基于Visual MODFLOW的西北某铜金属冶炼项目地下水环境影响预测模拟

尹芝华 孙 晖 任 锋 杨 彦 张启军 郝言正

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

随着我国铜金属冶炼行业的快速发展，与之相关的环境隐患问题日渐突出[1]。由于铜金属冶炼技术复杂，污染生产环节较多，废水产生量较大，且含有大量浓度较高的一类重金属污染物，国家相关文件[2-3]均把铜金属冶炼业列为重金属污染防控的重点行业。同时，铜金属冶炼过程还会产生废酸等工艺废水和冶炼水碎渣、制酸系统铅渣、砷渣、废酸处理站的中和渣、石膏渣、脱硫副产物等固体废物[4]。一旦原辅材料、产品、废水和固体废物在贮存、运输、使用和处理等过程中发生泄露，将对土壤和地下水环境造成污染[5]。若地下水环境遭受污染，由于地下水污染治理的长期性、艰巨性，其修复工作困难重重，且耗资巨大[6-7]。因此，有必要深入分析铜冶炼项目在运营期对地下水环境的影响，从而防患于未然。

Visual MODFLOW软件以操作简单、界面友好等优点成为目前国际上先进的地下水渗流和溶质运移的标准可视化专业软件，是由加拿大Water-1oo水文地质公司在原MODFLOW软件的基础上应用可视化技术开发研制的。目前，Visual MODFLOW已广泛应用于模拟地下水污染物运移，以及预测不同管理方案的污染物运移的影响[7-8]。

我国西北某铜金属冶炼厂年处理铜精矿45万t，采用“氧气底吹熔炼+氧气底吹连续吹炼+底吹精炼”三连炉全底吹连续炼铜生产工艺，主体工程主要由熔炼系统、电解系统、净液系统、渣处理系统、制酸系统等组成，主要污染源来自制酸系统的废水处理工序。本次利用Visual MODFLOW软件建立该铜金属冶炼厂区地下水水流及溶质运移数值模型，分析非正常工况废水持续泄露条件下特征污染物对地下水环境的影响，并提出针对性的防控对策，以预防与控制地下水环境恶化，保护地下水资源，降低企业服务期满后的场地修复风险，为类似铜金属冶炼项目环境决策、工程设计和环境管理提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理条件

研究区所在区域地貌类型为山前冲洪积扇，总体地势北高南低，海拔高程为1 020～1 140 m，总体地形较为平坦，地面坡降1.5‰。铜冶炼厂位于山前冲洪积扇中上部，地处中纬度地区，远离海洋，深居内陆，属于半干旱中温带大陆性季风气候，多年平均降水量为305.8 mm(降水主要集中于每年的7～9月)，多年平均蒸发量为2 287.4 mm(蒸发主要发生在每年的4～8月)，多年平均气温6.5 ℃。研究区东侧为季节性河流，河谷平坦，河长115 km，平均比降为6‰，流域面积为2 282 km2，多年平均流量为1.0 m3/s，最终该河流汇入黄河。

1.2 水文地质特征

研究区主要分布第四系松散岩类、单一结构的孔隙潜水以及深部承压水。潜水层岩性主要为粉细砂岩、中砂岩，局部为中粗砂岩，含卵石，夹薄层粉土，水位埋深为3.0～10.85 m，含水层结构松散，渗透良好，水量丰富，含水层厚度大于20 m。承压含水层主要位于淤泥质、粉质黏土层之下，岩性主要为细砂岩和细粉砂岩，含水层厚度为40～60 m，单井涌水量为500～1 000 m3/d，溶解性总固体小于1 000 mg/L，水化学类型以HCO3-Ca·Mg型为主，水质良好。该含水层是研究区内生活用水的主要供水层。

同时，研究区位于区域上的地下水补给- 径流区，主要接受大气降水、地表水和上游含水层的侧向补给，地下水流整体沿北北东向- 南南西向径流，水力坡度为2.5%～3.0%，主要通过地下水开采(生活供水井、农灌井、工业生产井)和侧向径流发生排泄。研究区受季节性开采和上游水体补给作用影响，地下水动态类型为径流- 开采型，地下水水位年际变幅为0.22～1.22 m。

2 地下水数值模拟

2.1 水文地质概念模型

该西北铜金属冶炼厂区位于研究区北部，地形比较平坦。根据水文地质勘察结果，厂区包气带岩性主要为粉土和粉砂土，渗透系数为0.037 06～0.079 66 m/d，其防污能力中等。浅层潜水层埋深4.5 m左右，岩性主要为粉细砂岩和中砂岩，含卵石，局部以粉质黏土为主，含水层厚度约14.4 m。潜水层的相对隔水底板为中更新统、上更新统湖积- 洪积层，岩性主要为黑灰色、青灰色的淤泥质砂黏土夹灰黑色粉细砂岩、粉砂岩，层理清晰，透水性极差，渗透系数小于0.05 m/d，具有极好的隔水性，因此浅层潜水层与下伏承压含水层之间的水力联系较差。埋藏在稳定隔水层之下的地下水为承压水。

研究区西部以河流为天然边界，指定流量边界；东部边界垂直地下水等水位线，指定人为边界、零流量边界；北部边界平行于地下水等水位线，定义为定水头边界；南部边界为断层，阻水性质，定义为零流量边界；上部边界为研究区的潜水面，接受大气降水等补给以及人工开采等排泄方式；下部边界为潜水面以下的厚层淤泥质黏砂土底板，为隔水边界。

综上，研究区地下水系统可概化为各向均质同性、空间多层结构、三维稳定的地下水流系统。

2.2 地下水数学模型

2.2.1 地下水流数学模型

根据水文地质概念模型，用公式(1)来表达研究区地下水流系统。

(1)

式中，Ω表示地下水渗流区域；H为地下水水头，m；S为模型的第二类边界；Γ为模型的第三类边界(混合边界)；Kxx、Kyy、Kzz分别表示x、y、z主方向的渗透系数，m/d；W表示源汇项，包括降水入渗补给、河流入渗补给、井的抽水量等；H0(x,y,z)表示初始地下水水头函数，m，在稳定流里可不考虑；q(x,y,z)为边界单位面积流量函数，m3/d；n为边界S上的外法线方向；h为索取水头边界处水头，m；h0为天然水头，m；C=KA/L(C为流量，m3/d；A为过水断面面积，m2；L为h和h0之间的距离，m)。

2.2.2 地下水溶质迁移数学模型

根据概化结果，用公式(2)来表达研究区地下水溶质迁移数学模型。

(2)

式中，C为地下水中组分的溶解相浓度，mg/L；μ为含水层介质的孔隙度，无量纲；t为时间，d；xi为沿直角坐标系轴向的距离，m；Dij为水动力弥散系数张量，m2/d；vi为孔隙水平均实际流速，m/d；qs为单位体积含水层流量，代表源河汇，m3/d；Cs为源或汇水流中组分的浓度，mg/L；∑Rn为化学反应项，mg/m3·d；Ω为溶质迁移的区域；C0为组分的初始浓度，mg/L；Γ为Neumann边界。

2.3 模型网格剖分及验证

2.3.1 模型网格剖分

Visual MODFLOW模型的网格剖分(空间离散)利用软件的自动离散功能完成。考虑到模拟精度尤其是溶质迁移模型精度的要求，根据模拟区典型水文地质钻孔揭露的地层信息，在垂向上将模拟区剖分为1层，在水平方向上用正交网格剖分为90行×125列的网格，单元格大小为100 m×100 m，模拟区总共剖分为11 250个单元格(图1)。

图1 网格剖分图(黑色为非活动单元格)

2.3.2 水文地质参数确定

根据研究区已有的水文地质资料和水文地质试验，运用PEST模块进行参数分区和优化，最终确定的水文地质参数见表1，模拟区水文地质参数分区如图2所示。

表1 水文地质参数

图2 研究区水文地质参数分区

2.3.3 模型验证

模型验证是建立水文地质数值模型的关键步骤之一。通过模型校正、参数调试等过程，要求所模拟的地下水流场与实际地下水流场基本一致，以客观反映地下水流动的趋势，提高模型的仿真度。

模拟以调查期间的实际枯水期地下水流场作为初始流场，通过进行水文地质参数反演以及边界条件和源汇项的模型识别，得到地下水流场；通过将实际监测的地下水水位与模拟计算得到的地下水水位进行拟合，得到的流场图及水位拟合曲线如图3、图4所示。

图3 模型计算的流场图

图4 水位拟合曲线图

由图3、图4可知，模型计算出的流场与实测的地下水流场基本吻合，证实所建立的地下水流数值模型基本达到精度要求，可运用该模型进行地下水预测。

3 地下水数值模拟预测结果及分析

3.1 预测情景及源强分析

3.1.1 预测情景

根据建设项目工艺分析，本次主要针对铜冶炼厂污酸处理站的污酸中和池防渗系统破裂导致的污酸泄漏事故进行模拟预测。同时，结合《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)，地下水污染源可概化为连续恒定排放、非连续恒定排放以及瞬时排放，考虑实际情况以及不利环境的因素，设定本项目地下水污染源排放方式为非连续恒定排放。因此，预测情景可概化为污酸中和池以非连续恒定排放方式发生泄漏。

3.1.2 预测源强

根据相关研究[9]，一般情况下，当裂缝面积小于总面积的0.3%时，地下水泄漏情况不易发觉。由于废水泄漏量占废水产生量的比例较小，非正常状况不易被发现；同时，根据污酸处理站设备检验以及下游地下水水质监测(逢月)频次，模型试算得到的下游虚拟监测井污染物浓度变化曲线显示，污染物浓度在1个月左右超过了《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中的Ⅲ类标准，表明发生了污染事故。假设从监测污染到采取措施不再发生事故需5 d，那么污染物泄漏时长约为65 d。

污染物泄漏量的计算公式如下：

Q=KIA

(3)

式中，Q为每日渗漏量，m3/d；A为泄露面积，m2；K为天然包气带渗透系数，m/d；I为取值为1，无量纲。

经过计算，每日污酸渗漏量为0.004 5 m3/d。

3.2 预测结果及分析

图5 非正常状况下污染物不同时间污染晕变化

为进一步了解模拟区地下水中污染物浓度随时间的变化情况，在厂区边界和厂区下游敏感点村庄设置两口虚拟浓度观测井，编号分别为CW1和CW2。这两口监测井中污染物浓度随时间变化的情况如图6所示。

4 结束语

基于Visual MODFLOW模型，针对西北某铜金属冶炼厂的污酸中和池泄漏情景，通过地下水环境影响识别、水文地质参数反演、水文地质概念模型的建立，进行地下水环境影响预测模拟。预测结果表明，非正常状况下铜冶炼厂废酸中和池发生泄漏后，电解槽，表明710 mm阳极电解槽稳定性较好，有利于提高电流效率。实际电耗也验证了减少槽干扰后，电解槽的电流效率提高，效率提高降低的电耗抵消了一部分阳极增高导致的压降电耗。

图6 非正常状况下污染物浓度变化历时曲线