庫水位對尾礦壩重金屬遷移影響的數(shù)值模擬分析

羅云，陳紅丹，郝喆

（遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036）

0 引言

尾礦庫是用以堆存選礦后排出尾礦或其他工業(yè)廢渣的場所。尾礦庫是眾多行業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)施，在礦山開采后對礦山環(huán)境的保護(hù)起到非常重要作用[1]。礦產(chǎn)資源開采留下的重金屬對礦山周圍環(huán)境的破壞性極強(qiáng)。重金屬在土壤中具有遷移性，且在遷移過程中受多種因素共同影響，如重金屬本身的遷移性、雨水的淋濾、地下水的徑流和土壤的吸附—沉淀—絡(luò)合作用等[2]。遷移擴(kuò)散后的重金屬對土壤、地下水及周圍環(huán)境都會造成一定程度的污染和破壞。地下水受到污染后會限制工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)速率及效益；同時對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動也會產(chǎn)生巨大危害；人類健康及正常生產(chǎn)生活將會受到影響和威脅[3]。數(shù)值模擬技術(shù)的多款軟件成為研究地下水污染物流動及遷移規(guī)律模擬分析上的主流。在尾礦庫重金屬對周圍環(huán)境、地下水的污染影響及其遷移規(guī)律方面國內(nèi)許多學(xué)者做出了研究。劉吉煬[4]利用Visual MODFLOW軟件建立了湘西某尾礦庫水文地質(zhì)概念模型和地下水滲流模型，對重金屬M(fèi)n遷移進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，并預(yù)測重金屬在地下水中的遷移規(guī)律；陳戈[5]使用Visual MODFLOW軟件建立了地下水重金屬Cu遷移數(shù)值模型，并分析其遷移規(guī)律，對重金屬Cu的數(shù)值模型的敏感性進(jìn)行分析；賈慧艷等[6]利用Visual MODFLOW軟件建立地下水滲流和彌散模型，對污染物的遷移進(jìn)行二維模擬分析，預(yù)測尾礦庫污染物在多年后的含量、空間分布及遷移規(guī)律；Loretta Y.Li等[7]使用多組件反應(yīng)溶解運(yùn)輸模型研究溶解重金屬（Cd2+、Pb2+、Cu2+和Zn2+）在受制于兩個具有不同 pH 值的浸出物的粘土屏障中的遷移，分析其遷移規(guī)律及空間分布；Peter Frolkovi?等[8]開發(fā)r^3t軟件包對地下水中的放射性污染物運(yùn)輸進(jìn)行模擬；S.M.A.Banaei等[9]建立二維數(shù)值模型考慮在吸附、阻滯和揮發(fā)對污染物的影響下，同時地下水流動和污染物在多孔介質(zhì)中運(yùn)移；B.O.Tsydenov[10]介紹了貝加爾湖塞倫加淺水區(qū)污染物運(yùn)輸?shù)臄?shù)學(xué)模擬結(jié)果，分析不同情景下污染物的空間分布。

目前，研究尾礦庫重金屬在尾礦壩庫水位改變條件下遷移規(guī)律的數(shù)值模擬較少。本文以某尾礦庫重金屬Cu2+為例，利用Geostudio軟件的SEEP/W和CTRAN/W兩個模塊，開展不同水位標(biāo)高下的重金屬污染物遷移的數(shù)值模擬，研究不同庫水位下的重金屬隨地下水規(guī)律。

1 研究區(qū)域概況及方法

1.1 現(xiàn)場概況

某尾礦庫位于遼寧省本溪市溪湖區(qū)，屬二等山谷型尾礦庫。占地面積1.62km2，匯水面積1.56km2，水域面積15萬m2，調(diào)洪庫容56萬m2，尾礦庫現(xiàn)庫容量約為1億m3。尾礦庫初期壩為透水堆石壩，初期壩壩頂標(biāo)高為191.9m，壩底標(biāo)高180.0m，相對高度11.9m，頂寬4.0m，壩長410.0m。尾礦庫的主壩尾礦堆積，壩頂標(biāo)高為280.0m，壩庫壩底標(biāo)高180m，主壩高度差約為100m，壩頂壩長約為1600m。

歪頭山年平均降雨量為440mm，地下水多由大氣降雨補(bǔ)給，地下水的水位高度受大氣降水影響。當(dāng)尾礦庫堆積到主壩達(dá)到280m終期標(biāo)高時，其正常生產(chǎn)水位達(dá)275m。

1.2 研究內(nèi)容及方法

運(yùn)用Geostudio軟件模擬，通過設(shè)置不同的庫區(qū)水位，分析Cu2+遷移規(guī)律。利用Geostudio軟件的SEEP/W模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流計算，設(shè)置不同高度的庫水位，得到穩(wěn)態(tài)滲流結(jié)果；在穩(wěn)態(tài)滲流模型的基礎(chǔ)上利用CTRAN/W模塊賦予模型Cu2+濃度邊界得出對流—彌散模型，通過計算重金屬Cu2+的對流—彌散過程，分析計算出重金屬濃度等勢圖、粒子路徑遷移圖，得到不同庫水位下Cu2+的遷移情況，最終通過分析對比得出Cu2+的遷移規(guī)律。

2 基礎(chǔ)原理及計算模型

2.1 滲流及對流彌散原理

尾礦庫重金屬在淋溶作用下向下遷移，隨著尾礦庫流體的滲流作用發(fā)生對流—彌散遷移。

污染物的遷移機(jī)理受到對流—彌散、吸附—沉淀、解吸、絡(luò)合、生物降解等作用。本文考慮重金屬的對流—彌散遷移，不考慮其他因素的作用。對流—彌散作用分為對流和彌散兩種，對流是土壤中污染物跟隨土壤溶液遷移；彌散是由土壤中污染物濃度差引起污染物的遷移，此時污染物的遷移分為分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散[11]。兩種作用并稱之為水動力彌散作用；把分子擴(kuò)散系數(shù)和機(jī)械彌散系數(shù)疊加起來稱之為水動力彌散系數(shù)[12]。

其方程如下：

式中：Dx為橫向彌散系數(shù)；Dy為縱向彌散系數(shù)；C為污染物濃度。

2.2 研究區(qū)域計算模型

根據(jù)尾礦庫的結(jié)構(gòu)，選取初期壩到堆積壩全長的495m區(qū)域，建立尾礦庫概化計算模型及網(wǎng)格剖分圖。剖面底面標(biāo)高為180m，頂部標(biāo)高為280m，全長495m。共11級坡級。如圖1所示。

圖1 尾礦庫概化計算模型

2.3 材料參數(shù)

根據(jù)對歪頭山鐵礦尾礦庫的實地勘察，區(qū)域尾礦庫土壤質(zhì)地包含尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉質(zhì)粘土、基巖四種土層。每種土層所對應(yīng)的滲透系數(shù)不同，橫縱彌散度也有差異。每個土層內(nèi)部將其滲透系數(shù)視為不變的常量。構(gòu)建穩(wěn)態(tài)滲流模型時，賦予初期壩、尾細(xì)砂、尾粉砂、尾粉質(zhì)粘土的材料參數(shù)為飽和/不飽和模型，分別對應(yīng)不同水土特征曲線，基巖則為飽和模型；構(gòu)建對流—彌散模型時，輸入各土層所對應(yīng)橫縱彌散度賦予不同土層材料參數(shù)。

表1 各土層水文地質(zhì)參數(shù)

2.4 初始及邊界條件

尾礦庫重金屬初始濃度為0.05kg/m3，飽和土單位體積含水量為0.35m3/m3。在穩(wěn)態(tài)滲流模擬中邊界條件有上游水頭、下游水頭、零流量邊界、排水邊界。上、下游水頭根據(jù)上游庫區(qū)水位及下游實測水位標(biāo)高獲得。零流量邊界來自于降雨入滲將其視為總水頭的水量交換邊界處理。排水邊界位于初期壩下游邊界。在對流彌散模擬中污染物濃度邊界設(shè)于穩(wěn)態(tài)滲流中上游水頭位置。

3 結(jié)果分析

庫水位高度不同，地下水在尾礦庫中的分布情況也會不同，因此重金屬隨地下水遷移的距離、速度會有差異。以275m尾礦庫設(shè)計水位為基礎(chǔ)，并分別設(shè)置庫水位的對照標(biāo)高270、260、250m，觀察不同庫水位下重金屬Cu2+的遷移情況，分析其遷移規(guī)律。

3.1 穩(wěn)態(tài)滲流分析及Cu2+對流-彌散遷移規(guī)律

在庫水位為275m高度下，利用尾礦庫概化模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流計算，如圖2、圖3。

圖2 孔隙水壓力等勢圖

圖3 體積含水率

在庫水位為275m時，尾礦庫內(nèi)各孔隙水壓力等值線達(dá)到最高位置，庫內(nèi)各區(qū)域孔隙水壓力將達(dá)到最大；整個尾礦庫內(nèi)含水量也達(dá)到最高。當(dāng)庫水位降低，孔隙水壓力等勢圖中各等值線均下移，各區(qū)域孔隙水壓力減小，體積含水率也減小。

圖4和圖5為在275m庫水位下，重金屬Cu2+的濃度等勢圖和Cu2+路徑遷移圖。

根據(jù)圖4，重金屬Cu2+在空間上發(fā)生向下游初期壩的橫縱遷移，濃度等勢圖中顏色由深到淺表示Cu2+濃度由大到小，藍(lán)色代表重金屬Cu2+的濃度＜0.01kg/m3，紅色代表濃度＞0.04kg/m3的重金屬Cu2+。

表2為圖4垂直剖面上各Cu2+的遷移情況。

圖4 5a 重金屬Cu2+濃度等勢圖

結(jié)合表2和圖5，垂直剖面上從上至下Cu2+的橫向遷移距離逐漸增大，Cu2+縱向遷移距離逐漸減小，且Cu2+的平均遷移速度逐漸增大。由此可知，尾礦庫垂直剖面上Cu2+在空間上發(fā)生橫縱遷移，且當(dāng)尾礦庫深度增加，Cu2+的橫向遷移距離、平均遷移速度均增大，其縱向遷移距離減小。在尾礦庫中，重金屬Cu2+的橫向遷移能力大于其縱向遷移能力。通過模擬，隨著Cu2+的遷移，其遷移速度會不斷增大，預(yù)計在7～7.5a即可達(dá)到初期壩。隨著Cu2+的向前遷移，剖面上各Cu2+的濃度會不斷減小，但由于尾礦庫不斷堆積，尾礦庫中重金屬濃度得到補(bǔ)給，剖面上各Cu2+濃度又會逐漸增大。尾礦庫中各Cu2+在相同時間內(nèi)橫縱遷移距離將達(dá)到最大，平均遷移速度達(dá)到最快，Cu2+遷移到達(dá)初期壩所需時間最短。

圖5 0～5aCu2+遷移路徑圖

圖6 0～5aCu2+遷移路徑圖（270m）

表2 庫水位為275m時各Cu2+遷移情況表

圖7 0～5aCu2+遷移路徑圖（260m）

3.2 不同庫水位下重金屬Cu2+的遷移規(guī)律分析

圖6～圖8是庫水位分別為270、260、250m時，Cu2+的遷移情況。

圖8 0～5aCu2+遷移路徑圖（250m）

根據(jù)以上各Cu2+路徑遷移圖可知，在不同庫水位下，重金屬Cu2+遷移距離明顯不同。當(dāng)庫水位發(fā)生變化后，尾礦庫中的某些部分地下水流動路徑發(fā)生改變，因此部分重金屬Cu2+的遷移路徑同時發(fā)生改變。

表3是模型右邊界495m處，垂直剖面上遷移方向相同的Cu2+在不同庫水位下0～5a的遷移距離、遷移速度對比表。

根據(jù)表3各庫水位下各組數(shù)據(jù)繪制圖9～圖11。結(jié)合表3和圖9可知，隨著庫水位的降低，垂直剖面上同一Cu2+橫向遷移距離減小。由此可知，當(dāng)庫水位升高，剖面上相同粒子的橫向遷移距離增大；即尾礦庫庫水位越高，重金屬Cu2+的橫向遷移能力越大。由圖9三條曲線傾斜程度可知，庫水位越高，垂直剖面上，下層Cu2+橫向遷移距離同比增大率越大。

圖9 Cu2+橫向遷移距離對比圖

圖10 Cu2+縱向遷移距離對比圖

圖11 Cu2+遷移平均遷移速度對比圖

結(jié)合表3和圖10可知，隨著庫水位降低，垂直剖面上同一Cu2+縱向遷移距離減小。由此可知，尾礦庫庫水位越高，垂直剖面上相同粒子的縱向遷移距離越大：即庫水位升高，剖面上Cu2+的縱向遷移能力增大。根據(jù)該組數(shù)據(jù)的特征及圖10可知，庫水位變化對尾礦庫上層重金屬Cu2+的縱向遷移距離影響較大，當(dāng)庫水位升高時，位于尾礦庫上層Cu2+的縱向遷移距離增大較為明顯，下層Cu2+的縱向遷移距離變化較小；根據(jù)圖10三條曲線的傾斜程度可知，庫水位越高，垂直剖面上，上層Cu2+的縱向遷移距離同比增大率越大。

表3 不同庫水位下各Cu2+0～5a遷移距離、速度對比表

結(jié)合表3和圖11可知，隨著庫水位降低，垂直剖面上同一Cu2+平均遷移速度減小。由此可知，當(dāng)尾礦庫庫水位升高，尾礦庫重金屬Cu2+的遷移速度同比增大。根據(jù)圖11三條曲線的傾斜程度可知，尾礦庫庫水位每升高10m，剖面上各Cu2+的平均速度同比增大程度幾乎相同，即尾礦庫庫水位越高，剖面Cu2+遷移速度越大；每升高10m，剖面上Cu2+的遷移速度增長率幾乎相同。

綜上，該尾礦庫在設(shè)計水位275m時，Cu2+在相同時間內(nèi)的橫縱遷移距離最大，平均遷移速度最快，遷移到達(dá)初期壩所用時間最短，所用時間大概為7～7.5a。庫水位275m以下，庫水位升高，尾礦庫剖面Cu2+的橫向遷移距離同比增大，且?guī)焖辉礁?，對尾礦庫下層Cu2+的橫向遷移距離影響越明顯；同樣，當(dāng)庫水位升高，Cu2+的縱向遷移距同比增大，且?guī)焖辉礁撸瑢ξ驳V庫上層Cu2+的縱向遷移距離影響越明顯；當(dāng)庫水位升高，垂直剖面Cu2+的遷移速度也同比增大，每升高10m，Cu2+遷移速度的增長率幾乎相同。通過計算模型模擬可知，當(dāng)庫水位為270m時，重金屬Cu2+遷移到達(dá)初期壩土壤表層的時間為7.5a；當(dāng)庫水位為260m時；其遷移時間為8.5a；當(dāng)庫水位為250m時，其遷移時間為9.5a；即當(dāng)庫水位每升高10m，尾礦庫重金屬Cu2+遷移時間加快1a。

4 結(jié)論

（1）重金屬在空間上隨地下水發(fā)生沿初期壩方向的橫向和縱向的遷移。且尾礦庫中的重金屬離子在橫向上的遷移能力要比縱向上的遷移能力大。

（2）剖面上各粒子濃度隨著遷移逐漸減小，當(dāng)尾礦庫不斷堆積，粒子濃度得到補(bǔ)給，尾礦庫重金屬濃度又會逐漸增大。

（3）尾礦庫重金屬離子的遷移速度與其庫水位呈正相關(guān)。庫水位越高，剖面上同一離子在橫縱向上的遷移距離、速度越大，到達(dá)初期壩的時間越短。庫水位每升高10m，粒子的遷移速度變化率大致相同，且其遷移到達(dá)初期壩的時間各加快1a。

（4）當(dāng)庫水位達(dá)到尾礦庫的最大設(shè)計水位標(biāo)高時，重金屬Cu2+的遷移速度最快，在7～7.5a，重金屬離子即可遷移到達(dá)初期壩。