本达铁矿尾矿库对下游地下水与地表水环境影响研究

(辽宁省冶金地质勘查研究院有限责任公司，辽宁 鞍山 114038)

20世纪80年代以来，中国矿业开发行业高速扩张，与此相应，各种类型的矿业废弃地数量大幅增加。其中，尾矿库作为对周边环境安全有重要影响的一种类型，日益引起人们的关注[1]。尾矿库是各种复杂反应的集合体，在其里面可能发生各种复杂的物理、化学生物以及地球化学反应[2]。尾矿库在运行期间，坝基和坝身都可能存在一定的渗漏问题。渗透水在坝前天然冲沟处汇合为一体向下游流去。废水中的污染物质通过排水渠中的土层渗入地下水中，对地下水可能产生污染[3,4]。水质超标的项目一般有重金属离子、硫化物、有机药剂、氰化物、氟化物及放射性等[5]。

图1 野外监测点布置图

本次研究中，本达铁矿尾矿库可能对地下水环境造成污染的污染源即为尾矿库排放的污水。对尾矿库排污口处排出污水进行现场调查发现，尾矿库排出污水呈黄褐色，浑浊度1.05 NTU，pH值为7.13，根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，污水中硫酸盐浓度出现明显超标现象。尾矿库排出污水除进入集水池中加以循环利用外，有部分污水向下游河水中泄露，排出污水以333.60 m3/d的流量直接排入下游河水中。下游地区地下水受河水补给，地表水与地下水联系较密切，易受排出污水污染。综上，尾矿库下游地下水与地表水均存在受到污染的可能性。针对这一现状，本次通过野外调查采样与室内水化学分析等方法，对尾矿库下游地下水与地表水环境进行现状评价与预测分析。

1 野外调查采样与室内水化学分析方法

1.1 野外监测点布设

本次地下水与地表水环境的重点监测范围为尾矿库场地内及其两侧、下游的地下水与地表水，区域地下水监测点作为本次现状评价的背景值。监测点的布设情况见图1。

其中，1号监测点为尾矿库建设场地内地下水监测井；2、3、4号监测点为尾矿库下游地区地下水监测井；5、6、7号监测点为地下水水质背景值监测井(对照井)；8号监测点为尾矿库排污口水质监测点；9号监测点为尾矿库上游地表水监测点；10号监测点为尾矿库下游地表水监测点。

表1 样品采样工作量与测试项目一览表

1.2 水样采集与水质检测

根据《地下水环境监测技术规范》(HJ/T164-2004)，取样深度为地下水水面0.5 m以下，地下水取样时先用所采的地下水样将样瓶进行冲洗，采取2.5 L水样，采样后按要求进行密封，并贴好标签，及时送达实验室。

监测与评价项目确定的主要依据如下：

(1)参照《地下水环境监测技术规范》(HJ/T164-2004)必测项目；

(2)从《地下水质量标准》(GB/T 14848-1993)中选择地下水的监测评价项目；

采样工作量和测试项目一览表见下表1。

2 尾矿库下游地表水与地下水现状评价

2.1 尾矿库下游地表水水质现状评价

根据尾矿库上游与下游地表水现状监测水质分析结果(详见表2)，本次监测各项指标均未出现水质超标现象(参照《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006)。其中，上下游地表水中硫酸盐浓度相差较大，下游河水中硫酸盐浓度为上游的2.2倍。因此，我们可以断定尾矿库下游河水已经受到尾矿库排出污水的影响，但以目前污水排放程度，并未对河水造成污染。

2.2 尾矿库下游地下水水质现状评价

根据尾矿库及其周边区域地下水现状监测水质分析结果(详见表2)，对调查区地下水水质进行统计分析，如表3。

表2 水质分析成果表

从表3中可以看出，地下水中大部分水质指标变异系数均小于0.5，区域变幅较小，表明地下水中大多数元素分布比较均匀。只有铁、硫酸盐、氨氮、亚硝酸盐氮变异系数大于0.5，根据表2可以发现四类指标的最大值均出现在尾矿库建设场地及其两侧、下游地区，表明该区域范围内地下水已经受到一定程度的影响。

对于硫酸盐，考虑到污染源中主要污染物质为硫酸盐，且尾矿库两侧与下游地区地下水中硫酸盐含量明显高于区域值，可以认为尾矿库两侧与下游地区地下水中硫酸盐浓度偏高与尾矿库的污水排放有直接关系，且从表2中可以看出，下游地区的地下水受到的影响更大。

对于亚硝酸盐氮，变异系数的偏大是由于尾矿库建设场地内与下游地下水中浓度较高造成，从表2中可以看出，只有与尾矿库最近的观测井中浓度较高，下游其余观测井中地下水均无异常。

对于氨氮与铁，变异系数的偏大主要是由于尾矿库建设场地内地下水中浓度较高造成，其下游地区观测井中地下水均无异常。

本次对评估区地下水水质的定量评价采用标准指数法，水质标准采用《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006。根据水质检测结果(即表2)，各项指标均满足《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006水质标准。

综上所述，地下水环境现状监测表明，尾矿库建设场地内及其下游地区地下水均受到一定程度的影响，影响因子主要为硫酸盐、亚硝酸盐氮、铁与氨氮。其中，硫酸盐影响最为明显，亚硝酸盐氮次之，铁与氨氮的影响范围只限于尾矿库建设场地内。根据《生活饮用水卫生标准》GB5749-2006，目前区内地下水质量均满足其标准。

3 尾矿库下游地表水与地下水水质预测

3.1 尾矿库下游地表水水质预测

本次调查发现，尾矿库对地下水污染的主要途径为直接排入下游河水中与河水混合后，再侧向渗透到两侧地下水中。因此，我们首先对污染物排入河水后的充分混合段硫酸盐浓度进行预测。根据《环境影响评价技术导则 地面水环境》(HJ/T2.3-93)中河流完全混合模型，对持久性污染物与河流充分混合后浓度计算公式如(1)式。

CH=(CPQP+ChQh)/(QP+Qh)

(1)

式中：CH表示河流充分混合段硫酸盐浓度(mg/L);Cp表示污染物排放浓度(mg/L);Ch表示河流上游污染物浓度(mg/L);Qp表示尾矿污水向河水排入量(m3/d);Qh表示河流流量(m3/d)。

由(2)式计算得，污染物与河水充分混合段硫酸盐浓度CH计算如表4。

根据本次在尾矿库下游河水中取得水样(10号水样)的水化学检测结果，本模型计算结果与实测结果误差为7.97%，因此可以采用本模型对尾矿污水排放量增大情况下，尾矿库下游河水硫酸盐浓度进行预测。

考虑尾矿库在未来服务年限中尾矿排水将会增大，分别对1.5Qp与2Qp情况下尾矿库下游河水中硫酸盐浓度进行预测如表5。

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中III类水质标准，硫酸盐浓度标准限值为250 mg/L。从表5中可以看出，当尾矿库污水向河水排入量大于740 m3/d时，硫酸盐的排入量将超过河水的自净能力。

表3 地下水水质统计分析表

说明：如水质指标浓度低于仪器最低检测限，则采用仪器最低检测限值代替

表4 充分混合段硫酸盐浓度计算表

表5 尾矿库下游河水硫酸盐浓度预测表

3.2 尾矿库下游地下水水质预测

本次对铁矿新建尾矿库下游地下水水质预测主要针对其下游河流南岸的4号监测井。考虑到4号监测点所处位置为河流与污水的充分混合段南岸，因此可以选取该混合段中距4号监测点最近的一小段作为河水向岸边渗透补给的定浓度边界，并且在短时间内该补给可视为一维稳定补给。同时，介于选取的定浓度边界长度远小于河岸的宽度，因此我们可以采用一维半无限长多孔介质柱体，一端为定浓度边界的水动力弥散模型来刻画这一问题，其解析解表达式为(2)式。

(2)

式中：x表示4号监测点距河水的距离(m)；t表示时间(d)；C表示t时刻4号监测点的硫酸盐浓度(mg/L)；CH表示充分混合段的硫酸盐浓度(mg/L)；u表示地下水流速(m/d)；DL表示纵向弥散系数(m2/d)；erfc()为余误差函数。

由于预测目标为现状条件下，针对河水中不同污水排入量来计算4号监测点中地下水硫酸盐浓度，因此在本次预测计算中参数x、t、u、DL均为常数，故(2)式可简化为(3)式。

(3)

式中：constant表示常数。

与前文中选取的尾矿库对河水的污水排入量相对应，分别计算在污水排入量为1.5Qp与2Qp情况下，尾矿库下游地下水(4号监测点)中硫酸盐浓度如表6。

表6 尾矿库下游地下水硫酸盐浓度计算表

说明：Qmax2=688.25 m3/d。

根据《地下水质量标准》(GB14848-1993)中III类水质标准，硫酸盐浓度标准限值为250 mg/L。从表6中可以看出，当尾矿库污水向河水排入量大于688.25 m3/d时，硫酸盐的排入量将超过尾矿库下游地下水的自净能力。

4 结语

(1)尾矿库下游地表水与地下水水质现状监测表明，尾矿库下游地表水已经受到尾矿库排出污水的影响，影响因子主要为硫酸盐，但尚对下游地表水水质造成污染。尾矿库建设场地内及其两侧、下游地区地下水均受到尾矿库的影响，影响因子主要为硫酸盐、亚硝酸盐氮、铁与氨氮。其中，硫酸盐影响最为明显，亚硝酸盐氮次之，铁与氨氮的影响范围只限于尾矿库建设场地内。根据《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)，目前下游地下水质量均满足其标准。

(2)尾矿库下游地表水与地下水水质预测评价结果表明，当尾矿库向下游河水中排入污水量大于688.25 m3/d时，其下游地下水将超出《地下水质量标准》III类水质标准；当尾矿库向下游河水中排入污水量大于740 m3/d时，其下游河水中硫酸盐浓度将超出《地表水环境质量标准》III类水质标准，同时尾矿库下游地下水也将超出《地下水质量标准》III类水质标准。

[1]汪建, 李晓明. 我国尾矿库污染综合防治研究现状[J]. 黑龙江: 黑龙江科技信息.2012(3).

[2]孙胜, 陈松. 尾矿库污染物传递过程的数值仿真研究及其试验[J]. 湖南: 铁道科学与工程学报. 2012.9(1).

[3]周建中. 利用点源分析模式筛选矿山废水中的有毒有害物质[J]. 安徽: 矿业快报.

[4]王凤江, 王来贵. 尾矿库灾害及其工程整治[J]. 北京: 中国地质灾害与防治学报[J].2003(9):76-79.

[5]刘培云.尾矿库水环境处理与应急措施研究[J].河南: 河南科学[J].2011.29(8).