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本文作者:鄧鼎興1,2作者單位:1中國地質大學環境學院2福建省地質災害重點試驗室
地下水與地表水水質現狀
1地表水水質現狀
本次在溪溝中采取了控制性水點的3組能較好控制模擬區范圍的地表水進行分析測試,地表水水質評價按《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)進行。采取的地表水樣基本能達到地表水環境質量標準的Ⅰ~Ⅱ類地表水標準。SO42-和NH4+含量的均值分別為10mg/L與0.15mg/L。
2地下水水質現狀
模擬區地下水水質現狀評價采用現行國家標準《地下水質量標準》(GB/T14848-1993)中規定的單項評價的方法,地下水各單項指標中大部分均達到Ⅰ~Ⅱ類地下水標準,僅鐵與氨氮含量達到Ⅲ~Ⅳ類地下水標準。SO42-和NH4+含量的均值分別為22mg/L與0.21mg/L。
模型建立與校驗
本次數值計算采用的軟件是有限單元法的FEFLOW軟件。選取地下水環境較敏感的具代表性的、典型的水文地質單元作為模擬區(如圖1)。
1模型建立
1)概念模型
概念模型中的錯誤會導致預測的失敗[1],因此要建立正確的概念模型。(1)模擬對象概化模擬區地下水類型主要分為松散巖類孔隙水和基巖風化網狀裂隙水。天然條件下,地下水自山區向溝谷區徑流,山區水力梯度較大,溝谷區相對較小。本次數值模擬主要針對區內的各含水層,即礦區稀土開采對地下水環境的影響進行預測與評價,選定第四系松散巖類孔隙水和直至微風化的基巖裂隙水作為主要的模擬對象。(2)污染源概化模擬區稀土礦面積約為20500m2,原地浸析開采工藝所用浸出液為硫酸銨(NH4+和SO42-),每隔(4~5)m×(4~5)m的間隔布置注液孔,共設置330口注液孔。因此將污染源概化為連續恒定排放的多點源污染,將SO42-和NH4+確定為有關的特征污染因子。(3)邊界條件本模型滲流場的上邊界由降水入滲補給邊界以及潛水蒸發排泄邊界混合而成,模型的底面與其下伏的完整基巖無水量交換,設置為隔水邊界,西部及東部部分邊界為定水頭邊界,水頭為河流水位,北部及東部為分水嶺,設為隔水邊界。污染物濃度場西部和東部部分地區為第一類邊界,此處取本區地表水中SO42-背景值約為10mg/L,NH4+背景值為0.15mg/L,東部及北部為零通量邊界,注液孔為定通量的第二類邊界。
2)數學模型
通過對區內水文地質條件和開采工藝的系統分析,依據滲流連續性方程和達西定律,建立與區內地下水系統水文地質概念模型相對應的三維非穩定流和溶質運移數學模型[5]。
3)計算模型
(1)空間離散
根據評價區的實際水文地質條件及含水層邊界的幾何形狀,對模擬區采用三角剖分法進行自動網格剖分,在注液孔、邊界等位置適當加密;模擬區剖分地層共計5層,自上而下為第四系松散層、全風化層(礦層)、強風化層、中風化層和微風化層,三維網格共計剖分結點443610個,有限單元格個數為727990個,如圖2所示。
(2)時間離散
根據礦山服務年限與建設階段,模擬時長選取不同的時間,穩產時長為8年,減產及掃尾時長為2年,開采結束后,時長延長10年,時間步長與每月天數一致。
(3)初始及邊界條件
模擬區由鉆孔水位和模擬所得水頭作為初始流場,由現狀水化學分析所得的離子濃度值作為初始濃度,此處為水樣中SO42-平均濃度值,約為22mg/L,NH4+約為0.21mg/L。邊界條件如前所述的設定。
(4)參數取值
根據水文地質試驗及含水層滲透性特征,對滲透系數、孔隙度、給水度等參數賦值,入滲系數和彌散系數由于缺乏實測資料,根據各自的巖性特征和相關研究取經驗值,水文地質參數初始賦值見表1。
2模型識別與校驗
上述步驟建立的地下水滲流數值模擬模型是否能全面、客觀地表征模擬區實際的水文地質條件和特征,需要進行識別驗證,根據給出參數初始值及其變化范圍、邊界條件與初始條件,用反演與正演計算求解水頭函數,計算完成后,將計算結果和實測曲線進行擬合比較,不斷調整參數初值。通過反復多次計算,使計算水頭(濃度)與實測水頭(濃度)符合擬合要求。從校驗后的模擬水頭值與觀測水頭值對比(圖3),模擬區內的三個鉆孔的水位均在標準比較線附近,模型較好地反映了區內地下水實際流場,可為下一步地下水環境影響預測提供可靠依據。從模擬區地下水流場模擬結果(圖4)看,流場的形態與地形地貌密切相關,模擬所得流場基本上反映了礦區的地下水補、徑、排條件。
地下水污染影響模擬預測
稀土開采對地下水環境的影響分兩種工況條件預測,分別為母液集取率85%(設計回收率)與原地浸礦采場母液滲漏隨地下水運移至溪溝時,溪溝邊水質達標時的最低源強。模擬預測1年、3年、10年、15年等4個時間段SO42-和NH4+在各含水層中分布運移情況。
1母液集取率85%時地下水污染變化預測
母液集取率85%為稀土開采過程中正常的集取率,預測此工況條件下稀土開采對地下水環境的影響具有現實意義。各含水層不同時段兩種特征離子布預測結果如圖5和圖6所示:從圖5、圖6可知,模擬區溪溝邊第四系松散含水層SO42-濃度在第7年達最大,最大濃度為130.25mg/L,達到地下水的Ⅲ類水標準。全風化層和中風化層溪溝邊地下水SO42-最大濃度均小于第四系松散含水層最大濃度。模擬區溪溝邊SO42-未出現超標。模擬區溪溝邊第四系松散含水層NH4+濃度第1年為0.18mg/L、第3年為0.19mg/L,達到地下水Ⅲ類水標準;在第7年最大為0.85mg/L,超過Ⅲ類地下水水標準(0.2mg/L),超標倍數25倍;在第15年氨氮濃度降為0.18mg/L,達到地下水Ⅲ類水標準。全風化層和中風化層溪溝邊地下水NH4+最大濃度均小于第四系松散含水層最大濃度。
2溪溝邊水質達標時最低源強預測
溪溝邊地下水水質達Ⅲ類標準時地下水中SO42-濃度需≤250mg/L,NH4+需≤0.20mg/L,經模型反復試算,單井中每天的母液泄漏量應小于0.025m3/d,評價區每天的母液泄漏總量約為8.25m3/d,此強度的源強不會對溪溝邊地下水造成污染。各含水層不同時段兩種特征離子分布預測結果如圖7和圖8所示。
地下水污染影響評價
母液回收率85%的工況下,硫酸鹽影響范圍基本限制在原地浸礦采場周邊,溪流邊第四系松散層、全風化層、中風化層硫酸鹽含量均能達到Ⅲ類地下水標準。硫酸鹽在稀土的開采過程中,對礦區范圍內地下水污染嚴重,總體上硫酸鹽在不同地層中的含量均隨時間的推移不同程度的下降。在開采初期,氨氮運移影響范圍基本在原地浸礦附近區域。原地浸礦采場注液時間不到1年,停止注液后,隨時間推移氨氮運移范圍逐漸擴大,逐漸擴大到溪溝邊,即溪溝邊地下水出現超標,隨時間推移超標范圍趨于穩定,再慢慢下降恢復。母液回收率85%工況下,溪溝邊地下水在15年后基本恢復。在垂向空間上,不同工況第四系松散層硫酸鹽和氨氮污染范圍和程度均比全風化層、中風化層大,中風化及微風化花崗巖中影響較小。當礦體開采結束后,第四系松散巖層和全風化層由于水動力條件較好,徑流通暢,高濃度污染物離子可以很快被稀釋,但中風化和微風化層地下徑流條件差,滲透性弱,水中離子濃度稀釋較為緩慢。地下水在松散巖類和全風化層地下水中易受污染,但污染后地下水環境恢復能力強,下部巖層不容易受到污染,但是污染后恢復較為緩慢。