本達鐵礦尾礦庫對下游地下水與地表水環(huán)境影響研究

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查研究院有限責任公司，遼寧 鞍山 114038)

20世紀80年代以來，中國礦業(yè)開發(fā)行業(yè)高速擴張，與此相應，各種類型的礦業(yè)廢棄地數(shù)量大幅增加。其中，尾礦庫作為對周邊環(huán)境安全有重要影響的一種類型，日益引起人們的關注[1]。尾礦庫是各種復雜反應的集合體，在其里面可能發(fā)生各種復雜的物理、化學生物以及地球化學反應[2]。尾礦庫在運行期間，壩基和壩身都可能存在一定的滲漏問題。滲透水在壩前天然沖溝處匯合為一體向下游流去。廢水中的污染物質(zhì)通過排水渠中的土層滲入地下水中，對地下水可能產(chǎn)生污染[3,4]。水質(zhì)超標的項目一般有重金屬離子、硫化物、有機藥劑、氰化物、氟化物及放射性等[5]。

圖1 野外監(jiān)測點布置圖

本次研究中，本達鐵礦尾礦庫可能對地下水環(huán)境造成污染的污染源即為尾礦庫排放的污水。對尾礦庫排污口處排出污水進行現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，尾礦庫排出污水呈黃褐色，渾濁度1.05 NTU，pH值為7.13，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)，污水中硫酸鹽濃度出現(xiàn)明顯超標現(xiàn)象。尾礦庫排出污水除進入集水池中加以循環(huán)利用外，有部分污水向下游河水中泄露，排出污水以333.60 m3/d的流量直接排入下游河水中。下游地區(qū)地下水受河水補給，地表水與地下水聯(lián)系較密切，易受排出污水污染。綜上，尾礦庫下游地下水與地表水均存在受到污染的可能性。針對這一現(xiàn)狀，本次通過野外調(diào)查采樣與室內(nèi)水化學分析等方法，對尾礦庫下游地下水與地表水環(huán)境進行現(xiàn)狀評價與預測分析。

1 野外調(diào)查采樣與室內(nèi)水化學分析方法

1.1 野外監(jiān)測點布設

本次地下水與地表水環(huán)境的重點監(jiān)測范圍為尾礦庫場地內(nèi)及其兩側(cè)、下游的地下水與地表水，區(qū)域地下水監(jiān)測點作為本次現(xiàn)狀評價的背景值。監(jiān)測點的布設情況見圖1。

其中，1號監(jiān)測點為尾礦庫建設場地內(nèi)地下水監(jiān)測井；2、3、4號監(jiān)測點為尾礦庫下游地區(qū)地下水監(jiān)測井；5、6、7號監(jiān)測點為地下水水質(zhì)背景值監(jiān)測井(對照井)；8號監(jiān)測點為尾礦庫排污口水質(zhì)監(jiān)測點；9號監(jiān)測點為尾礦庫上游地表水監(jiān)測點；10號監(jiān)測點為尾礦庫下游地表水監(jiān)測點。

表1 樣品采樣工作量與測試項目一覽表

1.2 水樣采集與水質(zhì)檢測

根據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T164-2004)，取樣深度為地下水水面0.5 m以下，地下水取樣時先用所采的地下水樣將樣瓶進行沖洗，采取2.5 L水樣，采樣后按要求進行密封，并貼好標簽，及時送達實驗室。

監(jiān)測與評價項目確定的主要依據(jù)如下：

(1)參照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T164-2004)必測項目；

(2)從《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-1993)中選擇地下水的監(jiān)測評價項目；

采樣工作量和測試項目一覽表見下表1。

2 尾礦庫下游地表水與地下水現(xiàn)狀評價

2.1 尾礦庫下游地表水水質(zhì)現(xiàn)狀評價

根據(jù)尾礦庫上游與下游地表水現(xiàn)狀監(jiān)測水質(zhì)分析結(jié)果(詳見表2)，本次監(jiān)測各項指標均未出現(xiàn)水質(zhì)超標現(xiàn)象(參照《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006)。其中，上下游地表水中硫酸鹽濃度相差較大，下游河水中硫酸鹽濃度為上游的2.2倍。因此，我們可以斷定尾礦庫下游河水已經(jīng)受到尾礦庫排出污水的影響，但以目前污水排放程度，并未對河水造成污染。

2.2 尾礦庫下游地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價

根據(jù)尾礦庫及其周邊區(qū)域地下水現(xiàn)狀監(jiān)測水質(zhì)分析結(jié)果(詳見表2)，對調(diào)查區(qū)地下水水質(zhì)進行統(tǒng)計分析，如表3。

表2 水質(zhì)分析成果表

從表3中可以看出，地下水中大部分水質(zhì)指標變異系數(shù)均小于0.5，區(qū)域變幅較小，表明地下水中大多數(shù)元素分布比較均勻。只有鐵、硫酸鹽、氨氮、亞硝酸鹽氮變異系數(shù)大于0.5，根據(jù)表2可以發(fā)現(xiàn)四類指標的最大值均出現(xiàn)在尾礦庫建設場地及其兩側(cè)、下游地區(qū)，表明該區(qū)域范圍內(nèi)地下水已經(jīng)受到一定程度的影響。

對于硫酸鹽，考慮到污染源中主要污染物質(zhì)為硫酸鹽，且尾礦庫兩側(cè)與下游地區(qū)地下水中硫酸鹽含量明顯高于區(qū)域值，可以認為尾礦庫兩側(cè)與下游地區(qū)地下水中硫酸鹽濃度偏高與尾礦庫的污水排放有直接關系，且從表2中可以看出，下游地區(qū)的地下水受到的影響更大。

對于亞硝酸鹽氮，變異系數(shù)的偏大是由于尾礦庫建設場地內(nèi)與下游地下水中濃度較高造成，從表2中可以看出，只有與尾礦庫最近的觀測井中濃度較高，下游其余觀測井中地下水均無異常。

對于氨氮與鐵，變異系數(shù)的偏大主要是由于尾礦庫建設場地內(nèi)地下水中濃度較高造成，其下游地區(qū)觀測井中地下水均無異常。

本次對評估區(qū)地下水水質(zhì)的定量評價采用標準指數(shù)法，水質(zhì)標準采用《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006。根據(jù)水質(zhì)檢測結(jié)果(即表2)，各項指標均滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006水質(zhì)標準。

綜上所述，地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測表明，尾礦庫建設場地內(nèi)及其下游地區(qū)地下水均受到一定程度的影響，影響因子主要為硫酸鹽、亞硝酸鹽氮、鐵與氨氮。其中，硫酸鹽影響最為明顯，亞硝酸鹽氮次之，鐵與氨氮的影響范圍只限于尾礦庫建設場地內(nèi)。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》GB5749-2006，目前區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量均滿足其標準。

3 尾礦庫下游地表水與地下水水質(zhì)預測

3.1 尾礦庫下游地表水水質(zhì)預測

本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，尾礦庫對地下水污染的主要途徑為直接排入下游河水中與河水混合后，再側(cè)向滲透到兩側(cè)地下水中。因此，我們首先對污染物排入河水后的充分混合段硫酸鹽濃度進行預測。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則 地面水環(huán)境》(HJ/T2.3-93)中河流完全混合模型，對持久性污染物與河流充分混合后濃度計算公式如(1)式。

CH=(CPQP+ChQh)/(QP+Qh)

(1)

式中：CH表示河流充分混合段硫酸鹽濃度(mg/L);Cp表示污染物排放濃度(mg/L);Ch表示河流上游污染物濃度(mg/L);Qp表示尾礦污水向河水排入量(m3/d);Qh表示河流流量(m3/d)。

由(2)式計算得，污染物與河水充分混合段硫酸鹽濃度CH計算如表4。

根據(jù)本次在尾礦庫下游河水中取得水樣(10號水樣)的水化學檢測結(jié)果，本模型計算結(jié)果與實測結(jié)果誤差為7.97%，因此可以采用本模型對尾礦污水排放量增大情況下，尾礦庫下游河水硫酸鹽濃度進行預測。

考慮尾礦庫在未來服務年限中尾礦排水將會增大，分別對1.5Qp與2Qp情況下尾礦庫下游河水中硫酸鹽濃度進行預測如表5。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中III類水質(zhì)標準，硫酸鹽濃度標準限值為250 mg/L。從表5中可以看出，當尾礦庫污水向河水排入量大于740 m3/d時，硫酸鹽的排入量將超過河水的自凈能力。

表3 地下水水質(zhì)統(tǒng)計分析表

說明：如水質(zhì)指標濃度低于儀器最低檢測限，則采用儀器最低檢測限值代替

表4 充分混合段硫酸鹽濃度計算表

表5 尾礦庫下游河水硫酸鹽濃度預測表

3.2 尾礦庫下游地下水水質(zhì)預測

本次對鐵礦新建尾礦庫下游地下水水質(zhì)預測主要針對其下游河流南岸的4號監(jiān)測井。考慮到4號監(jiān)測點所處位置為河流與污水的充分混合段南岸，因此可以選取該混合段中距4號監(jiān)測點最近的一小段作為河水向岸邊滲透補給的定濃度邊界，并且在短時間內(nèi)該補給可視為一維穩(wěn)定補給。同時，介于選取的定濃度邊界長度遠小于河岸的寬度，因此我們可以采用一維半無限長多孔介質(zhì)柱體，一端為定濃度邊界的水動力彌散模型來刻畫這一問題，其解析解表達式為(2)式。

(2)

式中：x表示4號監(jiān)測點距河水的距離(m)；t表示時間(d)；C表示t時刻4號監(jiān)測點的硫酸鹽濃度(mg/L)；CH表示充分混合段的硫酸鹽濃度(mg/L)；u表示地下水流速(m/d)；DL表示縱向彌散系數(shù)(m2/d)；erfc()為余誤差函數(shù)。

由于預測目標為現(xiàn)狀條件下，針對河水中不同污水排入量來計算4號監(jiān)測點中地下水硫酸鹽濃度，因此在本次預測計算中參數(shù)x、t、u、DL均為常數(shù)，故(2)式可簡化為(3)式。

(3)

式中：constant表示常數(shù)。

與前文中選取的尾礦庫對河水的污水排入量相對應，分別計算在污水排入量為1.5Qp與2Qp情況下，尾礦庫下游地下水(4號監(jiān)測點)中硫酸鹽濃度如表6。

表6 尾礦庫下游地下水硫酸鹽濃度計算表

說明：Qmax2=688.25 m3/d。

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB14848-1993)中III類水質(zhì)標準，硫酸鹽濃度標準限值為250 mg/L。從表6中可以看出，當尾礦庫污水向河水排入量大于688.25 m3/d時，硫酸鹽的排入量將超過尾礦庫下游地下水的自凈能力。

4 結(jié)語

(1)尾礦庫下游地表水與地下水水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測表明，尾礦庫下游地表水已經(jīng)受到尾礦庫排出污水的影響，影響因子主要為硫酸鹽，但尚對下游地表水水質(zhì)造成污染。尾礦庫建設場地內(nèi)及其兩側(cè)、下游地區(qū)地下水均受到尾礦庫的影響，影響因子主要為硫酸鹽、亞硝酸鹽氮、鐵與氨氮。其中，硫酸鹽影響最為明顯，亞硝酸鹽氮次之，鐵與氨氮的影響范圍只限于尾礦庫建設場地內(nèi)。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749-2006)，目前下游地下水質(zhì)量均滿足其標準。

(2)尾礦庫下游地表水與地下水水質(zhì)預測評價結(jié)果表明，當尾礦庫向下游河水中排入污水量大于688.25 m3/d時，其下游地下水將超出《地下水質(zhì)量標準》III類水質(zhì)標準；當尾礦庫向下游河水中排入污水量大于740 m3/d時，其下游河水中硫酸鹽濃度將超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III類水質(zhì)標準，同時尾礦庫下游地下水也將超出《地下水質(zhì)量標準》III類水質(zhì)標準。

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