某铅锌尾矿库对地下水环境影响及防治措施

任 旭

(攀枝花学院，四川 攀枝花 617000)

尾矿为选矿作业中废弃部分，截止到2002年，我国每年生产的各种工业固体废物和尾矿已达6×108t[1]。尾矿库起初是用来容纳尾矿及其废水的环境保护设施，随着尾矿逐年累积，尾矿库会转变为潜在的污染源。尾矿库承载的尾矿浸出液中含有的污染因子，可能对地下水环境产生一定影响[2]。四川攀西地区矿产资源丰富，矿区周边村落居民多以地下水为生活、生产供水水源，地下水环境敏感，在此地区防止尾矿浸出液下渗对地下水水质污染，保护地下水环境尤为重要。

本文将以攀西地区某铅锌尾矿库为例，根据实地调查，区域水文地质资料，水文地质试验及尾矿浸出试验，确定水文地质参数，污染因子及污染源强。利用地下水数值模拟软件GMS，对尾矿库不同运行工况下，浸出液下渗对地下水环境影响的程度及范围进行模拟计算分析，并提出切实可行的地下水环境保护缓解措施。

1 尾矿库工程概况及区域水文地质条件

1.1 尾矿库工程概况

尾矿库选址于金阳县热水河内，占用部分河道，总库容114.37万 m3，永久占地为26.07亩。尾矿库上游修建拦水坝将热水河尾矿库区上游来水集中收集，并通过引水隧道的方式排至尾矿库下游。尾矿库内则修建初期坝和排洪系统，其中初期坝为堆石坝，坝高37.5 m，坝顶宽4 m，坝轴线长约75.76 m，选厂产生的尾矿通过无压自流管输送至尾矿库，当尾矿堆积高度超过初期坝时采用上游堆积法造坝，直至加高至标高1 240 m;尾矿库内的排洪系统采用框架井+泄洪隧道的方式。尾矿库内收集的废水采用泵加压回水方式返回选厂高位水池供选矿厂重复使用(见图1)。

1.2 区域地质背景及水文地质概况

尾矿库区位于金沙江以西，属深切割中高山地貌。尾矿库区域出露地层中与工程建设密切相关的主要为寒武系(∈)，岩性总体为一套碎屑沉积、碳酸盐沉积岩。库区未见断层发育，构造以岩体节理及褶皱为主，构造形迹总体属于一个穹隆状背斜遭受断裂破坏后的残余部份。尾矿库区含水层以寒武系白云岩、白云质灰岩地层为主，溶孔、溶隙一般规模较小，岩溶泉水流量仅在0.02～2 L/s之间。区内地形坡降大，地表径流条件好，使部分大气降水以地表径流形式流出区外，部分大气降水补给含水层，受构造及地层岩性控制主要沿层间裂隙、基岩裂隙中赋存和运移，于斜坡冲沟河床以分散状泄流出地表，受岩性、节理裂隙等影响，局地以泉的形式排泄，或直接排泄到当地最低侵蚀基准面热水河中。

图1 尾矿库平面布置图

2 浸出液下渗量计算

2.1 工况设计

按照《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》要求，Ⅱ类工业固体废物处置场中，当天然基础层的渗透系数大于1.0×10－7cm/s时，应采用天然或人工材料构筑防渗层，防渗层的厚度应相当于渗透系数1.0×10－7cm/s和厚度1.5 m的粘土层的防性能。本文以尾矿库区设置防渗层为基础分别设计尾矿库的两种运行工况，并计算各工况下尾矿浸出液下渗量[3]。

1)正常工况:库底、边坡和初期坝内侧设1.5 mm厚渗透系数不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防渗层;

2)非正常工况:设库底、边坡和初期坝内侧设1.5 mm厚渗透系数不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防渗层，但防渗层有10%出现破损。

2.2 尾矿浸出液下渗量计算

尾矿库的下渗补给量，采用地下水模拟系统(GMS)专业软件中的SEEP2D模块进行了计算。

1)数学模型

坝体库区内渗流的模型为[4]:

式中:Ω为计算区域;S1为上游定水头边界;S2为下界面隔水边界;S3为下游定水头边界;S4为渗出面边界;S5为上界面隔水边界;n为边界的外法线方向;H为计算区内及边界上的水头分布;K为含水层介质的渗透系数。

2)概念模型

选取尾矿库最大纵断面进行二维模拟，模型顶部为尾矿自然堆积层，尾矿之下为防渗层，防渗层之下为基岩。模型上游以尾矿库为澄清水池为定水头边界(水位高程1 238.5 m)，下游以热水河为定水头边界(水位高程1 175 m)。

模拟区可概化为非均质各向异性剖面二维稳定流系统，如图2。

图2 概化二维有限元网格化计算模型

3)计算参数的选取

根据1:20万区域水文地质资料中关于含水岩组及其富水性的划分，仅尾矿库区计算模型中主要涉及2种不同富水性能的地层，分别为寒武系上中统白云岩、白云质灰岩(∈3e、∈2d)和寒武系中统粉砂岩(∈2x)，含水层、坝体及防渗层的渗透系数主要参考《热水河尾矿库水文地质试验报告》中的钻孔压水试验数据，尾矿库初步设计，1:20万区域水文地质报告[5]等相关标准和规范确定。计算参数选取见表1。

表1 浸出液下渗量计算参数表

4)计算结果

由表2可知:不加任何防渗层时，尾矿库的渗漏量为12.5 m3/d·m，即 947 m3/d;设铺设 1.5 mm厚渗透系数不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防渗层后，尾矿库的渗漏量大为减少至 0.037 m3/d·m，合 2.80 m3/d，仅为前者的0.3%，说明防渗层起到了良好的阻水作用;当所设 1.5 mm厚渗透系数为1.0×10－11cm/s的 HDPE膜防渗层，但防渗层出现10%的破损时，尾矿库的渗漏量为1.28 m3/d·m，合97.22 m3/d。

3 热水河尾矿库对区域地下水环境影响结果分析

3.1 源强分析

根据《尾矿渣毒性浸出试验报告》(见表3)及各工况下浸出液下渗量，可计算不同条件下污染物下渗量见表4。

表2 浸出液下渗量计算结果

表3 尾矿浸出液分析结果表 mg/L

3.2 模拟条件及计算过程

3.2.1 模拟边界及模拟时间

模拟范围向西热水河与金阳河分水岭为界，向南以热水河与金沙江分之间分水岭为界，向北以库区上游2 km为界，向东以热水河断裂为界。模拟区以热水河为地下水的排泄边界(定水头边界)，考虑到金沙江侵蚀基准面面的影响，模型东边界和南边界设为通用水头边界，西边界和北边界设为零流量边界，模拟区域外的单元格设为无效单元格。

尾矿库运行6 a，分为正常工况非正常工况，尔后进入封场期。因模拟运行共20 a后，地下水流场中污染因子基本达到平衡，模拟时间共为20 a。

3.2.2 计算方法

本次地下水环境模拟采用地下水模拟系统(GMS)专业软件中的MODFLOW和MT3D模块。

1)MODFLOW模块数学模型:根据水文地质概念模型及含水层水力性质，将模拟区地下水流概化成非均质各向异性稳定三维地下水流系统，利用MODFLOW模块计算地下水渗流场，该数学模型如下[6]:

Kx、Ky、Kz为渗透系数在 x、y、z方向的分量(m/d)(假定渗透系数主轴方向与坐标轴的方向一致);H为地下水水头(m);M为含水层厚度(m);W为单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量;H0为地下水初始水头(m);t为时间(d);D为模拟区范围;Γ1为一类边界;Γ2为二类边界;q为边界流量[6、7]。

2)MT3D模块数学模型:依据最不利原则，不考虑包气带的降解作用和防污性能。假设污染物在地表或近地表处一经渗漏，即到达含水层，对地下水发生污染。忽略污染物的溶解吸附作用和化学反应，溶质运移的二维水动力弥散方程的数学模型如下[7]:

初始条件为:

边界条件为:

式(1)中，右端前四项为弥散项，后一项为对流项。其中:θ为介质孔隙度(无量纲);c为溶质浓度(mg/L);Dxx，Dyy为 x，y，z三个主方向的弥散系数(m2/d);μx，μy为 x，y 主方向的实际渗流速度(m/d);W为水流的源汇项。

式(2)和式(3)中，C0为溶质初始浓度(mg/L);→v为渗流速度(m/d);Ω为溶质渗流的区域;τ2为二类边界;Φ为边界溶质通量;gradc为浓度梯度。

(1)式的解必须和(2)、(3)式联立才能求解。

3.2.3 参数选取

根据1:20万《区域水文地质资料(昭通幅)》，模型区主要涉及4类富水性能不同的地层，含水层渗透系数主要参考项目《水文地质试验报告》中的压水试验数据及1:20万区域水文地质报告确定(见表5)。根据研究资料，该套地层中纵向弥散系数 20 m2/d，横向弥散系数 2 m2/d[8、9]。

3.3 初始渗流场模拟计算及校核

根据初始渗流场的模拟结果，受区内地形地貌、富水岩组分布及构造发育等条件控制，在地形较高地区地下水位埋深较大，表现为单元格被疏干(无填充的单元格)，而在地势较低的河谷地带，地下水位埋深较浅，甚至有的区域表现为富水区(三角形标记单元格)，这与当地水文地质条件及实地调查结果相符。根据预测，初期坝附近地下水水位埋深约3.2 m，这与水文地质钻探中的 ZK1和 ZK2钻孔中水位(埋深3.0～3.5 m)基本相符。由上分析可知，不考虑尾矿库影响，稳定流运行结果可以作为本次模拟的初始渗流场。

表4 污染物源强计算表

表5 地下水渗流场计算参数表

图3 正常工况尾矿库运行Pb离子浓度分布图

3.4 溶质运移预测结果对比分析

模拟计算结果显示，正常工况下污染物迁移及影响范围较小，如图3所示，由于污染物主要集中在尾矿库及其周边区域，因此，为直观表达，将影响区域按一定比例放大后予以展示(图中一个单元格为50 m×50 m)。

正常工况下，尾矿库及周边地下水中污染成分随时间延长，其浓度增速放缓，并逐渐达到平衡，Pb、Zn、Cu、Hg4种金属离子模拟结果表明(见表 6)，尾矿库运行20 a后，地下水系统中各污染物浓度均满足《地下水质量标准》[6]中Ⅲ类标准限值要求。当尾矿库以非正常状态运行时，随时间延长，尾矿库及周边地下水中污染物浓度逐步增加，同时期相比，非正常工况下地下水中污染物含量是正常工况下的20倍左右。非正常工况下，Zn、Cu、Hg3种金属离子在尾矿库运行5 a内均不超标;Pb在尾矿库运行1 a内不超标，2～5 a内最大可达 0.066 5～0.152 7 mg/L，超出《地下水质量标准》中Ⅲ类标准限值(0.05 mg/L)要求[11]，超标范围约0.037 5 km2，主要分布在库区及周围和库区东南侧区域(地下水径流方向)，最大超标距离距初期坝约50 m(见图4)。

图4 非正常工况尾矿库运行Pb离子浓度分布图

4 地下水环境保护措施

本实例通过对正常生产工况和非正常工况的模拟计算，提出了源头控制、过程控制及末端控制等措施，具体如下:

1)源头控制:尾矿浸出液主要来源为尾矿渣自含水及大气降水。针对浸出液主要来源提出以下两点主要措施:

(1)库区内收集的尾矿澄清水和雨水禁止外排，全部收集后回用于选厂选矿;

(2)为了减少库区汇水面积和进入尾矿库的大气降水，实现“清污分流”，要求在库区以上设置多级截洪沟，最大程度将雨水收集并排出库外。

2)过程控制:针对实例中正常工况及非正常工况下对地下水环境的不同影响程度，保护措施的重点是减缓携带污染物的地下水渗流速率，降低污染物迁移途径中渗透介质的渗透系数和水力坡度。热水河尾矿库天然基础层渗透系数为10～5 cm/s量级，按《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》，应采用天然或人工材料构筑防渗层，防渗范围包括库底、库坡和初期坝等，防渗层性能应不低于厚度1.5 m、渗透系数1.0×10－7cm/s的粘土防渗性能。由于项目所在地缺乏优质粘土资源，故环评要求采用厚度1.5 mm，渗透系数不高于1.0×10－11cm/s的 HDPE膜作为防渗层。防渗系统由下至上结构为:压实基础 +500 mm压实粘土层 +1.5 mm-HDPE膜+600 g土工布。

3)末端控制:为回收库内排洪系统及超出库内澄清池容量尾矿浸出液，在初期坝下游、库外排洪出口以上修建拦水坝，使拦水坝与初期坝之间形成蓄水池(库容共计约3.0万m3)，一方面可以调蓄尾矿库浸出液，另一方面可以作为事故水池收集洪水期间库内排洪。环评要求该蓄水池池底及池壁敷设1.5 mm厚的HDPE膜进行防渗处理。收集的废水返回库内澄清水池中，与澄清水一起经加压泵送至选厂高位水池回用，不外排。

表6 污染物最大值与时间相关关系统计表

5 结语

(1)固体废弃贮存、处置场的设置，需根据国家相关法规及标准，明确堆存固体废弃物性质，对不同类别处置场采取不同级别防渗措施，Ⅱ类处置场防渗当天然基础层的渗透系数大于1.0×10－7cm/s时，应采用天然或人工材料构筑防渗层，防渗层的厚度应相当于渗透系数1.0×10－7cm/s和厚度1.5 m的粘土层的防渗性能。

(2)根据研究区的水文地质条件、前期调查获得的含水层介质的参数，采用数值模拟的方法，计算比较防渗层完好及防渗层破损10%的条件下对地下水环境的影响程度，防渗层破损10%的条件下渗漏量逾20倍，造成约0.037 5 km2超出《地下水质量标准》中Ⅲ类标准限值(Pb≤0.05 mg/L)要求。在库区防渗层的铺设及运营管理过程需加强管理，尽量避免对防渗层的损伤。

(3)在处置场的运行及封场期(至稳定)需设置地下水水质监测体系，对地下水水质的变化进行监测，亦为场区运行状态的判定提供依据，及时采取相应的地下水环境保护措施。

[1]芈振明，高忠爱.固体废物的处理与处置[M].修订版.北京:高等教育出出版社.1993:1－416.

[2]王俊桃，谢娟，张益谦.矿山废石淋溶对水环境的影响[J].地球科学与环境学报.2006，28(4):92 －96.

[3]中华人民共和国环境保护部.(GB18599－2001)一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准[S].北京:中国标准出版社.2001.

[4]冯西州.SEEP2 D软件在坝堤渗漏计算中的应用[J].地下水.2010，32(3):139 －140.

[5]云南省地质局水文地质工程地质队.1:20万区域水文地质报告(昭通幅)[R].1979，9.

[6]张翠云，马琳娜，张胜，等.Visual Modflow在石家庄市地下水硝酸盐污染模拟中的应用[J].地球学报.2007，28(6):561－566.

[7]Rajamanickam R ，Nagan S.Groundwater quality modeling of Amaravathi River Basin of Karur district，Tamil Nadu，using Visual Modflow[J]. International Journal of Environmental Sciences . 2010，(1):91－108.

[8]Lynn W.Gelhar，Claire Welty.A Critical Review of Data on Field－Scale Dispersion in Aquifers[J]. WATER RESOURCES RESEACH.1992，28[7]:1954 － 1974.

[9]郑春苗.地下水污染物迁移模拟[M].北京:高等教育出版社.2009.9:1 －369.

[10]杨昌民，石军广，徐成杰，等.不同地质条件下填埋场渗滤液污染的数值模拟[J].勘查科学技术.2008，(5):15－20.

[11]中华人民共和国国家技术监督局.(GB/T14848－93)地下水环境质量标准[S].北京:中国标准出版社.1993.

[12]左锐，王金生，滕彦国.滨海区石化项目的地下水环境保护措施研究[J].北京师范大学学报:自然科学版.2009，45(5/6):647－653.