基于GMS的再生金属项目地下水环境影响预测

徐 敏

（南京伯克利环境修复有限公司 江苏南京 210000）

引言

作为一种重要的钢铁厂含锌废弃物，含锌电炉粉尘具有锌含量高、产量大、有价金属元素多、环境毒性恶劣等特点[1]。含锌粉尘如未得到有效利用，则不仅会引发土壤、水体污染，还会造成电炉粉尘中有价金属元素资源的浪费。

目前应用最广泛的含锌电炉粉尘的处理工艺是威尔兹处理技术，该技术具有处理能力大、技术成熟、经济效益好等优点[2]，Zn 的挥发率可达90%～95%[3]。因此，建设含锌电炉粉尘的处理项目，不仅可以减少对环境的污染，还可以回收有价金属进行再生利用[4][5]。

为了满足市场的需求，许昌市拟新建处理电炉除尘灰项目，该项目采用威尔兹回转窑技术，将电炉除尘灰中的含锌化合物还原为金属锌，再氧化为氧化锌[6][7]。

根据项目工艺设计，可能影响地下水环境的污染源主要为回转窑炉渣冷却环节所使用的循环水，该循环水中污染物主要为回转窑路炉渣中携带Pb、Cr、Cl 等。若发生非正常工况，循环水中的污染物进入含水层中，将会对地下水环境造成严重污染，并会随着地下水迁移。通过建立数值模型，分析突发事故情形下对地下水环境的影响程度，提出有针对性的地下水防护措施，对区域地下水环境保护和管理具有重要意义[8]。

1 工作区概况

1.1 含水层特征

研究区位于淮河流域冲积平原，地下水为松散岩类孔隙水。含水层上部为粉土，夹粗砂、中细砂、粉砂，砂层累计厚度2.5-15m，下部为粉质粘土、粘土。地下水主要赋存在粉土和粉砂中，含水层底板埋深在14.7-18.5m，厚度10.7-15.5m。

地下水的补给来源有大气降水、侧向径流和河流流入补给。研究区浅层地下水流向为自西北向东南。地下水的排泄方式有蒸发排泄、径流排泄。

1.2 污染因子识别

回转窑淬渣环节冷却循环水中污染物主要为回转窑路炉渣灰尘，由于炉渣中含有Pb、Cl 等元素，考虑最不利状况，将毒性最强、超标倍数最多的污染物Pb 作为预测因子，同时选择Cl 作为对比参照因子。

2 数值模型建立

2.1 概念模型

研究区模拟边界为：西部与西南部以河流为界，西北部与东南部以等水头线为界，东部以流线为界，总面积约35.03km2。

模拟区西部与西南部概化为河流边界，可视为一般水头边界；西北部与东南部概化为定水头边界；东部概化为零通量边界。

模型的上边界为自由水面，含水系统通过这个边界与外界进行垂向的水力联系。模型的底部边界是粘性土弱透水层，为零流量边界。

研究区地势平坦，水位变化较缓，浅层地下水平均水力梯度约1.8‰。

依据模拟区的地下水水力特征及水文地质条件，将本次模拟的含水层系统概化为非均质、各向异性、二维稳定地下水流系统。

2.2 地下水流数值模型

以2020 年3 月实际统测的水位观测值作为初始水位。

采用矩形网格进行离散，网格大小为50m×50m，对厂区进行了加密，加密处网格大小为1m×1m。模拟区每层剖分的有效单元格为74146 个，其中有效单元格58018 个。

研究区2019 年降水量为762mm，降水入渗补给系数按照10%计算，则模拟区降水入渗补给量为266.9 万m3/a。

研究区多年平均潜在蒸发量1801.8mm/a，场地水位埋深范围1.5～13.3m，平均埋深6.7m。设置地表最大蒸发量为4.9mm/d，极限蒸发深度为5m，蒸发量由模型根据埋深情况计算。

采用美国Brigham Young University 开发的GMS10.3 软件进行求解[9～11]。

2.3 模型识别验证

考虑地下水流场、地下水均衡变化、水位动态、水文地质参数等[12]方面，采用预估—校正法对模型进行识别和验证。

结合研究区水文地质条件和野外抽水试验的计算结果，将研究区分为3 个区，经过反复调整，识别了各区的水文地质参数（表1）。

表1 水文地质参数分区取值

经过稳定流计算后，得到研究区初始地下水流场分布（图1），从结果来看，模型稳定流场与实际地下水流场拟合较好，说明模型建立符合实际水文地质条件，可利用该模型对地下水进行刻画，进而进行地下水环境影响预测。

图1 研究区调查流场与拟合流场

2.4 地下水溶质运移模型

本次污染物模拟预测过程不考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应[13]，模型中各项参数予以保守性考虑。

由于真实的弥散度较难获得[14]，本次研究参考前人的研究成果，按照偏保守的评价原则，取纵向弥散度值为10m。

应用GMS 中的MT3D 模块来进行溶质运移数值模拟。

3 地下水环境影响预测

3.1 预测情景设计

假设事故工况下，厂区水淬池发生泄漏，泄漏时间为90 d。

根据项目生产工艺，水淬池循环水中污染物主要来自回转窑路炉渣灰尘，由于炉渣中含有Pb、Cl等，评价以最不利状况考虑，回转窑炉渣中易溶离子按100%溶解于循环水中计算，重金属离子参照相关研究成果并按上限值计算，计算得到非正常状况下废水中Pb 和Cl 两种物质浓度分别为2410mg/L 和1550mg/L，泄露量分别为4261g/d 和2740g/d。

本次预测工作总时间定为30a，预测时段分别计算30d、90d、1a、2a、5a、10a、20a、30a。

根据《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017），Pb和Cl 的Ⅲ类标准浓度限值分别为0.01mg/L 和250mg/L，以此作为污染晕形成的边界浓度。

3.2 预测结果

3.2.1 Pb 污染预测结果及评价

Pb 进入地下水中后向下游迁移（表2），20a 时的影响范围仍有5280m2，但此时最大浓度已由90d 时的17.2mg/L 下降至0.31mg/L，预测到30a 时，污染晕前锋迁移距离达到147m，超出厂界约50m。

表2 事故工况下Pb和Cl对含水层的影响范围统计

泄露点下游20m 处在泄露发生90d 时可以监测到污染物，在第3a 时浓度达到最大值2.23mg/L（图2）；下游50m 处在1a 时可以监测到污染物，在第11a时浓度达到最大值0.55mg/L；厂界处在5a 时可以监测到污染物，在第21a 时浓度达到最大值0.22mg/L。

图2 泄漏点下游20m、50m、厂界处的Pb浓度变化

3.2.2 Cl 污染预测结果及评价

Cl 在90d 浓度达到最大值630mg/L（表2），在90d 时影响范围最大，超标面积63m2，此时污染晕前锋顺流向迁移5m，1a 以后，最大浓度降至限值以下。

泄露点下游20m 处在泄露发生90d 时可以监测到污染物，在第3a 时浓度到达最大值44.9mg/L（图3）；下游50m 处在2a 时可以监测到污染物，在第10a时浓度达到最大值11.1mg/L；厂界处在5a 时可以监测到污染物，在第21a 时浓度达到最大值4.5mg/L。

图3 泄漏点下游20m、50m、厂界处的Cl浓度变化

结语

（1）本研究建立了地下水水流模型和溶质运移模型，经过识别和验证，模型的模拟效果较好。依据此模型对某再生金属项目的地下水环境影响进行了预测，根据数值模拟结果，在水淬池发生泄漏情景下，Pb 最大浓度17.2mg/L 出现在90d，预测到30a时，迁移距离达到147m，超出厂界约50m；Cl 在90d浓度最大，最大值为630mg/L，在90d 时影响范围最大，超标面积63m2，此时顺流向迁移5m，1a 以后，最大浓度降至限值以下。在极端不利的状况下，水淬池中的Pb 有可能渗入地下含水层中形成污染，并有可能迁移至厂界以外。

（2）建议企业采取如下措施：源头控制，减少污染物的排放量；加强厂区防渗强度，尤其是水淬池所在区域；定期监测地下水环境质量；制定地下水污染应急响应预案。

（3）在以后的生产研究中，预测污染物浓度时应考虑污染物的化学反应、介质吸附和生物降解作用等，此外还应考虑包气带的吸附及稀释等作用的影响，从而更准确地对地下水环境污染风险进行评估。