地下水污染论文：地下水污染预估模拟探究

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本文作者：邓鼎兴1，2作者单位：1中国地质大学环境学院2福建省地质灾害重点试验室

地下水与地表水水质现状

1地表水水质现状

本次在溪沟中采取了控制性水点的3组能较好控制模拟区范围的地表水进行分析测试，地表水水质评价按《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)进行。采取的地表水样基本能达到地表水环境质量标准的Ⅰ～Ⅱ类地表水标准。SO42－和NH4+含量的均值分别为10mg/L与0.15mg/L。

2地下水水质现状

模拟区地下水水质现状评价采用现行国家标准《地下水质量标准》(GB/T14848－1993)中规定的单项评价的方法，地下水各单项指标中大部分均达到Ⅰ～Ⅱ类地下水标准，仅铁与氨氮含量达到Ⅲ～Ⅳ类地下水标准。SO42－和NH4+含量的均值分别为22mg/L与0.21mg/L。

模型建立与校验

本次数值计算采用的软件是有限单元法的FEFLOW软件。选取地下水环境较敏感的具代表性的、典型的水文地质单元作为模拟区(如图1)。

1模型建立

1）概念模型

概念模型中的错误会导致预测的失败［1］，因此要建立正确的概念模型。(1)模拟对象概化模拟区地下水类型主要分为松散岩类孔隙水和基岩风化网状裂隙水。天然条件下，地下水自山区向沟谷区径流，山区水力梯度较大，沟谷区相对较小。本次数值模拟主要针对区内的各含水层，即矿区稀土开采对地下水环境的影响进行预测与评价，选定第四系松散岩类孔隙水和直至微风化的基岩裂隙水作为主要的模拟对象。(2)污染源概化模拟区稀土矿面积约为20500m2，原地浸析开采工艺所用浸出液为硫酸铵(NH4+和SO42－)，每隔(4～5)m×(4～5)m的间隔布置注液孔，共设置330口注液孔。因此将污染源概化为连续恒定排放的多点源污染，将SO42－和NH4+确定为有关的特征污染因子。(3)边界条件本模型渗流场的上边界由降水入渗补给边界以及潜水蒸发排泄边界混合而成，模型的底面与其下伏的完整基岩无水量交换，设置为隔水边界，西部及东部部分边界为定水头边界，水头为河流水位，北部及东部为分水岭，设为隔水边界。污染物浓度场西部和东部部分地区为第一类边界，此处取本区地表水中SO42－背景值约为10mg/L，NH4+背景值为0.15mg/L，东部及北部为零通量边界，注液孔为定通量的第二类边界。

2）数学模型

通过对区内水文地质条件和开采工艺的系统分析，依据渗流连续性方程和达西定律，建立与区内地下水系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流和溶质运移数学模型［5］。

3）计算模型

(1)空间离散

根据评价区的实际水文地质条件及含水层边界的几何形状，对模拟区采用三角剖分法进行自动网格剖分，在注液孔、边界等位置适当加密;模拟区剖分地层共计5层，自上而下为第四系松散层、全风化层(矿层)、强风化层、中风化层和微风化层，三维网格共计剖分结点443610个，有限单元格个数为727990个，如图2所示。

(2)时间离散

根据矿山服务年限与建设阶段，模拟时长选取不同的时间，稳产时长为8年，减产及扫尾时长为2年，开采结束后，时长延长10年，时间步长与每月天数一致。

(3)初始及边界条件

模拟区由钻孔水位和模拟所得水头作为初始流场，由现状水化学分析所得的离子浓度值作为初始浓度，此处为水样中SO42－平均浓度值，约为22mg/L，NH4+约为0.21mg/L。边界条件如前所述的设定。

(4)参数取值

根据水文地质试验及含水层渗透性特征，对渗透系数、孔隙度、给水度等参数赋值，入渗系数和弥散系数由于缺乏实测资料，根据各自的岩性特征和相关研究取经验值，水文地质参数初始赋值见表1。

2模型识别与校验

上述步骤建立的地下水渗流数值模拟模型是否能全面、客观地表征模拟区实际的水文地质条件和特征，需要进行识别验证，根据给出参数初始值及其变化范围、边界条件与初始条件，用反演与正演计算求解水头函数，计算完成后，将计算结果和实测曲线进行拟合比较，不断调整参数初值。通过反复多次计算，使计算水头(浓度)与实测水头(浓度)符合拟合要求。从校验后的模拟水头值与观测水头值对比(图3)，模拟区内的三个钻孔的水位均在标准比较线附近，模型较好地反映了区内地下水实际流场，可为下一步地下水环境影响预测提供可靠依据。从模拟区地下水流场模拟结果(图4)看，流场的形态与地形地貌密切相关，模拟所得流场基本上反映了矿区的地下水补、径、排条件。

地下水污染影响模拟预测

稀土开采对地下水环境的影响分两种工况条件预测，分别为母液集取率85%(设计回收率)与原地浸矿采场母液渗漏随地下水运移至溪沟时，溪沟边水质达标时的最低源强。模拟预测1年、3年、10年、15年等4个时间段SO42－和NH4+在各含水层中分布运移情况。

1母液集取率85%时地下水污染变化预测

母液集取率85%为稀土开采过程中正常的集取率，预测此工况条件下稀土开采对地下水环境的影响具有现实意义。各含水层不同时段两种特征离子布预测结果如图5和图6所示:从图5、图6可知，模拟区溪沟边第四系松散含水层SO42－浓度在第7年达最大，最大浓度为130.25mg/L，达到地下水的Ⅲ类水标准。全风化层和中风化层溪沟边地下水SO42－最大浓度均小于第四系松散含水层最大浓度。模拟区溪沟边SO42－未出现超标。模拟区溪沟边第四系松散含水层NH4+浓度第1年为0.18mg/L、第3年为0.19mg/L，达到地下水Ⅲ类水标准;在第7年最大为0.85mg/L，超过Ⅲ类地下水水标准(0.2mg/L)，超标倍数25倍;在第15年氨氮浓度降为0.18mg/L，达到地下水Ⅲ类水标准。全风化层和中风化层溪沟边地下水NH4+最大浓度均小于第四系松散含水层最大浓度。

2溪沟边水质达标时最低源强预测

溪沟边地下水水质达Ⅲ类标准时地下水中SO42－浓度需≤250mg/L，NH4+需≤0.20mg/L，经模型反复试算，单井中每天的母液泄漏量应小于0.025m3/d，评价区每天的母液泄漏总量约为8.25m3/d，此强度的源强不会对溪沟边地下水造成污染。各含水层不同时段两种特征离子分布预测结果如图7和图8所示。

地下水污染影响评价

母液回收率85%的工况下，硫酸盐影响范围基本限制在原地浸矿采场周边，溪流边第四系松散层、全风化层、中风化层硫酸盐含量均能达到Ⅲ类地下水标准。硫酸盐在稀土的开采过程中，对矿区范围内地下水污染严重，总体上硫酸盐在不同地层中的含量均随时间的推移不同程度的下降。在开采初期，氨氮运移影响范围基本在原地浸矿附近区域。原地浸矿采场注液时间不到1年，停止注液后，随时间推移氨氮运移范围逐渐扩大，逐渐扩大到溪沟边，即溪沟边地下水出现超标，随时间推移超标范围趋于稳定，再慢慢下降恢复。母液回收率85%工况下，溪沟边地下水在15年后基本恢复。在垂向空间上，不同工况第四系松散层硫酸盐和氨氮污染范围和程度均比全风化层、中风化层大，中风化及微风化花岗岩中影响较小。当矿体开采结束后，第四系松散岩层和全风化层由于水动力条件较好，径流通畅，高浓度污染物离子可以很快被稀释，但中风化和微风化层地下径流条件差，渗透性弱，水中离子浓度稀释较为缓慢。地下水在松散岩类和全风化层地下水中易受污染，但污染后地下水环境恢复能力强，下部岩层不容易受到污染，但是污染后恢复较为缓慢。