(qū)，卻擁有豐富的褐鐵礦資源。為充分利用當(dāng)?shù)刎S富的褐鐵礦資源，把原礦石轉(zhuǎn)換為精礦粉，崇左市擬建設(shè)一個褐鐵礦磁化焙燒生產(chǎn)線。但該項目建成后是否會對當(dāng)?shù)氐叵滤Y源造成影響，成為了該項目能否立項的關(guān)鍵。本文研究選取廠區(qū)周圍分布的9眼飲用水井作為地下水資源污染的敏感點(diǎn)，通過野外水文地質(zhì)測繪和調(diào)查、水文地質(zhì)鉆探等技術(shù)手段來確定巖溶管道的分布，最后再利用水文地質(zhì)數(shù)值模擬方法來預(yù)測和評價該項目建設(shè)、運(yùn)營過程中及停產(chǎn)后各個階段內(nèi)是否會導(dǎo)致這些水井污染。

1評價區(qū)的環(huán)境地質(zhì)特征

1.1氣象水文

評價區(qū)地處北回歸線以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫在21 ℃～22.3 ℃之間，多年平均降水量1 200.1 mm。評價區(qū)內(nèi)的河流主要是黑水河(研究區(qū)西部邊界)，其水量豐沛，但季節(jié)性變化較大。

1.2地形地貌

評價區(qū)地勢呈西北向東南傾斜，東、北部地貌類型為峰叢洼地，西、中部為丘陵和溶蝕準(zhǔn)平原地帶。

1.3地層巖性

1.4水文地質(zhì)條件

根據(jù)地層巖性、單孔涌水量的大小，評價區(qū)內(nèi)的巖層可分為1個含水巖組和3個隔水巖土組：

(1)含水巖組：巖性為下三疊統(tǒng)馬腳嶺組(T1m)灰?guī)r夾中厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r，下二迭統(tǒng)茅口組(P1m)，下二疊統(tǒng)棲霞階(P1q)和上石炭統(tǒng)(C3)灰?guī)r夾白云巖。該類型地下水為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，水量中等至豐富。

(2)隔水巖土層：①第四系殘積黏土、紅黏土層；②上二疊統(tǒng)(P2)條帶狀鐵鋁巖、硅質(zhì)灰?guī)r和硅質(zhì)巖。③下白堊統(tǒng)新隆組(K1x)：巖性為細(xì)砂巖夾泥巖、粉砂巖、礫巖。該類型地下水富水性差，鉆探時沒有地下水涌出。

2地下水流場的數(shù)值模擬

地下水流場數(shù)值模擬采用達(dá)西定律來描述地下水在含水層中的線性滲流，而對于管道中的地下水流則用水力學(xué)公式來描述。在具體實施時，則是運(yùn)用GMS軟件模擬非穩(wěn)定水流運(yùn)動和溶質(zhì)運(yùn)移，模擬時用MODFLOW中的排水溝渠子程序包以及河流子程序包來計算管道流，將綜合水力傳導(dǎo)系數(shù)賦值較大的巖溶管道來模擬研究區(qū)內(nèi)的主要地下河系[1-3]。

2.1邊界條件

(1)平面分界。西部邊界：以地表河流(黑水河)為已知水頭邊界(第一類邊界)[4-5]；北部邊界：以地表河流(黑水河支流)為已知水頭邊界(第一類邊界)；南部邊界：黑水河?xùn)|岸—哥那—康那段以隔水層(P2)的邊界為隔水邊界；其余邊界(東部及東北部)以地表分水嶺為界。以上邊界所圈出的水文地質(zhì)單元面積為63.88 km2。網(wǎng)格剖分圖如圖1所示：

圖1　網(wǎng)格剖分圖

(2)剖面分界。上界面：以潛水面為界，作為自由邊界；底部：以裂隙不發(fā)育的微風(fēng)化灰?guī)r為隔水邊界，根據(jù)14個鉆孔柱狀圖資料統(tǒng)計，把含水層的底板定為85 m。

2.2數(shù)學(xué)模型

不考慮地下水垂向流動，當(dāng)把地下水流視為水平二維流時，可用以下方程進(jìn)行描述：

(1)

式中，h為地下水水頭，m；Kx，Ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)，m/d；B1為已知水頭邊界(第一類邊界)；H1為河流水位，m；B2為隔水邊界；W為源匯項強(qiáng)度，m/d；Ω為滲流區(qū)域；μ為給水度；n為孔隙度。

2.3巖溶管道位置的確定及模擬方法

首先進(jìn)行地面水文地質(zhì)測繪，再結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)普查資料和水文地質(zhì)鉆探資料(5個鉆孔、9個民井)，將巖溶管道的分布情況在GMS模圖上精確標(biāo)出。數(shù)值模擬時采取GMS溝渠包來計算這些管道水流，并在管道節(jié)點(diǎn)處設(shè)置底板高度，管道的底板標(biāo)高值參照鉆孔柱狀圖給予初值，最后利用實測水位來擬合調(diào)整各節(jié)點(diǎn)處的管道底板標(biāo)高[2]。

2.4水文地質(zhì)參數(shù)

(1)降雨入滲系數(shù)。根據(jù)第四系紅粘土層的厚度和基巖的巖性特征，并參照水文地質(zhì)普查報告提供的反演值和分區(qū)方法并賦予各區(qū)初值共分為3個亞區(qū)，各區(qū)的入滲系數(shù)初值及擬合值如表1。

表1　降雨入滲系數(shù)分區(qū)方法及各分區(qū)值

(2)含水層的滲透系數(shù)。根據(jù)注水試驗、抽水試驗的結(jié)果進(jìn)行分區(qū)及賦初值，最后再根據(jù)14個監(jiān)測孔的水位值(2013年9月至2014年3月的觀測數(shù)據(jù))進(jìn)行反演模擬，結(jié)果如表2所示。

表2　各分區(qū)滲透系數(shù)值　m/d

(3)給水度。根據(jù)鉆孔巖芯的裂隙率和面溶蝕率，中風(fēng)化石灰?guī)r給水度取值為0.05[1-3]。

2.5模型的識別和驗證

將2013年9月至2014年3月所實測的各月地下水位、河水位值、降雨量等參數(shù)輸入模型中，通過調(diào)整有關(guān)參數(shù)，來擬合出各觀測點(diǎn)的地下水位。實測水位的擬合效果可見表3。從表3可見，枯水期計算的水位值與實際觀測得水位值十分接近，擬合程度較為理想。

表3　重點(diǎn)監(jiān)測孔擬合誤差情況(2013年12月)　m

2.6等水位線圖及地下水流向分析

2013年12月(枯水期)等水位線圖如圖2所示。從圖中可知：①該地區(qū)的地下水流向大致由東北向西南，這也是未來廢水中污染物的主要遷移方向。②評估區(qū)西側(cè)有一個較大的水位降落漏斗，漏斗中心為位于新和華僑農(nóng)場北側(cè)的1#水井，推測是因為該井抽水量過大(每天近1 000 t)所致。③評估區(qū)南側(cè)的通康地下河(圖2中黑虛線)對地下水流場有明顯影響，表現(xiàn)出管道兩側(cè)的地下水從四周匯流入管道內(nèi)。

圖2　枯水期地下水等水位線圖(2013年12月)

3地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價與預(yù)測

3.1地下水水質(zhì)的現(xiàn)狀評價

3.2地下水污染的預(yù)測評價

為了確定選礦廢水中的重金屬污染物的種類及其含量，對尾礦渣進(jìn)行浸溶試驗，根據(jù)測試結(jié)果可知，尾礦渣被水淋濾后，淋濾液中Cu，Pb，Zn，Cd，As，Cr，Hg等7種重金屬元素的含量均未超過《生活衛(wèi)生飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》?？梢?，擬建選礦項目的廢水引發(fā)地下水重金屬污染的危險性極小，故不需要對地下水的污染規(guī)律進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移的模擬和預(yù)測。

4結(jié)論和建議

(1)地下水流場的數(shù)值模擬顯示，調(diào)查區(qū)的地下水流向大致由東北至西南，項目廢水中的污染物也將從廠區(qū)下方的含水層向西南方向遷移，最終流從模擬區(qū)西南角流到黑水河內(nèi)。

(2)根據(jù)尾礦渣的淋容試驗結(jié)果，選礦廢水中的重金屬含量甚低，未超標(biāo)，故判定選礦廢水對含水層的重金屬污染風(fēng)險性極小。選礦廢水的污染指標(biāo)主要是固體懸浮物和生活廢水中的COD，BOD等指標(biāo)。

(3)為防止生活污染，建議把生活廢水先進(jìn)行凈化再外排；為防止地表水和表土層被重金屬微粒所污染，建議在廠區(qū)修建三級尾礦池，還可在尾礦池中投加熟石灰，提高廢水pH值，促使重金屬轉(zhuǎn)變成氫氧化物沉淀。

參考文獻(xiàn)

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[5]XUE Yuqun. Groundwater dynamics [M]. Beijing: geological publishing house, 1997:45-50.

夏源，男，1982年生，貴州遵義人，博士，副教授，研究方向為地下水?dāng)?shù)值模擬、分?jǐn)?shù)階對流-彌散方程。

(收稿日期：2015-06-23)

作者簡介程亞平，男，1978年生，安徽桐城人，博士研究生，講師，研究方向為地下水污染治理與修復(fù)、水資源利用與評價。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金(41302197)，廣西教育廳科研項目(201106LX229)，廣西重點(diǎn)實驗室研究基金(桂科能1401Z003)，廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊及卓越學(xué)者計劃項目。