桂北铅锌尾矿库尾砂颗粒的大气风场数值模拟研究*

艾涛　张学洪　舒小华　刘杰

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室　广西桂林 541004；2.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心　广西桂林 541004)



桂北铅锌尾矿库尾砂颗粒的大气风场数值模拟研究*

艾涛1,2张学洪1,2舒小华1,2刘杰1,2

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室广西桂林 541004；2.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西桂林 541004)

以平地型铅锌尾矿库尾砂颗粒为研究对象，基于离散型随机轨道模型，数值模拟不同粒径尾砂颗粒在不同风速下的迁移路径和沉积距离。研究结果表明，风速对尾矿颗粒的运动轨迹有着明显的影响。当风速为0.5 m/s时，50 μm尾砂迁移距离较短，无法到达计算域口；而当风速增大为2.0 m/s和3.5 m/s时，尾砂颗粒迁移至计算域出口的时间随之缩短，分别为2 100 s和1 230 s。尾砂粒径对尾砂的污染距离也有明显的影响。当风速为3.5 m/s时，粒径为100 μm和150 μm的尾砂颗粒在距尾矿库下风向大约1 500 m和800 m处完全沉积，而粒径为50 μm的小粒径尾砂颗粒能迁移至尾矿坝下游3 000 m以外。

铅锌尾矿颗粒离散型随机轨道模型大气风场迁移轨迹

0　引言

尾矿库是矿区环境大气污染的主要污染来源之一[1]。大多数铅锌尾矿裸露堆放，尾矿在经过选矿破碎、磨细等处理后大多颗粒细小，且尾砂颗粒中重金属含量较高。在风力作用下，这些细小的尾砂颗粒易被吹起形成扬尘[2-3]。粒径较大的颗粒随风迁移一段距离后重新沉积在地表[4]，在降水作用下可能会随水流进入尾矿区周边的水体和土壤等环境，对其造成一定的重金属污染；粒径较小的尾砂颗粒大多以可悬浮颗粒物的形式存在于大气环境中，在大气环流作用下甚至可以迁移至8 000 km以外[5]。迁移到居住区的细小尾砂颗粒很有可能会经由呼吸道进入人体器官内部[6-7]，且具有一定的累积效应[8]。在兼具粉尘污染和重金属危害的双重作用下，尾砂颗粒物对生态环境和人体造成的影响不容忽视。

本实验所研究的尾矿库已运行数十年，由于周边地形复杂，尾砂颗粒的迁移和沉降对环境的影响受当地气象条件(如风、降水等)的约束，实地测量难度较大，构建精确的物理模型难度较大。因此，对尾矿库的实际模型进行简化，通过数值模拟方法来研究尾矿的起尘机制和迁移规律，掌握不同大气环境条件下不同粒径尾砂的迁移距离及污染范围，为铅锌尾矿库的大气污染治理提供理论依据和技术支持。

1　物理模型和数值方法

1.1物理模型和网格划分

在模型中，对周边环境进行简化，选取平地形铅锌尾矿库为研究对象，利用Gambit软件进行建模和网格划分。设定计算域为长方体，具体尺寸为6 000 m×4 000 m×300 m，尾矿库设定为棱台体，参考尾矿库的坝高现状为34 m，设计尾矿库模型具体尺寸为底面400 m×300 m，滩面尺寸300 m×200 m，高30 m，尾矿库在大气场中的具体位置如图1，其中尾矿库的中心坐标为(1 000,1 000,0)。划分网格过程中为了减小计算量，采用分区进行网格划分，对尾矿库前后左右和靠近壁面处网格进行局部加密，其网格间距小，计算精度高，此时是四面体和六面体混合网格，而计算域的其他地方采用相对稀疏的网格划分，为六面体网格。由此整个计算域共划分出2 377 920个网格单元，既能满足计算要求，又能加快求解速度和提高求解稳定性。

图1　尾矿库和计算域物理模型

1.2边界条件和数值模拟方法

根据实际铅锌尾矿库的筑坝形式，设定尾矿库四周和滩面均为无滑移壁面边界，仅将滩面设置为起尘面，计算域上、左、右三面设为沿来流方向的等速度边界，出口选用压力远扬出口，这样更加符合实际情况。文中将x正方向定义为速度入口方向，采用UDF(user-defined function，用户自定义的通量函数)模块来定义大气流场，速度大小按照风廓线模式来确定，其规律按照大气边界层风速廓线的幂函数分布公式进行描述：

U=U10(z/10)α

(1)

式中，U为离地高处的平均风速，m/s；U10为参考高度为普遍采用的z=10m处的平均风速，m/s；α为风速廓线指数，本文研究模型的下垫面地貌属丘陵类，取α=0.16[9]。

采用压力耦合计算方法(SIMPLE算法)进行流场数值计算，该方法在实际工程中应用广泛，计算比较稳定且易收敛。对颗粒相尾砂的计算主要采用离散相模型DPM(DiscreteParticleModel)中的相间耦合模型进行计算。

1.3颗粒物理特性

实验所用尾砂采集于桂北铅锌矿。在大棚中自然风干后，采用筛分法将尾砂依次过250,180,150,48μm筛，尾矿砂粒径分布如表1。尾砂粒径大多分布在48～250μm，考虑到尾砂粒径越小，在风力作用下越易产生扬尘，而当尾砂粒径大于250μm的时候基本上不会产生扬尘。故本文仅选取粒径为50μm，100μm和150μm的尾砂颗粒作为研究对象。对于固态颗粒污染源的源强的估算，当风速较大，干滩面积为A=2 000m2时起尘量为41.67g/s[10]。本文综合考虑尾矿库滩面面积和尾砂粒径分布情况，故在计算时将起尘量定为200g/s。尾砂中重金属含量较高，主要重金属含量见表2，说明人体一旦吸入尾砂可能会造成一定的伤害。

表1　尾砂粒径分布

表2　不同粒径尾矿重金属含量　mg/kg

1.4控制方程

尾砂-大气两相流扩散过程中尾砂所占比例较小，符合DPM模型计算的条件。在模拟过程中将尾砂以离散的颗粒相加入到大气场中，并且考虑尾砂和大气流场的相互作用。本文选用比较符合实际情况的DPM中的相间耦合模型对离散相颗粒进行计算[11]。相间耦合计算方法的基本思想是先用Viscous[12-13]模型计算连续相大气流场，而后加入离散的尾砂颗粒后用DPM模型计算颗粒轨迹，不断更新连续相的颗粒源相[14]，之后对计算结果进行处理即可得到颗粒的运动轨迹图。其中在计算连续相大气流场时选用标准k-ε模型，因为对于类似于射流这种运动，实验证明选用标准的k-ε紊流模型是比较合适的[15]。

其中标准k-ε模型包括湍动能k和耗散率ε的方程。湍动能k方程为：

(2)

湍动耗散率ε的方程为：

(3)

DPM模型中采用随机轨道模型，应用拉氏公式考虑离散相颗粒的曳力、重力和升力，颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式(x方向)为：

(4)

启动DPM模型对尾砂颗粒的直径、密度、起尘量等因素进行设定后即可进行模拟计算。

1.5当地气象条件

尾矿库地处南岭山系西南部，属中亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充沛，平均年雨量达1 900～2 000mm，雨水最多的季节为四月至七月，降雨量占全年的40%。尾矿库常年风向是东北和南风，且以东北风为主，文中为了研究方便设定x轴正方向为上风向。参考当地1971—2000年气象资料，最大平均风速为3.3m/s，设定最大风速为3.5m/s[16]，本文研究尾砂在风速为0.5m/s，2.0m/s和3.5m/s时对大气环境的影响。

2　数值模拟及结果分析

近年来，扬尘已成为导致全球环境问题的四大主要影响因素之一，而其中可吸入颗粒物则是对人体和生态造成危害的罪魁祸首[17]。本文研究的尾砂大多颗粒细小，由表1可以看出粒径小于48μm的尾砂的颗粒比例高达21.13%，这些可悬浮颗粒物在风力和大气湍流作用下极易发生迁移，风是尾砂颗粒迁移扩散的主要动力，其中风速的大小对颗粒污染物在大气中的迁移扩散起主导作用。为了简便，在研究风速影响时仅以粒径小于48μm的细小尾砂为代表作为研究对象，研究不同粒径尾砂在不同风速下的运移模式和迁移沉降规律。

2.1稳定大气流场分析

稳定大气流场中y=1 000，z=0截面流线如图2和图3所示。从图中可以看出，大气来流由于受到尾矿库的影响，流场线在尾矿库附近发生急剧改变，并且在逆风区会形成一定的漩涡，这表明如果尾砂在风力作用下形成扬尘后，会不容易发生沉降和迁移。由图2和图3可以看出在尾矿库垂直方向上0～45m和水平方向上0～400m范围内会形成一定的局部性污染，并且这种局部性污染可能会持续较长时间。随着高度的增加，地形和地面粗糙度对流线的影响逐渐减小，流场线逐渐变得平缓稳定，表明速度场逐渐变得稳定。

图2y=1 000m截面流线图

图3z=0m截面流线图

2.2不同风速下尾砂颗粒的迁移轨迹规律

三种不同风速下尾砂颗粒的迁移轨迹如图4、图5和图6所示。由图可以看出，风速不同时，尾砂颗粒运动轨迹不同，尾砂能迁移的距离也不同；但基本表现为风速越大，尾砂的迁移距离越远，迁移的速度越快，起尘率越大。当风速为0.5m/s时，尾砂由于受自身重力的作用，只有极少数的尾砂能被吹起形成扬尘。由于风速较小，被吹起的尾砂能迁移的距离也较短，甚至不能到达计算域的出口。在这种风速条件下，尾砂颗粒基本上只在尾矿库的下风向较小范围内形成扬尘，只会造成局部污染。随着风速的增大，尾砂的起尘率也随之增加，尾砂在大气湍流作用下，随风迁移的距离也增大。当风速为2.0m/s和3.5m/s时，尾砂在大气湍流作用下均能迁移至计算域的出口，并且随着风速的增大，尾砂颗粒到达计算域出口的时间也越来越短。3.5m/s风速下尾砂到达计算域出口的时间大约为1 150s，而风速为2.0m/s时大约需要1 980s。随着风速的增大，尾砂随大气湍流作用所能产生的污染范围也在不断扩大，因此需要在大风天的时候加强应对措施减少尾砂对周边环境产生的危害。

由此可见，风速是决定尾矿库滩面能否起尘的重要因素[18]。风速越大，尾矿库滩面起尘率越大。这主要是因为当风速较小的时候，尾砂的自重和地表粗糙度对扩散起主导作用，因而起尘率低；当风速增大后，风速对尾砂的扩散起主导作用，此时尾砂表现出较强的随机性，迁移距离和扩散范围都变大。

图4v=0.5m/s时迁移轨迹

图5v=2.0m/s时迁移轨迹

图6v=3.5m/s迁移轨迹

2.3不同粒径尾砂迁移轨迹规律

由前面的分析可以得出，当风速较大时，尾砂较容易被风吹起形成扬尘，且产生污染的范围较大，所以在对尾矿库表面颗粒的迁移及危害进行研究时，更应侧重对大风速条件下的研究。因而在研究尾砂粒径对污染物迁移轨迹影响时，只选取风速为3.5m/s时，对粒径分别为<48μm，48～150μm，150～180μm尾砂颗粒进行研究，如图6、图7、图8。

对比图6、图7和图8，可以得出随着粒径的增大，尾砂的起尘率减小，能迁移的距离也减小，只有粒径小于48μm的尾砂能迁移至计算域出口，粒径为48～150μm和粒径为150～180μm的尾砂颗粒在距尾矿下风向大约1 500m和800m处就完全重新形成降尘沉积下来。这主要是因为随着尾砂粒径的增大，尾砂自重影响占主导地位，尾砂不易被风吹起形成扬尘，因而起尘率小，即使起尘的尾砂很快就在尾矿库下风向附近地表沉积。由此说明小粒径颗粒尾砂可能对环境影响更大，因此在研究尾砂对大气污染问题时，更应侧重对小颗粒尾砂的研究。

图7粒径为48～150μm的尾砂迁移轨迹

图8粒径为150～180μm的尾砂迁移轨迹

3　结语

(1)起尘风速对尾砂迁移影响较大。随着风速的增加，尾砂能迁移的距离越远，迁移的速度越快。当风速为2.0m/s时到达计算域出口的时间大约为1 980s，而当风速为3.5m/s时大约仅需1 150s。

(2)粒径越小，尾砂越容易形成扬尘，能迁移的距离越远，运动的随机性越强，对大气环境的污染越大。粒径为48～150μm和粒径为150～180μm的大颗粒尾砂在高风速时都不能迁移至出口，在距尾矿库下风向大约1 500m和800m处就完全沉积下来；粒径小于48μm的小粒径尾砂颗粒均能迁移至尾矿库下游3 000m以外，又因为尾砂中重金属含量较高，大气沉降形式对尾矿库周边造成的环境影响不容忽视。

(3)为了有效减少尾砂扬尘对环境的污染，可在铅锌尾矿库滩面和周围种植植物，一方面可以对重金属进行富集转移，另一方面可以改变大气场的流线分布；同时对尾矿库定期进行洒水，使尾砂的含水率增加，可能使细小的尾砂颗粒发生团聚现象，使尾砂的自重增加，降低起尘率。

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舒小华，博士，主要研究方向为金属矿山尾矿污染治理及修复。

Numerical Simulation of Atmospheric Wind Field of the Tailing Particles in the North Guangxi Lead-zinc Tailing Ponds

AI Tao1,2ZHANG Xuehong1,2SHU Xiaohua1,2LIU Jie1,2

(1.GuangxiKeyLaboratoryofEnvironmentalPollutionControlTheoryandTechnology,GuilinUniversityofTechnologyGuilin,Guangxi541004)

Based on the discrete stochastic trajectory model, the migration trajectory and deposition distance of the lead-zinc tailing particles in the North Guangxi lead-zinc tailing ponds under different atmospheric wind velocity conditions is simulated. The results indicate that the atmospheric wind velocity is proved to have a certain influence on the migration trajectory. The migration distances of the different sizes of particles are very short and the tailing particles can only just reach the outlet of the tailings ponds at the atmospheric wind speed of 0.5 m/s. However, the tailing particles can migrate to the outlet of the computing field within 2 100 s and 1 230 s at the wind speed of 2.0 m/s and 3.5 m/s respectively. In addition, the results also affirm that particle size also has effects on the migration trajectory. Most of the 100 μm and 150 μm tailing particles will be deposited within 800 m and 1 500 m away from the tailing ponds, whereas most of 50 μm tailing particles can migrate more than 3 000 m in the downwind direction of the tailings ponds at the atmospheric wind speed of 3.5 m/s.Key Wordslead and zinc tailing particlesdiscrete stochastic trajectory modelatmospheric wind fieldmigration trajectory

广西科学研究与技术开发重大专项计划(桂科重14124001-4)，“八桂学者”建设工程专项经费资助，广西区重点实验室基金项目(桂科能1401Z005)。

艾涛，男,1990年生，硕士，研究方向为固废污染治理。

2016-03-21)