弥散试验在罗河铁矿变更建设项目地下水水质污染范围预测中的应用

崔伟，姬淑丽

(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院,蚌埠　233000)



弥散试验在罗河铁矿变更建设项目地下水水质污染范围预测中的应用

崔伟，姬淑丽

(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院,蚌埠233000)

摘要：罗河铁矿变更建设工程在项目建设、生产运行和服务期满后的各个过程中，可能造成地下水水质污染。野外弥散试验用于研究污染物在地下水中运移时其浓度的变化规律，并通过试验获得进行地下水质量定量评价的弥散参数，从而计算出特定时间内地下水水质污染的范围。

关键词：罗河铁矿;弥散试验;弥散参数

1工程概况

罗河铁矿位于安徽省庐江县境内，矿区总面积4.4 km2，为地下开采的矿山。矿区已建设工程总体包括主工业场地、进风井工业场地、炸药库、废石场及回风井工业场地。由于开采方法变更为充填法，因此，在已建设工程的基础上，充填法方案主要增加项目为充填站工业场地(图1)。

2地下水污染源分析

2.1采矿工程环境水文地质问题分析

2.1.1采矿工程

矿山拟开采矿体的厚度比较大，倾角缓，适宜采用向下大孔空场嗣后充填采矿法，对厚度较小部分及边角小矿体，采用其他充填采矿方法作为补充。开拓方式采用竖井开拓，先用炸药对岩体进行爆破(图2)，然后铲装运输，坑内运输采用轨道运输方式，矿石和废石均采用电机车双机牵引运输。开采废石运往废石场堆放，废石场的占地面积14.02×104m2，废石场配置20 t自卸汽车6辆，其中4辆运行，1辆检修，1辆备用，推土机1台。

图1　工程布置图

图2　开采工艺示意流程图

2.1.2环境水文地质问题分析

(1) 建设期

工程建设期为竖井开拓，在竖井开拓过程中会疏干地下水，但疏干范围仅局限于巷道和竖井，不会形成大规模的降水漏斗，对地下水水位影响较小。

(2) 运营期

矿山开采需疏干排水，会引发区域地下水水位下降。根据初步设计报告，东区-455 m中段矿坑正常涌水量为5 302 m3/d，最大涌水量为18 352 m3/d；西区-560 m中段矿坑正常涌水量为2 397 m3/d，最大涌水量为10 303 m3/d。矿山开采疏干地下水会改变区域地下水流场，形成降水漏斗，对地下水水位产生影响。

(3) 服务期满后

服务期满后，矿井和采空区均被充填，地下水水位逐渐恢复，对地下水水位不会产生影响。

2.2工业场地及其地下水污染源分析

2.2.1工业场地

工业场地可分为主工业场地、进风井、回风井工业场地等。

主工业场地主要分为生产区和办公生活区，生产区主要包括临时堆矿平台、破碎厂房、筛分厂房、选矿主厂房、浓缩池、铁精矿和硫精矿过滤厂房、环水、事故水池、胶带运输系统、总尾矿泵房，仓库、选矿办公室和实验化验室等。办公生活区主要为办公楼、职教中心、职工宿舍、专家楼、食堂等。

进风井工业场地主要由进风井、空压机房、绞车房、办公楼等组成。

回风井场地主要包括1号和2号回风井、绞车房、空压机站、水池等，其中回风井东侧充填站为新建，充填站设3套独立系统，每套系统由6个立式砂仓、控制室及蓄水池等组成。立式砂仓容积1 250 m3，砂仓净直径为10 m，砂仓净高约为22 m。充填料浆输送设计6条钻孔，其中3条工作，3条备用。选择Ф159×18高锰耐磨钢管。设计年平均充填采空区体积78.014×104m3/a，年平均充填料浆需用量98.307×104m3/a。

2.2.2污染源分析

(1) 生产建设期

在上述工程建设过程中，施工队伍会产生生活废水、生产废水、固体废弃物。

生产废水和生活废水污染组份一般为SS、pH、COD、BOD、大肠杆菌、矿物油类等污染物，通过排水入渗地下水中，从而污染地下水。

固体废弃物主要为建筑材料，在降水作用下，形成淋滤水，污染组份为SS，淋滤水入渗进入地下水，污染地下水。

(2) 运营期污染物分析

正常施工状态下，各工业场地建筑排水经化粪池预处理后，通过排水管网汇集到生活污水处理站，处理达标后排至附近河流，一般不会产生污染物。

但在事故状态下，破碎厂房、过滤厂房、浓缩池等选矿设施可能出现泄露，可能污染地下水，污染组份为矿物油类、重金属、pH、SS、COD、BOD、大肠肝菌等。

(3) 服务期满后

服务期满后，工业场地均被拆除，一般不会污染地下水。

2.3尾矿库及其污染源分析

2.3.1尾矿库工程

尾矿库位于选矿厂东侧的付冲沟，付冲沟尾矿库距选矿厂约7 km，尾矿库所在沟的地形较平坦，该沟南北走向，沟长1 239 m，此沟汇水面积0.98 km2，平均坡度27.8‰。

为了充分利用尾矿库的库容，初期坝选在距沟口处，其地面标高约为58.0 m，初期坝坝顶标高75.0 m，初期坝最大坝高约17.0 m。尾矿最终堆积标高120.0 m，总库容2 173×104m3,按选矿厂年处理原矿300×104t，可使用16.1 a。尾矿库最终占地面积约92.67 hm2。

2.3.2污染源分析

(1) 生产建设期

在尾矿库的建设过程中，施工队伍会产生生活废水和固体废弃物。

生活废水污染组份一般为SS、pH、COD、BOD、大肠杆菌、矿物油类等污染物，通过排水入渗地下水中，从而污染地下水。根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)中的BOD5人均排污量为0.02～0.035 kg/Cap·d，计算COD排污量为0.04～0.07 kg/Cap·d，按施工人员100人考虑，则BOD5、COD排放量分别为0.2～0.4 kg/d、0.4～0.8 kg/d。施工期生活污水排放量少，且周边无大的地表水体，施工生活污水排放对周围水环境影响较小。

固体废弃物主要为生活垃圾和建筑材料，在降水作用下，会形成淋滤水，污染组份为SS，淋滤水入渗进入地下水，可能会污染地下水。尾矿库在施工现场废弃的建筑垃圾采用分类回收，施工中产生的碎砖、石、砼块、黄沙等建筑垃圾，收集作为地基的填筑料。生活垃圾及时清运并送往城镇垃圾填埋场进行填埋。因此，固体废弃物淋滤水对地下水环境影响较小。

(2) 营运期

① 正常工况下

在正常工况下，入库尾矿浆中的尾矿沉积于库内，而澄清尾矿水经溢流塔，流入回水池，正常生产尾矿水总的溢流量为227 m3/h，全部由回水泵加压送选矿厂选矿生产循环水系统，循环利用。因此，在正常工况下，尾矿库溢流水不会对地下水造成影响。

② 非正常工况下

在非正常工况下，尾矿库的溢流水无法送往循环利用，或出现泄漏，从而使得污染水入渗地下，对地下水造成不良影响。由《罗河铁矿选矿试验污水特性及处理试验研究报告》可知，尾矿溢流水的水质成分主要包括SS、硫化物、Mn、Cu、Cd、Cr6+，浓度满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级排放标准的限值要求。因此，在事故状态下，尾矿库的溢流水会对地下水水质产生影响，但影响程度较小。

(3) 闭库期

尾矿库服务期满后，相关设施、设备拆除或运走，尾矿库废水处理后进行达标排放，尾矿库封场后会进行土地复垦，进行生态恢复，因此，尾矿库封场后不会对地下水产生影响。

3布设监测点

项目区水流向清楚，地下水坡度较小，因此采用抽水试验附加人工流场，进行了野外弥散试验。监测点布设如图3。

图3　监测点布置图

4弥散试验

由于氯化物的成本低、不易被吸附、易于检测，效果也最好，因此，本次选择NaCl作为示踪剂。由于天然水力坡度对弥散试验的时间要求相对较长，因此，本次弥散试验通过对ZK01号孔进行稳定流抽水，待三个孔的水位稳定后，ZK01、ZK02和ZK03形成一个人工的水力坡度，首先向87.5 l水中加入25 kg食盐，配制成285.7 g/l的NaCl溶液，然后瞬时向投源孔(ZK03)投入285.7 g/l的NaCl溶液，根据观测孔(ZK01和ZK02)的浓度变化确定时间间隔进行取样，一般为0.5 h取一次样，然后使用相应浓度的HgNO3溶液进行滴定，来测定各观测井的NaCl浓度，并绘制相应曲线(图4)。

图4　弥散试验时间-浓度变化曲线图

5弥散参数

根据绘制的浓度-时间变化曲线(图4)，通过逐点求参法可得到纵、横向水动力弥散系数DL、DT(表1)。

式中，u为渗流的实际速度(m/d)；C1为t1时刻示踪剂浓度(mol/l)；C2为t2时刻示踪剂浓度(mol/l)；Q为抽水流量(m3/d)；W为垂直水流方向横截面积(m2)；n为含水层有效孔隙度。

表1　弥散系数计算结果表

6水质污染范围预测

在模拟污染物扩散时，重点考虑了对流、弥散作用，不考虑吸附作用、化学反应等因素。本次模拟根据泄漏情景不同选取不同的污染物作为模拟因子。本次模拟预测时间设定为罗河矿一期服务年限为40 a，尾矿库总服务期60 a，模拟得出污染物时空变化过程，从而确定本区地下水环境影响范围和程度。

6.1预测模型概化

6.1.1水文地质模型概化

(1) 结构特征概化

根据项目区的水文地质特征，由于第一隔水层的存在，且分布连续，矿山生产会对第二含水层组进行疏干，但二含与上部一含无水力联系，疏干对上部含水层水位影响较小，矿山生产的污染物也不会渗入到二含，污染物仅会影响到一隔上部含水层组，而第一弱透水层和第一含水层水力联系密切，因此，在预测时将项目区自上而下概化为第一含水层组和第一隔水层(图5)。

图5　水文地质概化模型示意图

(2) 地下水流场概化

评价区主要分为两部分，主场区和尾矿库分属为两个独立、完整的水文地质单元。主要场区地下水总径流方向以中部分水岭向东西两侧径流，局部受地形影响有所变化，尾矿库由南向北径流，两处地下水径流量小且缓慢。

(3) 边界条件概化

罗河铁矿建设工程污染源主要分布在主场区、废石场转运站、尾矿库，其地下水污染主要影响场区及下游地区；根据收集到的区域地形、水文、水文地质资料，结合本次野外调查，将主场区四面河流概化为定水头分界，局部地段为隔水边界；将尾矿库四面概化为隔水边界。

6.1.2污染源概化

根据污染源分析中可能出现的情景，选取废石转运站、生活污水处理站、选矿厂、尾矿库4个地点进行预测，根据这4个地点可能出现泄漏的最大污染浓度的污染物，其中废石转运站污染源强选择Mn，浓度取50 mg/l，为长期的点状污染源；生活污水处理站污染源强选择氨氮，浓度取150 mg/l，为长期点状污染源；选矿厂污染源强选择硫化物，浓度取50 mg/l，为长期点状污染源；尾矿库污染源强选择Fe，浓度取50 mg/l，为长期点状污染源。评价区降雨补给为2 000 mm/a，排水沟水力传导系数为169 m2/d。

6.1.3水文地质参数选取

水文地质参数选取《罗河铁矿变更项目水文地质勘查报告》中的渗透系数、总孔隙度，结合本次弥散试验获得弥散系数(表2)。

表2　水文地质参数选取一览表

6.2模型运行

本次模拟使用的软件为GMS 6.0，子模块为MODFLOW 2000模拟水流模型，MT3D 1.5模拟污染物运移。将水文地质参数和污染源指示剂(氨氮、硫化物、Mn和Fe)数据输入模型，主场区运行时长为1 d后、1 000 d后和14 600 d(40 a)后，尾矿库运行时长为1 d后、1 000 d后和21 900 d(60 a)后，运行结果见图6、图7。

6.3结果分析

由模拟结果可知，主场区污染物Mn的迁移距离最远，为106 m；污染物硫化物的迁移距离次之，为95 m；污染物氨氮的迁移距离为70 m；尾矿库Fe的迁移距离分别为125 m和206 m。

图6　模型运行泄漏发生1 d后、1 000 d后和14 600 d(40 a)后污染物浓度分布图(主场区)

图7　模型运行泄漏发生1 d后、1 000 d后和21 900 d(60 a)后污染物浓度分布图(尾矿库)

7结语

正常情况下，罗河铁矿变更项目在工程建设期、生产运营期和服务期满后都不会对地下水水质造成大的影响。但在事故状态下污染物会进入地下水，根据预测结果，主场区污染物在事故发生30 a后和尾矿库事故发生60 a后的迁移结果，受到污染的区域范围较小，不会对区域地下水水质造成严重影响。

由污染途径分析可知，只要建立切实可行的防范措施，并确保各项防渗、防泄漏措施得以落实的前提下，可有效控制厂区内的废水污染物下渗或外溢现象，避免污染地下水，因此，本项目不会对区域地下水环境质量产生明显影响。

参考文献

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THE APPLICATION OF DISPERSION TEST IN GROUNDWATER WATER QUALITY POLLUTION RANGE FORECAST IN LUOHE IRON CONSTRUCTION PROJECT

CUI Wei,JI Shu-li

(Anhui Provincial Bureau of geological prospecting in the first hydrogeological and Engineering Geological Exploration Institute，Bengbu233000,China)

Abstract:Luohe iron deposit changes construction engineering in project construction, operation and services after the expiry of the period each process, may cause the pollution of underground water.Field dispersion test is used to study how the concentration of pollutants in the groundwater migration change rule, and through the test to get the groundwater quality quantitative evaluation dispersion test. To calculate the specific time groundwater water quality pollution of the scope .

Key words：Luohe iron deposit; dispersion test; dispersion parameters

文章编号：1006-4362(2016)02-0063-06

收稿日期：2016-03-06改回日期：2016-04-15

中图分类号：TV131.6；X52

文献标识码：A

作者简介：崔伟(1985-)，男，工程师，长期从事水文地质、工程地质、环境地质相关工作。E-mail:ysdds2928@163.com