库水位对尾矿坝重金属迁移影响的数值模拟分析

罗云，陈红丹，郝喆

（辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036）

0 引言

尾矿库是用以堆存选矿后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿库是众多行业的重要生产设施，在矿山开采后对矿山环境的保护起到非常重要作用[1]。矿产资源开采留下的重金属对矿山周围环境的破坏性极强。重金属在土壤中具有迁移性，且在迁移过程中受多种因素共同影响，如重金属本身的迁移性、雨水的淋滤、地下水的径流和土壤的吸附—沉淀—络合作用等[2]。迁移扩散后的重金属对土壤、地下水及周围环境都会造成一定程度的污染和破坏。地下水受到污染后会限制工业企业的生产速率及效益；同时对农业生产活动也会产生巨大危害；人类健康及正常生产生活将会受到影响和威胁[3]。数值模拟技术的多款软件成为研究地下水污染物流动及迁移规律模拟分析上的主流。在尾矿库重金属对周围环境、地下水的污染影响及其迁移规律方面国内许多学者做出了研究。刘吉炀[4]利用Visual MODFLOW软件建立了湘西某尾矿库水文地质概念模型和地下水渗流模型，对重金属Mn迁移进行数值模拟分析研究，并预测重金属在地下水中的迁移规律；陈戈[5]使用Visual MODFLOW软件建立了地下水重金属Cu迁移数值模型，并分析其迁移规律，对重金属Cu的数值模型的敏感性进行分析；贾慧艳等[6]利用Visual MODFLOW软件建立地下水渗流和弥散模型，对污染物的迁移进行二维模拟分析，预测尾矿库污染物在多年后的含量、空间分布及迁移规律；Loretta Y.Li等[7]使用多组件反应溶解运输模型研究溶解重金属（Cd2+、Pb2+、Cu2+和Zn2+）在受制于两个具有不同 pH 值的浸出物的粘土屏障中的迁移，分析其迁移规律及空间分布；Peter Frolkovič等[8]开发r^3t软件包对地下水中的放射性污染物运输进行模拟；S.M.A.Banaei等[9]建立二维数值模型考虑在吸附、阻滞和挥发对污染物的影响下，同时地下水流动和污染物在多孔介质中运移；B.O.Tsydenov[10]介绍了贝加尔湖塞伦加浅水区污染物运输的数学模拟结果，分析不同情景下污染物的空间分布。

目前，研究尾矿库重金属在尾矿坝库水位改变条件下迁移规律的数值模拟较少。本文以某尾矿库重金属Cu2+为例，利用Geostudio软件的SEEP/W和CTRAN/W两个模块，开展不同水位标高下的重金属污染物迁移的数值模拟，研究不同库水位下的重金属随地下水规律。

1 研究区域概况及方法

1.1 现场概况

某尾矿库位于辽宁省本溪市溪湖区，属二等山谷型尾矿库。占地面积1.62km2，汇水面积1.56km2，水域面积15万m2，调洪库容56万m2，尾矿库现库容量约为1亿m3。尾矿库初期坝为透水堆石坝，初期坝坝顶标高为191.9m，坝底标高180.0m，相对高度11.9m，顶宽4.0m，坝长410.0m。尾矿库的主坝尾矿堆积，坝顶标高为280.0m，坝库坝底标高180m，主坝高度差约为100m，坝顶坝长约为1600m。

歪头山年平均降雨量为440mm，地下水多由大气降雨补给，地下水的水位高度受大气降水影响。当尾矿库堆积到主坝达到280m终期标高时，其正常生产水位达275m。

1.2 研究内容及方法

运用Geostudio软件模拟，通过设置不同的库区水位，分析Cu2+迁移规律。利用Geostudio软件的SEEP/W模块进行稳态渗流计算，设置不同高度的库水位，得到稳态渗流结果；在稳态渗流模型的基础上利用CTRAN/W模块赋予模型Cu2+浓度边界得出对流—弥散模型，通过计算重金属Cu2+的对流—弥散过程，分析计算出重金属浓度等势图、粒子路径迁移图，得到不同库水位下Cu2+的迁移情况，最终通过分析对比得出Cu2+的迁移规律。

2 基础原理及计算模型

2.1 渗流及对流弥散原理

尾矿库重金属在淋溶作用下向下迁移，随着尾矿库流体的渗流作用发生对流—弥散迁移。

污染物的迁移机理受到对流—弥散、吸附—沉淀、解吸、络合、生物降解等作用。本文考虑重金属的对流—弥散迁移，不考虑其他因素的作用。对流—弥散作用分为对流和弥散两种，对流是土壤中污染物跟随土壤溶液迁移；弥散是由土壤中污染物浓度差引起污染物的迁移，此时污染物的迁移分为分子扩散和机械弥散[11]。两种作用并称之为水动力弥散作用；把分子扩散系数和机械弥散系数叠加起来称之为水动力弥散系数[12]。

其方程如下：

式中：Dx为横向弥散系数；Dy为纵向弥散系数；C为污染物浓度。

2.2 研究区域计算模型

根据尾矿库的结构，选取初期坝到堆积坝全长的495m区域，建立尾矿库概化计算模型及网格剖分图。剖面底面标高为180m，顶部标高为280m，全长495m。共11级坡级。如图1所示。

图1 尾矿库概化计算模型

2.3 材料参数

根据对歪头山铁矿尾矿库的实地勘察，区域尾矿库土壤质地包含尾细砂、尾粉砂、尾粉质粘土、基岩四种土层。每种土层所对应的渗透系数不同，横纵弥散度也有差异。每个土层内部将其渗透系数视为不变的常量。构建稳态渗流模型时，赋予初期坝、尾细砂、尾粉砂、尾粉质粘土的材料参数为饱和/不饱和模型，分别对应不同水土特征曲线，基岩则为饱和模型；构建对流—弥散模型时，输入各土层所对应横纵弥散度赋予不同土层材料参数。

表1 各土层水文地质参数

2.4 初始及边界条件

尾矿库重金属初始浓度为0.05kg/m3，饱和土单位体积含水量为0.35m3/m3。在稳态渗流模拟中边界条件有上游水头、下游水头、零流量边界、排水边界。上、下游水头根据上游库区水位及下游实测水位标高获得。零流量边界来自于降雨入渗将其视为总水头的水量交换边界处理。排水边界位于初期坝下游边界。在对流弥散模拟中污染物浓度边界设于稳态渗流中上游水头位置。

3 结果分析

库水位高度不同，地下水在尾矿库中的分布情况也会不同，因此重金属随地下水迁移的距离、速度会有差异。以275m尾矿库设计水位为基础，并分别设置库水位的对照标高270、260、250m，观察不同库水位下重金属Cu2+的迁移情况，分析其迁移规律。

3.1 稳态渗流分析及Cu2+对流-弥散迁移规律

在库水位为275m高度下，利用尾矿库概化模型进行稳态渗流计算，如图2、图3。

图2 孔隙水压力等势图

图3 体积含水率

在库水位为275m时，尾矿库内各孔隙水压力等值线达到最高位置，库内各区域孔隙水压力将达到最大；整个尾矿库内含水量也达到最高。当库水位降低，孔隙水压力等势图中各等值线均下移，各区域孔隙水压力减小，体积含水率也减小。

图4和图5为在275m库水位下，重金属Cu2+的浓度等势图和Cu2+路径迁移图。

根据图4，重金属Cu2+在空间上发生向下游初期坝的横纵迁移，浓度等势图中颜色由深到浅表示Cu2+浓度由大到小，蓝色代表重金属Cu2+的浓度＜0.01kg/m3，红色代表浓度＞0.04kg/m3的重金属Cu2+。

表2为图4垂直剖面上各Cu2+的迁移情况。

图4 5a 重金属Cu2+浓度等势图

结合表2和图5，垂直剖面上从上至下Cu2+的横向迁移距离逐渐增大，Cu2+纵向迁移距离逐渐减小，且Cu2+的平均迁移速度逐渐增大。由此可知，尾矿库垂直剖面上Cu2+在空间上发生横纵迁移，且当尾矿库深度增加，Cu2+的横向迁移距离、平均迁移速度均增大，其纵向迁移距离减小。在尾矿库中，重金属Cu2+的横向迁移能力大于其纵向迁移能力。通过模拟，随着Cu2+的迁移，其迁移速度会不断增大，预计在7～7.5a即可达到初期坝。随着Cu2+的向前迁移，剖面上各Cu2+的浓度会不断减小，但由于尾矿库不断堆积，尾矿库中重金属浓度得到补给，剖面上各Cu2+浓度又会逐渐增大。尾矿库中各Cu2+在相同时间内横纵迁移距离将达到最大，平均迁移速度达到最快，Cu2+迁移到达初期坝所需时间最短。

图5 0～5aCu2+迁移路径图

图6 0～5aCu2+迁移路径图（270m）

表2 库水位为275m时各Cu2+迁移情况表

图7 0～5aCu2+迁移路径图（260m）

3.2 不同库水位下重金属Cu2+的迁移规律分析

图6～图8是库水位分别为270、260、250m时，Cu2+的迁移情况。

图8 0～5aCu2+迁移路径图（250m）

根据以上各Cu2+路径迁移图可知，在不同库水位下，重金属Cu2+迁移距离明显不同。当库水位发生变化后，尾矿库中的某些部分地下水流动路径发生改变，因此部分重金属Cu2+的迁移路径同时发生改变。

表3是模型右边界495m处，垂直剖面上迁移方向相同的Cu2+在不同库水位下0～5a的迁移距离、迁移速度对比表。

根据表3各库水位下各组数据绘制图9～图11。结合表3和图9可知，随着库水位的降低，垂直剖面上同一Cu2+横向迁移距离减小。由此可知，当库水位升高，剖面上相同粒子的横向迁移距离增大；即尾矿库库水位越高，重金属Cu2+的横向迁移能力越大。由图9三条曲线倾斜程度可知，库水位越高，垂直剖面上，下层Cu2+横向迁移距离同比增大率越大。

图9 Cu2+横向迁移距离对比图

图10 Cu2+纵向迁移距离对比图

图11 Cu2+迁移平均迁移速度对比图

结合表3和图10可知，随着库水位降低，垂直剖面上同一Cu2+纵向迁移距离减小。由此可知，尾矿库库水位越高，垂直剖面上相同粒子的纵向迁移距离越大：即库水位升高，剖面上Cu2+的纵向迁移能力增大。根据该组数据的特征及图10可知，库水位变化对尾矿库上层重金属Cu2+的纵向迁移距离影响较大，当库水位升高时，位于尾矿库上层Cu2+的纵向迁移距离增大较为明显，下层Cu2+的纵向迁移距离变化较小；根据图10三条曲线的倾斜程度可知，库水位越高，垂直剖面上，上层Cu2+的纵向迁移距离同比增大率越大。

表3 不同库水位下各Cu2+0～5a迁移距离、速度对比表

结合表3和图11可知，随着库水位降低，垂直剖面上同一Cu2+平均迁移速度减小。由此可知，当尾矿库库水位升高，尾矿库重金属Cu2+的迁移速度同比增大。根据图11三条曲线的倾斜程度可知，尾矿库库水位每升高10m，剖面上各Cu2+的平均速度同比增大程度几乎相同，即尾矿库库水位越高，剖面Cu2+迁移速度越大；每升高10m，剖面上Cu2+的迁移速度增长率几乎相同。

综上，该尾矿库在设计水位275m时，Cu2+在相同时间内的横纵迁移距离最大，平均迁移速度最快，迁移到达初期坝所用时间最短，所用时间大概为7～7.5a。库水位275m以下，库水位升高，尾矿库剖面Cu2+的横向迁移距离同比增大，且库水位越高，对尾矿库下层Cu2+的横向迁移距离影响越明显；同样，当库水位升高，Cu2+的纵向迁移距同比增大，且库水位越高，对尾矿库上层Cu2+的纵向迁移距离影响越明显；当库水位升高，垂直剖面Cu2+的迁移速度也同比增大，每升高10m，Cu2+迁移速度的增长率几乎相同。通过计算模型模拟可知，当库水位为270m时，重金属Cu2+迁移到达初期坝土壤表层的时间为7.5a；当库水位为260m时；其迁移时间为8.5a；当库水位为250m时，其迁移时间为9.5a；即当库水位每升高10m，尾矿库重金属Cu2+迁移时间加快1a。

4 结论

（1）重金属在空间上随地下水发生沿初期坝方向的横向和纵向的迁移。且尾矿库中的重金属离子在横向上的迁移能力要比纵向上的迁移能力大。

（2）剖面上各粒子浓度随着迁移逐渐减小，当尾矿库不断堆积，粒子浓度得到补给，尾矿库重金属浓度又会逐渐增大。

（3）尾矿库重金属离子的迁移速度与其库水位呈正相关。库水位越高，剖面上同一离子在横纵向上的迁移距离、速度越大，到达初期坝的时间越短。库水位每升高10m，粒子的迁移速度变化率大致相同，且其迁移到达初期坝的时间各加快1a。

（4）当库水位达到尾矿库的最大设计水位标高时，重金属Cu2+的迁移速度最快，在7～7.5a，重金属离子即可迁移到达初期坝。