基于GMS的某金属尾矿库地下水溶质运移模拟

王英刚, 李小川, 孙宏亮, 陈晓博, 马溶涵, 高 丹

(1. 沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044;2. 生态环境部 环境规划院, 北京 100012; 3. 铁岭市环境保护局, 辽宁 铁岭 112000)

GMS(Groundwater Modeling System)是目前国际上最先进的综合性地下水模拟软件包,其功能强大,几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问题[1-6].随着科学技术的快速发展,GMS版本和功能也进行了升级和完善,其模拟运行的精确度也不断提高[7].目前,国内外已有一些关于运用GMS模拟地下水溶质运移的研究[8-18].

本文研究的铜矿尾矿库于1960年建成并投入使用,1964年进行加高,1985年标高达到225 m(超过设计标高5 m).1985年在此尾矿库上游,距离其初期坝约1 200 m处新建一尾矿库,为Ⅳ等山谷型尾矿库,接替原尾矿库放矿,1998年堆积达到设计标高后闭库.铜尾矿库自1985年超过设计标高后开始对尾矿进行回采,用来充填矿井.截至1998年,已回采大部分尾矿,同时新建尾矿库闭库,尾矿库开始重新接受尾矿,使用至今.尾矿库总库容390×104m3,服务年限12 a.重新启用时,库区底平均标高199.64 m,库区顶平均标高221.46 m,坝体平均高度为34 m,坝底平均宽度为35 m,坝顶平均宽度为150 m.目前,剩余库容120×104m3,服务年限5 a.尾矿库平面布置见图1.

图1 尾矿库平面布置图Fig.1 Layout plan of tailings pond

1 研究区概况

1.1 区域水文地质概况

研究区域如图2所示,尾矿库选矿厂位于辽宁省抚顺市北端清原满族自治县境内,东与吉林省东丰县、梅河口市、柳河县毗邻,南与新宾满族自治县接壤,西与抚顺县、铁岭县交界,北与西丰县、开原市相连.所在区域为低山丘陵区,尾矿库位于一条呈 “V” 字型的山间沟谷内,库区纵深方向近北东向,纵深长度约2 500 m,三面环山,西南面为沟口,库区范围无规划的耕地或居民,但坝下有少量耕地,地势北高南低,并向西南倾斜.

图2 研究区域Fig.2 The study area

该区域属于温带大陆性季风气候,春季少雨多风,夏季热而短,秋季凉爽,冬季寒冷干燥,年平均气温7.6 ℃.降水集中在夏季,年平均降水量837 mm左右.浑河干流流经该区域长204.4 km,流域面积7 353 km2,占全流域面积的63.7%,占该地区总面积的64.8%,上游河床宽度约为130 m;下游河床宽约为153 m.该研究区域的总面积约为4 km2.

1.2 区域工程地质及水文地质条件

矿区地形地貌见图3,区内山脉为长白山山脉向西分支部分,属晚壮年期,以侵蚀下切为主的丘陵-中高山陡坡山岭地形,矿床赋存于辽北太古宙绿岩带中,是我国典型的海底火山喷发-沉积-区域变质形成的块状硫化物矿床,由矽线石黑云母片麻岩、柘榴石、黑云母片麻岩、阳起石黑云母片麻岩、花岗片麻岩等岩石组成.

图3 矿区地形地貌图Fig.3 Topographic map of mining area

本区地下水大致分为第4系冲积层孔隙潜水和前震旦系基岩裂隙水,其中以前者最为重要,是本区较有价值的供水水源.区内“基岩裂隙不大发育,岩石含水性微弱”,故对供水意义不大.

1.3 尾矿库污染状况

矿山附近的某监测井的水样部分检测结果见表1.

表1 某监测井的水样部分检测结果

2 数值模拟及其结果

2.1 地下水流模型

2.1.1 水文地质概念模型

数学模型是在水文地质概念模型的基础上建立起来的.综合搜集区域水文地质资料和现场钻孔资料,以达西定律和渗流连续性方程为基础,将研究区地下水流系统概化为非均质各向异性、空间多层的三维稳定地下水流系统,将模型概化在垂直方向上分为3层:第1层为潜水含水层,该层的主要补给源为降水补给;第2层是隔水层,是由渗透系数较小的黏土、亚黏土构成;第3层为承压含水层.概念建模的方法在水平方向上按2 000 m×2 000 m进行位置校准,区域地下水流方向自北向南.因为研究区域面积较小,所以将模拟区域的边界设置为南部河流为定水头边界,北部为定水头和隔水边界.大气降水是潜水含水层的主要补给源,属于面状入渗垂直补给,由于潜水地下水位较深,故忽略潜水蒸发.

2.1.2 源汇项

(1) 补给项.降水补给是模拟计算区地下水主要补给源,据统计该尾矿库所在区域降水量为837 mm·a-1,平面补给区的入渗速率为4×10-5m·d-1,污染物增强区域的入渗速率达到7×10-5m·d-1.

(2) 排泄项.主要排泄方式为人工开采地下水,将其概化为点状开采强度,其开采量按单井实际开采量计算.

2.1.3 水文地质参数

(1) 渗透系数.通过对尾矿库所属范围内钻孔和现场进行的抽水试验得出潜水含水层和承压含水层的渗透系数为17.28 m·d-1,隔水层渗透系数为8.64×10-6m·d-1.

(2) 孔隙度.将研究区域的土样带到实验室内测得为0.3.

平台中层主要包括各类数据汇总形成的资源层以及根据实际需求进行的模型设置、服务管理设置及大数据分析处理形成的要素层。

(3) 纵向弥散系数及弥散度.多数学者认为弥散系数是由介质的非均匀性引起的[21],其特点是具有明显的尺度效应,即当区域尺度较大时其尺度效益明显.本尾矿库研究区域面积较小,即参考类似条件下的工程取值,纵向弥散系数为10 m2·d-1,体积密度为1 700 kg·m-3.

2.2 数学模型

以达西定律和渗流连续性方程作为基础构建与研究区域地下水流系统概化模型相对应的三维流动系统数学模型为[22]

式中:Kxx,Kyy,Kzz为x,y,z方向渗透系数,m·d-1;H为地下水水头,m;H0为含水层初始水头,m;H1为各层边界水位,m;B1为上游水头己知边界,即第一类边界;B2为下游河流已知边界,即第二类边界;ε为源汇项;μs为含水层给水度;q1为含水层一类边界单位面积过断水面补给流量,m·d-1;Ω为渗流区域;n为渗流区边界的单位外法线方向.

2.3 模型校正识别

模型校正是地下水值模拟中的一个重要环节,只有通过识别和验证的模型才能证明其对地下水系统的模拟是正确的.模型是一个不断反演和实验的过程,通过不断调整水文地质参数,重复计算来拟合各监测孔的实际测量水位,直到模拟结果和实际观测值的误差在精度要求范围内,则可认为模拟结果是正确的.校准目标及误差量级如图4所示.

收集该区域观测井的地下水位高程数据,以2016年3月采集的质量浓度场为初始浓度场,将收集到观测井的地下水位数据导入到MODFLOW模型中,运用软件自动生成具有观测属性的图层进行识别和验证,设置置信区间为±0.5,即计算结果与观测结果误差不超过±0.5视为准确[23].由于所有数据是从2016年3月开始进行整理和模拟,所以采取识别和验证时间为2017年3月,其校核结果见图5和图6,由此可以看出模拟的拟合效果比较理想.

图4 校核目标及误差量级Fig.4 Checking target and error magnitude

图5 部分监测点GMS模拟的效果图Fig.5 Parts of monitoring point of GMS simulation

图6 模拟水位与观测水位对比

2.4 溶质运移模型

根据评价区的实际情况,溶质运移数学模型为[24]

2.5 MT3DMS初始化

把MT3DMS模型进行初始化,然后把污染传输模拟参数导入到MT3DMS模型中,可将该尾矿库场地看做定质量浓度的点污染源,设定时间步长Δt=100 d,应力期7 300 d,模拟污染物从2016年3月份开始进入承压含水层后,第1 a、第2 a、第5 a、第8 a、第10 a、第20 a后的污染迁移距离及影响面积,共模拟20 a,保存并运行模型.运行结果如图7～图12(见封3).

由图7可以看出污染物已经开始向下游迁移,并开始对下游村庄造成一定的污染,质量浓度在1 500～1 750 mg·L-1之间,这与我们2017年3月份检测的结果相吻合.由图8可知,第2 a后污染程度开始加剧,污染物质量浓度不断升高并开始向下游村庄迁移,污染源中心质量浓度接近2 400 mg·L-1,已经严重超标,此时应该及时对地下水给予调查和评估,以免村民饮用该区域地下水对身体健康造成危害.

图9显示第5 a污染物继续向下游迁移,污染面积不断增加,覆盖住了小半个村庄.图10可以看出污染物即将迁移到2#抽水井,即全村重要的饮水源头之一,此时应该给予及时的水样检测,否则容易造成大面积的人口健康疾病.

图11显示第10 a污染物已经迁移到了2#井,模拟结果显示此时井中污染物质量浓度为500 mg·L-1.由图12可以看出,经过20 a的迁移,此时2口水井都已经受到了污染物的污染,而且此时2#井污染物的质量浓度为2 000 mg·L-1,已经不能食用.综合来看,污染物是以近似椭圆形状沿水流方向自北向南扩散,利用构建弧度工具和构建多边形计算出第20 a污染区域面积约为8.47×105m2,向下游扩散长度约1 540 m,尚未污染到河流,故不能影响河流的水质.

3 结 论

(1) 运用GMS软件模拟的结果可以得出尾矿库渗滤液中的污染物随地下水溶质运移情况,通过模型校正调参,其模拟效果较好,反映了关于该区域地下水的一些基本情况,不仅在理论上是合理的,而且在实际模拟过程也是可行的.

(2) 通过对地下水溶质运移的模拟可以看出,第2 a污染物开始污染村庄北部部分区域,此时应提前对该区域进行水质监测,以免部分村民误食水源;第8 a应该给予2#抽水井水质进行全面的监测,从而确定水井是否含有重金属和有害化学物质.

(3) 尾矿库渗滤液中的主要污染物是以分子的形式沿地下水流方向自北向南呈椭圆型扩散.通过模拟结果可以看出污染物的浓度和污染的范围在逐步扩大,逐渐渗入到深层含水层中的污染物,会对地下水产生较大的影响.目前来看,虽暂时未影响到下游抽水井,但是村庄北部部分区域已经存在污染,若不加以控制抽水量,在抽水井附近形成的地下水降落漏斗面积就会进一步扩大,进而改变地下水位的分布,污染物的扩散速度将进一步加剧.

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