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本文作者：鄧鼎興1，2作者單位：1中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院2福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)試驗(yàn)室

地下水與地表水水質(zhì)現(xiàn)狀

1地表水水質(zhì)現(xiàn)狀

本次在溪溝中采取了控制性水點(diǎn)的3組能較好控制模擬區(qū)范圍的地表水進(jìn)行分析測(cè)試，地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)進(jìn)行。采取的地表水樣基本能達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ～Ⅱ類地表水標(biāo)準(zhǔn)。SO42－和NH4+含量的均值分別為10mg/L與0.15mg/L。

2地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

模擬區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)采用現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848－1993)中規(guī)定的單項(xiàng)評(píng)價(jià)的方法，地下水各單項(xiàng)指標(biāo)中大部分均達(dá)到Ⅰ～Ⅱ類地下水標(biāo)準(zhǔn)，僅鐵與氨氮含量達(dá)到Ⅲ～Ⅳ類地下水標(biāo)準(zhǔn)。SO42－和NH4+含量的均值分別為22mg/L與0.21mg/L。

模型建立與校驗(yàn)

本次數(shù)值計(jì)算采用的軟件是有限單元法的FEFLOW軟件。選取地下水環(huán)境較敏感的具代表性的、典型的水文地質(zhì)單元作為模擬區(qū)(如圖1)。

1模型建立

1）概念模型

概念模型中的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)的失?。?］，因此要建立正確的概念模型。(1)模擬對(duì)象概化模擬區(qū)地下水類型主要分為松散巖類孔隙水和基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水。天然條件下，地下水自山區(qū)向溝谷區(qū)徑流，山區(qū)水力梯度較大，溝谷區(qū)相對(duì)較小。本次數(shù)值模擬主要針對(duì)區(qū)內(nèi)的各含水層，即礦區(qū)稀土開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，選定第四系松散巖類孔隙水和直至微風(fēng)化的基巖裂隙水作為主要的模擬對(duì)象。(2)污染源概化模擬區(qū)稀土礦面積約為20500m2，原地浸析開(kāi)采工藝所用浸出液為硫酸銨(NH4+和SO42－)，每隔(4～5)m×(4～5)m的間隔布置注液孔，共設(shè)置330口注液孔。因此將污染源概化為連續(xù)恒定排放的多點(diǎn)源污染，將SO42－和NH4+確定為有關(guān)的特征污染因子。(3)邊界條件本模型滲流場(chǎng)的上邊界由降水入滲補(bǔ)給邊界以及潛水蒸發(fā)排泄邊界混合而成，模型的底面與其下伏的完整基巖無(wú)水量交換，設(shè)置為隔水邊界，西部及東部部分邊界為定水頭邊界，水頭為河流水位，北部及東部為分水嶺，設(shè)為隔水邊界。污染物濃度場(chǎng)西部和東部部分地區(qū)為第一類邊界，此處取本區(qū)地表水中SO42－背景值約為10mg/L，NH4+背景值為0.15mg/L，東部及北部為零通量邊界，注液孔為定通量的第二類邊界。

2）數(shù)學(xué)模型

通過(guò)對(duì)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件和開(kāi)采工藝的系統(tǒng)分析，依據(jù)滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律，建立與區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對(duì)應(yīng)的三維非穩(wěn)定流和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型［5］。

3）計(jì)算模型

(1)空間離散

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件及含水層邊界的幾何形狀，對(duì)模擬區(qū)采用三角剖分法進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格剖分，在注液孔、邊界等位置適當(dāng)加密;模擬區(qū)剖分地層共計(jì)5層，自上而下為第四系松散層、全風(fēng)化層(礦層)、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層和微風(fēng)化層，三維網(wǎng)格共計(jì)剖分結(jié)點(diǎn)443610個(gè)，有限單元格個(gè)數(shù)為727990個(gè)，如圖2所示。

(2)時(shí)間離散

根據(jù)礦山服務(wù)年限與建設(shè)階段，模擬時(shí)長(zhǎng)選取不同的時(shí)間，穩(wěn)產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)為8年，減產(chǎn)及掃尾時(shí)長(zhǎng)為2年，開(kāi)采結(jié)束后，時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)10年，時(shí)間步長(zhǎng)與每月天數(shù)一致。

(3)初始及邊界條件

模擬區(qū)由鉆孔水位和模擬所得水頭作為初始流場(chǎng)，由現(xiàn)狀水化學(xué)分析所得的離子濃度值作為初始濃度，此處為水樣中SO42－平均濃度值，約為22mg/L，NH4+約為0.21mg/L。邊界條件如前所述的設(shè)定。

(4)參數(shù)取值

根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)及含水層滲透性特征，對(duì)滲透系數(shù)、孔隙度、給水度等參數(shù)賦值，入滲系數(shù)和彌散系數(shù)由于缺乏實(shí)測(cè)資料，根據(jù)各自的巖性特征和相關(guān)研究取經(jīng)驗(yàn)值，水文地質(zhì)參數(shù)初始賦值見(jiàn)表1。

2模型識(shí)別與校驗(yàn)

上述步驟建立的地下水滲流數(shù)值模擬模型是否能全面、客觀地表征模擬區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件和特征，需要進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證，根據(jù)給出參數(shù)初始值及其變化范圍、邊界條件與初始條件，用反演與正演計(jì)算求解水頭函數(shù)，計(jì)算完成后，將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行擬合比較，不斷調(diào)整參數(shù)初值。通過(guò)反復(fù)多次計(jì)算，使計(jì)算水頭(濃度)與實(shí)測(cè)水頭(濃度)符合擬合要求。從校驗(yàn)后的模擬水頭值與觀測(cè)水頭值對(duì)比(圖3)，模擬區(qū)內(nèi)的三個(gè)鉆孔的水位均在標(biāo)準(zhǔn)比較線附近，模型較好地反映了區(qū)內(nèi)地下水實(shí)際流場(chǎng)，可為下一步地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)提供可靠依據(jù)。從模擬區(qū)地下水流場(chǎng)模擬結(jié)果(圖4)看，流場(chǎng)的形態(tài)與地形地貌密切相關(guān)，模擬所得流場(chǎng)基本上反映了礦區(qū)的地下水補(bǔ)、徑、排條件。

地下水污染影響模擬預(yù)測(cè)

稀土開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響分兩種工況條件預(yù)測(cè)，分別為母液集取率85%(設(shè)計(jì)回收率)與原地浸礦采場(chǎng)母液滲漏隨地下水運(yùn)移至溪溝時(shí)，溪溝邊水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)的最低源強(qiáng)。模擬預(yù)測(cè)1年、3年、10年、15年等4個(gè)時(shí)間段SO42－和NH4+在各含水層中分布運(yùn)移情況。

1母液集取率85%時(shí)地下水污染變化預(yù)測(cè)

母液集取率85%為稀土開(kāi)采過(guò)程中正常的集取率，預(yù)測(cè)此工況條件下稀土開(kāi)采對(duì)地下水環(huán)境的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。各含水層不同時(shí)段兩種特征離子布預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5和圖6所示:從圖5、圖6可知，模擬區(qū)溪溝邊第四系松散含水層SO42－濃度在第7年達(dá)最大，最大濃度為130.25mg/L，達(dá)到地下水的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。全風(fēng)化層和中風(fēng)化層溪溝邊地下水SO42－最大濃度均小于第四系松散含水層最大濃度。模擬區(qū)溪溝邊SO42－未出現(xiàn)超標(biāo)。模擬區(qū)溪溝邊第四系松散含水層NH4+濃度第1年為0.18mg/L、第3年為0.19mg/L，達(dá)到地下水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn);在第7年最大為0.85mg/L，超過(guò)Ⅲ類地下水水標(biāo)準(zhǔn)(0.2mg/L)，超標(biāo)倍數(shù)25倍;在第15年氨氮濃度降為0.18mg/L，達(dá)到地下水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。全風(fēng)化層和中風(fēng)化層溪溝邊地下水NH4+最大濃度均小于第四系松散含水層最大濃度。

2溪溝邊水質(zhì)達(dá)標(biāo)時(shí)最低源強(qiáng)預(yù)測(cè)

溪溝邊地下水水質(zhì)達(dá)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)時(shí)地下水中SO42－濃度需≤250mg/L，NH4+需≤0.20mg/L，經(jīng)模型反復(fù)試算，單井中每天的母液泄漏量應(yīng)小于0.025m3/d，評(píng)價(jià)區(qū)每天的母液泄漏總量約為8.25m3/d，此強(qiáng)度的源強(qiáng)不會(huì)對(duì)溪溝邊地下水造成污染。各含水層不同時(shí)段兩種特征離子分布預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7和圖8所示。

地下水污染影響評(píng)價(jià)

母液回收率85%的工況下，硫酸鹽影響范圍基本限制在原地浸礦采場(chǎng)周邊，溪流邊第四系松散層、全風(fēng)化層、中風(fēng)化層硫酸鹽含量均能達(dá)到Ⅲ類地下水標(biāo)準(zhǔn)。硫酸鹽在稀土的開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)地下水污染嚴(yán)重，總體上硫酸鹽在不同地層中的含量均隨時(shí)間的推移不同程度的下降。在開(kāi)采初期，氨氮運(yùn)移影響范圍基本在原地浸礦附近區(qū)域。原地浸礦采場(chǎng)注液時(shí)間不到1年，停止注液后，隨時(shí)間推移氨氮運(yùn)移范圍逐漸擴(kuò)大，逐漸擴(kuò)大到溪溝邊，即溪溝邊地下水出現(xiàn)超標(biāo)，隨時(shí)間推移超標(biāo)范圍趨于穩(wěn)定，再慢慢下降恢復(fù)。母液回收率85%工況下，溪溝邊地下水在15年后基本恢復(fù)。在垂向空間上，不同工況第四系松散層硫酸鹽和氨氮污染范圍和程度均比全風(fēng)化層、中風(fēng)化層大，中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖中影響較小。當(dāng)?shù)V體開(kāi)采結(jié)束后，第四系松散巖層和全風(fēng)化層由于水動(dòng)力條件較好，徑流通暢，高濃度污染物離子可以很快被稀釋，但中風(fēng)化和微風(fēng)化層地下徑流條件差，滲透性弱，水中離子濃度稀釋較為緩慢。地下水在松散巖類和全風(fēng)化層地下水中易受污染，但污染后地下水環(huán)境恢復(fù)能力強(qiáng)，下部巖層不容易受到污染，但是污染后恢復(fù)較為緩慢。