某磷石膏库水量平衡分析方法研究

周自伟 李世吉

（1.云南磷化集团海口磷业有限公司；2.西双版纳职业技术学院）

磷石膏是磷肥工业生产过程中副产的固体废弃物，每生产1 t磷酸副产5 t磷石膏［1］。磷石膏主要成分是二水硫酸钙，其含量高达90%以上。随着经济增长，我国磷肥工业快速发展，磷石膏产量随之迅猛增加。2000年我国磷石膏年产量1 000万t［2］，2015年达到峰值后，基本稳定在7 800万t左右。根据2004年资料，全世界每年磷石膏的排放量高达1.1～1.3亿t。然而，磷石膏利用率并不高，全世界磷石膏利用率仅4.1%～4.5%。我国磷石膏利用率逐年保持增长态势，目前已超过40%，堆存量仍然非常之大。大量磷石膏的堆存对社会安全和环境影响日趋严重。

按照我国《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》（GB 5086—2002）和GB 5086鉴定标准，磷石膏属于第Ⅱ类一般工业固体废物。从环评、设计及运行管理，磷石膏库一直坚持渗滤液及含污雨水收集处理后全部回用的原则，其水量平衡分析与控制显得尤其重要。近年，一些学者对磷石膏堆场酸性工艺水渗漏［3］及渗滤液产量［4］都做了比较深入的研究，是磷石膏库水量平衡研究很好的参考和借鉴。

磷石膏库的水量分布及循环规律受气候、地质及磷石膏库构造等很多因素影响，量化起来非常复杂，为实际操作和控制带来难度。本研究结合某磷石膏库建设和运行实践，分别针对多年、逐月及24 h水量平衡分析方法进行归纳总结。这些方法虽然遵循基本水量平衡规律，但每种计算分析方法都解决不同的技术问题。

1 磷石膏库水量分布与基本平衡公式

除了个别利用露天废弃采坑、凹地贮存磷石膏外，磷石膏库一般都通过堆筑磷石膏坝来贮存磷石膏。根据磷石膏输送至磷石膏库时的含水量大小，又分为湿法堆存和干法堆存。为保障磷石膏的安全，防止洪水漫坝，都设置了防排洪设施。为防止短历时暴雨携带酸性工艺水外泄，磷石膏坝的下游设置了调解回水池。当磷石膏库上游汇水面积较大时，库区周边设置截水沟，进行清污分流，以保障实现水量平衡。

2008年，储学群等提出磷石膏堆场盈亏水量计算公式［5］，为当前国内磷石膏等工业固废堆场普遍采用的计算方法。为便于理解和计算分析，本研究在算法上进行适当调整，其水量分布及循环情况如图1所示，基本平衡公式如下。

式（1）中各物理量的意义如下。

（1）降雨量（Wj）。降雨量根据不同的历时进行计算，有些学者将降雨量分为径流和渗流，这为无疑为计算分析增加了很大的难度，在工程实践中意义不是太大。

（2）磷石膏渣浆含水量（Ww）。磷石膏渣浆含水量为磷石膏输送至磷石膏库的过程中所含水量，根据生产工艺条件，每年磷石膏渣浆排放总量为600万t，渣浆浓度为27.0%，磷石膏渣浆含水量为1 622.22万m3/a。

（3）蒸发量（Wz）。蒸发量包括水面蒸发量和土壤蒸发量，水面蒸发量根据地方水文资料和水面面积计算。土壤蒸发量受气候、土壤类别以及植被覆盖等影响很大。

（4）回水量（Wh）。回水量包括收集的渗滤液、渣浆澄清水以及设计防洪标准内的调蓄洪水，以调节回水池回水泵站输送量为准。

（5）孔隙滞留水量（Wk）。磷石膏堆积体内的孔隙会滞留大量的水，包括部分渣浆含水和降雨入渗。孔隙滞留水量并不稳定，会随着库内水位上升增加，随着库内水位下降、磷石膏固结以及土壤蒸发逐渐减少。本项目仅研究运行中的磷石膏库，依据勘察资料取新近堆积磷石膏含水率平均值26.5%，孔隙滞留水量159.00万m3/a。

渗滤量为磷石膏堆积体内渗出的工业废水，其中包括部分渣浆含水和降雨入渗。渗滤量的计算方法已有较多的研究，但由于现场磷石膏沉积和固结情况复杂，很难准确计算。设计阶段往往通过三维数值模拟进行确定，与实际运行情况相比出入很大。尤其是到底有多少渣浆澄清水通过库内回水设施导流至调节回水池，目前没有任何计算方法。因此，本研究将渗滤液、渣浆澄清水以及设计防洪标准内的调蓄洪水合并，这也有利于计算分析和实践验证。

虽然磷石膏库总的汇水面积都不会太大，但一些沟谷在建库之前是有基流的。在有基流的情况下，建库时往往会进行地下水导排和防渗处理。当前国内磷石膏等工业固废堆场普遍采用的水量平衡公式都没有考虑基流，也没有考虑缺陷渗漏。在工程措施完备的情况下，基流和缺陷渗漏是可以忽略的。以上所有进入磷石膏库的水量减去流出水量后即为盈亏水量ΔW，盈余为正，亏损为负。

2 年水量平衡分析

年水量平衡分析有2种方法对应2个目的，计算历时均为1 a。首先，是为更好实现项目整个生命周期内的节水与环保，采用多年水量平衡确定磷石膏库的年回水量，为厂区供水提供依据。其次，按历史最大年降雨量和截水沟标高以下库区面积，计算调节回水池最大蓄水量［6］。

2.1 年回水量

当地近30 a年平均降雨量861 mm。截水沟过流断面按50 a一遇洪水重现期的防洪标准设计［6］，常年洪水不会进入磷石膏库，取截水沟标高以下汇水面积2.418 km2，计算降雨量Wj=0.1×861×2.418=208.19万m3。

当地近30 a年平均蒸发量为1 885 mm。水面面积为0.431 km2，包括正常运行库内澄清水域面积和调节回水池正常运行水面面积之和。水下磷石膏平均含水率为31%，水上磷石膏平均含水率为22%，土壤日蒸发量取2.1 mm［7］。土壤蒸发计算面积为1.987 km2，为截水沟标高以下汇水面积减去水面面积。年蒸发量Wz=0.1×(1885×0.431+2.1×1.987×365)=233.55万m3。

假设磷石膏库运行期水量正好平衡，即盈亏水量为零，则每年回水量Wh=1 622.22+208.19-233.55-159.00=1 437.86（万m3）。

多年水量平衡分析结果如图1所示，显然回水量小于渣浆含水量，说明磷石膏库可以实现污水零排放，但厂区需要补充用水量。

2.2 调节回水池最大蓄水量

当地历史最大年降雨量为1 144 mm，降雨量Wj=0.1×1144×2.418=276.62（万m3），其中汇水面积同前。水面增发量按最不利情况取最小值1 561 mm，则水面蒸发量为67.28万m3，蒸发量为219.58万m3，汇水面积和土壤蒸发量同前。磷石膏渣浆含水量、蒸发量、回水量及孔隙滞留水量同前，由式（1）计算 盈 亏 水 量ΔW=1 622.22+276.62-219.58-1437.86-159.00=82.40（万m3），按照这种方法确定的调节回水池最大蓄水量则为82.40万m3。

3 月水量平衡分析

由于降雨量和增发量在全年每个月都不一样，尤其是降雨量在汛期和枯水期相差极大，那么月水量平衡是确定调节回水池容积的又一种方法。该方法计算历时1个月，逐月计算分析，最大累计盈余量即调节回水池最大蓄水量。

首先，根据当地气象站提供的降雨量和蒸发量月分配系数，计算逐月降雨量和蒸发量，其中年降雨量和蒸发量同前，见表1第2～5列。其次，由当地逐月降雨量和蒸发量分别计算磷石膏库的逐月降雨量和蒸发量，其中计算面积同前，见表1第5、6列。最后，假设每月磷石膏渣浆含水量和回水量平均分配，其中年磷石膏渣浆含水量和年回水量同前，则可按照式（1）计算逐月盈亏平衡量，见表1第7列。

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综上可知，可以得到最大累计盈余量为76.21万m3，为5—11月，由此确定调节回水池最大蓄水量为76.21万m3。

4 日水量平衡分析

日水量平衡分析也是2种方法对应2个目的，计算历时一般均为24 h。首先，由于极端天气的降雨呈偏态部分，导致24 h洪峰流量和洪水总量均非常大，为保障坝体安全，需要进行库内日水量平衡分析［6］，确保防排洪设施的防排洪能力满足技术标准的要求。其次，按设计洪水标准和截水沟标高以下库区面积计算的2次24 h洪水之和确定调节回水池容积［6］。

4.1 库内防排洪调洪演算

磷石膏库防排洪调洪演算与尾矿库相同［6］，所采用的水量平衡公式［6］如下。

因此，由于防排洪调洪演算历时仅24 h，式（2）与式（1）相比，仅有暴雨径流水量，其余水量没有计入。另外，磷石膏库防洪标准高于截水沟的防洪标准，汇水面积为能汇集到防排洪设施入水口的所有汇水面积，包含截洪沟以上部分。

磷石膏库防排洪调洪演算采用牛顿迭代法［8］，调洪演算水量平衡如图3所示。前期洪水流量大于泄流量，盈亏量为正，累计盈余量即为调洪库容。后期洪水流量小于泄流量，盈亏量为负，累计盈亏量等于累计盈余量。调洪全过程保持水量平衡。

4.2 调节回水池容积确定

由24 h洪水总量确定调节回水池容积时，按设计洪水标准和截水沟标高以下库区面积计算24 h洪水总量。设计防洪标准同4.1节，汇水面积同2.1节。与库内调洪演算一样，这种方法也仅计算暴雨径流水量，其余水量没有计入。由于入渗部分在24 h内渗出量很少，洪水总量计算应乘以24 h径流系数。24 h洪水总量为46.60万m3，用这种方法确定的调节回水池容积不小于93.21万m3。

5 结语

（1）多年水量平衡确定磷石膏库的年回水量，为企业项目建设提供依据，同时为企业节能和环保提供重要的技术保障。

（2）年水量平衡确定调节回水池最大蓄水量，主要考虑当地历史最大年降雨量。年蒸发量取历史最小值，提高了保障系数。

（3）月水量平衡是确定调节回水池容积的又一种方法，考虑了汛期集中降雨的情况。

（4）库内防排洪调洪演算是论证防排洪设施的防排洪能力是否满足技术标准的要求。本研究也重点分析了调洪演算中水量平衡公式与以往水量平衡公式之间的异同。

（5）由24 h洪水总量确定调节回水池容积，调洪演算一样，也仅计算暴雨径流水量，其余水量没有计入。

（6）不同的分析方法解决不同的问题。尤其是调节回水池容积的确定就采用了3种方法，3种方法的主要影响因素是不一样的。针对不同气候、地质条件及磷石膏库构造特点，每种方法都值得高度重视。本水量平衡分析方法也可推广至尾矿库以及其他固废堆场，当然，还需根据相应的技术标准进行调整。本研究在土壤蒸发、渗流等方面的研究尚且不足，而这些在水量平衡中的影响不容忽视。