尾矿库污染物传输过程的数值仿真研究及其经验*

孙 胜，陈 松，吴 超

(中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083)

尾矿库工程是各种复杂反应的集合体，在其里面可能会发生各种复杂的物理、化学、生物以及地球化学反应。在尾矿与尾矿废水之间、尾矿库与环境之间，伴有重金属随水渗漏—基础土壤—地下水或者地表水—尾矿库稳定—天然条件的重金属污染物的传递过程。应用FLUENT软件，可以使尾矿污染过程量化、直观化。针对尾矿库污染的特点和FLUENT软件在数值模拟方面强大的功能，本文应用几种常用的化学反应模型:层流有限速率模型(Laminar Finite－Rate)、涡耗散模型(Eddy－Dissipation)和涡耗散概念模型(EDC)对尾矿污染过程进行研究，模拟结果为尾矿环境安全监测提供了可靠依据。

1 尾矿库污染过程的建模

在FLUENT数据库中，有各种化学模型，但主要是关于气体燃烧方面的，当需要特有的化学模型时，FLUENT软件也提供了自定义化学反应的平台。定义化学反应时，应该有化学反应机理、反应率、化学动力学参数(指前因子、阿累尼乌斯活化能)，在不可逆化学反应中定义生成物的反应率为0。FLUENT软件通过求解对流－扩撒方程来计算每个组分的质量分数。对流－扩散方程式如下［1－2］:

式中，Yi是第i组分的质量分数;Ri是第i组分在化学反应中的净生成率;Si是扩撒相加上用户定义的源项得到的净生成率;是存在浓度梯度情况下第i组分所产生的扩散流量。

层流条件下，可以定义扩散流量为:

式中，Di，m为混合物中i组分的扩散系数。

湍流条件下，扩散流量用下式计算:

式中，Sct是湍流施密特数(Fluent中默认为0.7);μt是湍流黏度。

在有限速率化学反应和组分输运中，FLUENT软件提供了层流有限速率模型、涡耗散模型和涡耗散概念模型(EDC)［3－7］。其各自的特点如表 1所示。

表1 有限速率化学反应模型与特征Table 1 Limited－rate chemical reaction model and features

2 尾矿库污染分析的参数及试样描述

研究以湖南湘潭锰矿的尾矿库为研究背景，对研究区域进行采样，采样区选择分布在离人类活动较远的区域，而且采样区的表层黄土覆盖深度不能超过20 cm，预计采样范围为:长60 cm，宽15 cm，深60 cm。具体采样方法如下:(1)把采样区分为5层，0，20，40，50 和 60 cm。(2)每层剖面分别取 A，B，C和D 4点混合成一个样，最终形成5个样。对样品进行处理后，做ICP－AES检测，将检测得到的数据作为模拟的依据。根据检测结果，选择具有代表性Fe和Pb元素作为研究对象，它们在尾矿迁移转化时具有如下所示的典型化学反应式［8－12］:

FLUENT模拟过程中相关化学组分的定义如表2所示。

表2 模拟过程中相关组分的设置清单［13－15］Table 2 List of related components of simulation

3 不同化学模型下尾矿污染过程分析

3.1 污染模拟初始化

在Gambit中绘制出三维网格模型，物理模型的尺寸为长60 cm，宽15 cm，高60 cm。模型定义一个速度入口，一个自由出口，四周默认为固壁。边界条件的具体设置如表3所示。

表3 边界条件的定义Table 3 Boundary conditions

要使得整个模拟过程接近实际，应该有正确的化学反应机理，同时要正确设置化学反应中涉及的反应物和生成物的理化性质，这包括物质的密度、相对分子质量、比热容，以及研究区域土壤的黏度系数，导热系数和多孔介质(孔隙率、内部阻力系数等)的性质，边界条件定义好后，根据表1～2中的相关参数，在FLUENT中定义好参与化学反应的化学组分。

对于土壤和多孔介质区域的性质参照表4进行设置。

表4 研究区土壤和多孔介质区域的主要性质［16］Table 4 The major nature of soils and porous in the study area

3.2 不同化学模型下的污染模拟结果

尾矿环境复杂多变，进行现场监测难度大、工作量大、用时长。在室内仿真不仅能快速动态地研究尾矿污染过程，而且还能根据研究的侧重点不同设置不同的监测条件，得到可靠有效的数据。下面用FLUENT软件中3种不同的化学模型对研究区域的污染过程进行动态仿真。模拟过程和不同断面的监测结果如下:

取流速为0.5 m/s，同时根据采样时的分层情况，分别设定5个监测断面 surf－1，surf－2，surf－3，surf－4，surf－5，断面分别分布在 0，20，40，50 和60 cm处。分别分析不同化学模型(Laminar Finite－Rate层流有限速率模型;Eddy－Dissipation涡耗散模型;EDC涡耗散概念模型下污染物的浓度分布情况。相关参数如表5所示。

表5 模拟过程相关参数的设置［17－19］Table 5 The related parameters in simulation

3.2.1 Laminar Finite－Rate模型的模拟结果

在Laminar Finite－Rate模型下模拟污染物的迁移转化过程，残差曲线如图1所示。设置的所有变量的残差值在迭代到160次左右变化平稳，残差曲线趋于平衡。不同污染物在不同监测断面的浓度分布如表6所示。

图1 Laminar Finite－Rate模型下的残差曲线Fig.1 Residuals curve under the Laminar Finite －Rate model

表6 在Laminar Finite－Rate模型下不同监测断面的污染物浓度Table 6 Concentration of pollutant under Laminar Finite－Rate model of different monitoring sections %

3.2.2 Eddy－Dissipation模型的模拟结果

在Eddy－Dissipation模型下模拟各污染物的迁移转化过程时，残差曲线如图2所示。图中各变量的残差值变化混乱，而且迭代到300步后，还没有达到残差收敛，迭代到300步后各污染物的浓度分布情况如表7所示。

图2 Eddy－Dissipation模型下的残差曲线Fig.2 Residuals curve under the Eddy－Dissipation model

表7 在Eddy－Dissipation模型下不同监测断面的污染物浓度Table 7 Concentration of pollutant under Eddy－Dissipation model of different monitoring sections %

3.2.3 EDC 模型的模拟结果

在EDC模型下污染物迁移转化过程的模拟结果如图3所示，EDC模型下变量的残差值变化平稳，在迭代了几步后残差曲线开始缓慢变化，当迭代到120步左右曲线收敛。污染物浓度分布情况如表8所示。

图3 EDC模型下的残差曲线Fig.3 Residuals curve under the EDC model

表8 在EDC模型下不同监测断面的污染物浓度Table 8 Concentration of pollutant under EDC model of different monitoring sections %

3.3 不同化学模型模拟结果比较分析

由表6～8可以粗略地看到:在各种化学模型下，污染物的浓度分布存在一定差异，为了使结果直观化，在Origin中绘制出各监测断面上各污染物浓度分布的柱状图，如图4所示。图4比较了在不同化学模型下，各污染物的浓度分布情况。对结果进行分析，得出以下结论:

图4 不同化学模型下各污染物的浓度分布比较Fig.4 The distribution of different pollutant concentration and chemical models

(1)除了设置的基础物质PbCO3外，所有污染物浓度的变化趋势一致，都随反应的进行逐渐迁移转化。

(2)在Eddy－Dissipation模型下，污染物浓度在监测面surf－1过度到监测面surf－2的过程中出现突变，往后污染物浓度缓慢变化。

(3)在Laminar Finite－Rate模型和EDC模型下，污染物刚开始时浓度变化缓慢，当浓度从监测面surf－4过度到监测面surf－5的过程中出现突变。

(4)各监测断面中，污染物PbCO3的浓度变化则是一个逆向的累积过程。

4 结论

尾矿库环境常处于动态变化过程中。同时尾矿自身和周边环境也不断受到自然和人工的影响。在进行现场环境安全监测时很难得到理想的结果。利用尾矿污染模拟技术，可以针对研究者关注的某些问题和参数进行研究。通过对不同化学反应模型下的模拟结果的对比分析，还可以得出有关数值仿真的经验。

(1)在用Eddy－Dissipation模型进行污染物迁移转化分析时，污染物浓度变化规律更明显，更容易对污染物的浓度分布进行预测。

(2)由计算结果对比得知，除了基础物质Pb-CO3外，Laminar Finite－Rate模型和EDC模型比Eddy－Dissipation模型的所涉及的单元数大很多，所能表达的污染物浓度范围更广泛，测定的相关数据更具有实际参考性。

(3)由各自的残差曲线显示:EDC模型和Laminar Finite－Rate模型相比较，在计算效率上EDC模型比Laminar Finite－Rate模型低，需要用更长的计算时间。

(4)在实际的工程应用中，如果从经济实用的角度考虑，则Laminar Finite－Rate模型在进行污染物污染过程的模拟中价值更高，应为首选。

(5)本模拟研究结果还没与实际监测结果进行对比分析，其计算结果和模型的适合程度，在以后的研究工作中将结合实际监测结果做进一步的验证，使得所做工作更加完善准确。

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