某尾矿库自然状态下水土污染地质灾害模拟研究

朱泽勋,吴 莉

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院, 云南昆明 650051)

某尾矿库自然状态下水土污染地质灾害模拟研究

朱泽勋,吴 莉

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院, 云南昆明 650051)

采用 ComsolMultiphysics软件进行渗流场数值模拟,研究某尾矿库在自然状态下地下环境中污染物运移特征。二维和三维溶质迁移场数值模拟结果表明,100 a内尾矿库下灰岩中地下水的 F、As和 Zn的浓度满足二类水标准,同时分析得出了当前污染物浓度分布规律和将来污染物浓度分布规律等,可为尾矿库地下环境污染评价和治理提供依据。

尾矿库;污染物;渗流模拟;浓度分布

0 前 言

某矿尾矿库于 1958年建成使用,经过 50多年的运营,目前已经堆至 2036 m(独立高程系),相对于场地东南侧合田磷肥厂地面,高差为 71 m;相对于场地南部昆明三养肥料有限公司地面,高差为 56 m;相对于场地西南部西山区看守所大门地面,高差为 50 m。渣场未设置坝体和防渗设施,堆积过程中自然形成了 3个台阶,见图1。经检测,该尾矿库中尾渣的主要有害物质为氟 (F)、锌离子 (Zn)和砷离子 (As),经过长时间自然状态下的雨水的淋滤,有害物质直接渗透到地下水当中。

图1 某尾矿库影像示意

1 污染物运移分析数值模型

通过对该尾矿库自然状态下地下环境渗流场和污染物运移场的三位数值模拟分析,研究污染物浓度分布规律。数值模拟采包含污染物运移数值模拟算法的国际商用软件 Comsol Multiphysics进行,渗流场按照饱和 -非饱和稳定渗流模拟,污染物运移场按照非稳定溶质运移模拟。

1.1 污染因子的选择

在自然状态下对淋滤液进行溶质成分鉴定,结果表明:氟 (F)的浓度值为 4.50 mg/L,锌离子 (Zn)的浓度值为 0.608 mg/L,砷离子 (As)的浓度值为0.051 mg/L,其浓度都超出了地下水Ⅱ类浓度要求,因此选择这 3种离子进行污染物迁移过程模拟。

1.2 模型的建立

1.2.1 模拟地层

计算模型地层主要分为 6种材料:污染源包括熔炼渣、施工弃土和生活垃圾层合并为同一地层建模设为材料 1;粘土和人工填土层合并为同一地层建模设为材料 2;离地下水面一定距离后非饱和灰岩建模设为材料 3;饱和状态的灰岩建模设为材料4;为了模拟二维模型底部不渗水特征,假设有渗透系数很低的基岩,并将其设为材料 5;另外砂砾石设为材料 6。

渗流计算用的各岩土层的饱和渗透系数见表1,粘土层渗透系数主要参考了室内实验结果,并适当考虑了重力耦合作用。计算中材料 1和材料 2设置为饱和 -非饱和渗流特性材料,相对渗透率取为和有效饱和度一样大,其它材料设置为饱和渗流特性材料。

表1 渗流计算材料参数

弥散度是地下水动力弥散理论中用来描述空隙介质弥散特征的一个重要参数,对于它的取值是当今弥散理论研究的一个热点,其中的一个重要原因是它的尺度效应,在此弥散度测参照岩土工程界实验结果取值。弥散计算用的各岩土层的材料参数见表2。

表2 弥散试验计算材料参数

1.2.2 渗流问题初始及边界条件确定

埋场顶部接受降雨垂直入渗,属于第二类的给定通量边界。对于二维模型,北边界地下水位以下部分以离场地地面 130 m的水位设置水头边界条件,地下水位以上部分按照该处是分水岭可以设置为对称边界 (隔水边界),南边界以滇池水位设置水头边界条件,底部设置隔水边界。对于三维模型,北边界地下水位以下部分以场地北部约 200 m处居民供水井静止水位埋深 130 m对应的空间水位设置水头边界条件,地下水位以上部分按照该处是分水岭可以设置为对称边界 (隔水边界),东边因地形近似对称设置隔水边界,考虑到降雨对地下水渗流影响不大,西边近似设置为隔水边界,东边界以二维模型计算得到的该截面水头设置水头边界条件,底部设置隔水边界。

顶部入渗流量边界的流量和降雨量、和土壤相关的入渗率、蒸发量、场外径流进入场地的水量、水井提水量等因素相关。取顶部入渗流量为昆明年降雨量,昆明多年平均年降雨量为 1011.8 mm,顶部入渗平均速为 3.2e-8 m/s。对于一般地面,考虑到地表粘土渗透系数小入渗率低,存在蒸发量和人工井取水等因素,取顶部入渗流量为昆明年降雨量的5%,顶部入渗平均速为 1.6e-9 m/s。

另外岩土体中水流速和渗透压分布在此按照稳定渗流计算求取,因此计算结果和初始条件无关,在此初始水头设置为滇池水位水头。

1.2.3 污染物弥散问题初始及边界条件确定

渣场顶部设置通量边界,其量值近似设置为(3.2e-8)×x,x是自然状态下渗滤液中污染物的浓度,北边界设置为 0浓度边界,南边界设置为平流通量边界,其余边界设置为 0通量边界。材料 1中水的初始浓度是 x,其余材料初始浓度是 0。

1.2.4 建立模型

为了更好模拟污染物在地下水中迁移情况,建立了 2个模型进行研究。第一个模型是二维模型,范围是从渣场北边的分水岭到南边的滇池,总长度10.462 km,最大高度差 1.058 km,生成 21648个节点,42236个单元。第二个模型是三维模型,采用了贯穿渣场的 8个剖面建模,北边以渣场北边的分水岭为边界,南边以在尾矿库以南 0.992 km处设面为边界,西边以尾矿库往西 0.155 km设面为边界,东边以尾矿库往东 0.400 km设面为边界,长 1.820 km,宽 0.875 km,最大高度差 0.439 km,生成 14041个节点,67828个单元。

2 模型计算结果及其分析

2.1 二维模型计算结果及其分析

利用软件 COMSOL Multiphysics进行渗流场数值模拟。根据渗流计算结果,进行污染因子 F、As和 Zn的运移计算,其中 F和 As的模拟时间分别为30,52,60和 100 a,Zn的模拟时间分别为 52 a和100 a,污染因子的初始浓度均取自然状态下的淋滤浓度,根据它们对应的地下水Ⅱ类的浓度标准值计算迁移距离,同时得到迁移距离处灰岩地下水中浓度,其中地下水Ⅱ类的浓度标准值为 F≤1 mg/L、Zn≤0.5 mg/L和 As≤0.01 mg/L。具体结果见表3。

表3 二维模型污染因子迁移计算结果对照

由表中可以看出,在 100 a内,尾矿库下灰岩中地下水的 F、As和 Zn 3种污染物的浓度能够满足二类水的标准。

2.2 三维模型计算结果及其分析

模型计算分析结果如下:100 a内 F浓度等于 1 mg/L沿着地表在水平方向向前迁移最大距离为170 m,大于二维计算结果。同时随着时间推移,具有初始浓度的溶液慢慢往下、前方向迁移,往下迁移到地下水附近 F弥散速度很大导致扩散很快,从而再往下位置 F浓度不再因时间推移而增大;100 a内As浓度等于 0.01 mg/L沿着地表在水平方向向前最大迁移距离为 180 m,大于二维计算结果。同时得到:随着时间推移,具有渣场溶液浓度的溶液慢慢往下、前方向迁移,往下迁移到地下水附近 As弥散速度很大导致扩散很快,从而再往下位置As浓度不再因时间推移而增大;100 a内 Zn浓度等于 0.5 mg/L,沿着地表在水平方向向前最大迁移距离为 29 m,大于二维计算结果。同时得到:随着时间推移,具有渣场溶液浓度的溶液慢慢往下、前方向迁移,往下迁移到地下水附近 Zn弥散速度很大导致扩散很快,从而再往下位置 Zn浓度不再因时间推移而增大。

总之,在 100 a内,尾矿库下灰岩中地下水的 F、As和 Zn 3种污染物的浓度均能够满足二类水的标准。

3 结 论

在野外调查、钻探、野外实验、室内实验、化学实验、监测、水环境污染分析等工作基础上,建立了二维溶质迁移数值模拟模型和三维溶质迁移数值模拟模型,对某矿尾矿库中的有害物质 F、As、Zn 3种溶质迁移场进行了数值模拟分析,得到以下结论:

(1)二维和三维溶质迁移场数值模拟结果表明,随着时间推移,具有尾矿库溶液浓度的溶液慢慢往下方向迁移,往下迁移到地下水附近弥散速度很大导致扩散很快,从而再往下位置污染物浓度不再因时间推移而增大;

(2)二维溶质迁移场数值模拟结果表明,随着时间推移,流入滇池地下水中污染物浓度越来越大。对于模拟时间为 52 a的情况,F迁移到滇池处浓度大约为 0.0278 mg/L,As迁移到滇池处浓度大约为0.000316 mg/L,Zn迁移到滇池处浓度大约为0.00383 mg/L。对于模拟时间为 100 a的情况,氟迁移到滇池处浓度大约为 0.0322 mg/L,As迁移到滇池处浓度大约为 0.000366 mg/L,Zn迁移到滇池处浓度大约为 0.00434 mg/L;

(3)三维溶质迁移场数值模拟结果均表明,尾矿库污染物最大污染范围不超过 180 m;

(4)二维和三维溶质迁移场数值模拟结果表明,100 a内尾矿库下灰岩中地下水的 F、As和 Zn的浓度满足二类水标准。

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2011-05-31)

朱泽勋 (1964-),男,云南宣威人,工程师,主要从事岩土工程方面的工作,Email:619910377@qq.com。