基于VisualModflow的露天矿山地下水污染组分模拟预测

基于Visual Modflow 的露天矿山地下水污染组分模拟预测
发布时间：2021-04-27T08:19:12.648Z 来源：《防护工程》2021年3期作者：蒋学敏1 穆伟2 [导读] 内蒙古某露天矿山选矿所产生的大量废水通过下渗污染地下水，对以此为饮水源的居民产生影响[2]。

——以内蒙古某露天矿山为例
1.天津地热勘查开发设计院天津 300250；
2.天津恒德建设工程技术有限公司天津 300250摘要：矿山在开发过程中，选矿所的产生废水通过不同途径进入含水层，污染地下水[1]。

本次以内蒙古某露天矿山为例，运用Visual Modflow 4.2软件，选取特征污染物，通过MT3D模块对地下水污染组分进行模拟预测，评价矿山运行是否对下游居民用水造成影响。

通过模拟预测，提出矿山开发过程中保护地下水的有效措施，对矿山开采具有一定的参考意义。

关键字：地下水、Visual Modflow、数值模拟、溶质运移
内蒙古某露天矿山选矿所产生的大量废水通过下渗污染地下水，对以此为饮水源的居民产生影响[2]。

本次模拟运用Visual Modflow 4.2软件构建地下水溶质运移模型，对地下水污染组分进行模拟预测，评价矿山开采是否对居民饮水造成影响。

1 工程概况
该矿山以露天开采方式，开采铜钼矿。

研究区包括露天采场、排土场、尾矿库、居民区。

其中，尾矿库、居民区是本次研究的重点。

尾矿库底部未做防渗处理，采用坝前回水工艺将回收尾水，坝基采用帷幕灌浆方式，防止侧向渗漏。

尾矿库下游为居民区。

2 研究区地质条件和水文地质条件
研究区揭露地层由老到新依次为上古生界石炭系、中生界侏罗系、第四系全新统。

地下水含水系统自上而下可分为三个含水层。

2.1第四系砂砾石孔隙含水层
该含水层呈窄条带状分布，岩性由砂砾石、亚粘土组成，富水性弱，无法形成具有供水意义的供水岩层。

2.2泥盆系中统乌努尔组灰岩裂隙水含水层
该含水层分布在研究区南部。

岩性以灰岩为主，含水层厚度20~30m，与露天采坑无水力联系。

2.3燕山期侵入岩风化裂隙含水层
研究区内广泛分布，岩性以熔岩为主，富水性较弱。

研究区地下水埋藏较浅，水位年动态变幅较小。

补给以大气降水为主，以蒸发、泉、人工开采、径流进行排泄。

地形西北高，东南低，少量地下水经南部和东部边界流出。

3 地下水流数值模拟模型
3.1 水文地质概念模型
模拟区以地表连续分水岭为边界。

模型将含水层概化为等效多孔介质含水层。

北部、西部、南部概化为隔水边界，沟谷概化为流量边界，露天采场以及水泡子概化为定水头边界。

3.2数学模型
含水系统概化为非均质各项异性二维非稳定流，地下水渗流场数学模型表达式如下所示[3]。

3.3 地下水数值模型
3.3.1 网格剖分
模拟区总面积为131.6km2，采用有限差分的方法剖分成100m×100m的单元格，活动单元格共31416个。

3.3.2水文地质参数选取
根据地质岩性特征，结合抽水试验结果进行水文地质参数分区并赋值。

3.3.3模型运行的初始条件
模拟时间为2010年6月-2011年9月， 2010年6月的地下水位作为水流模型的初始水位。

3.3.4源汇项的计算
降水入渗补给量、潜水蒸发量运用公式进行计算。

人工开采量分别按照人畜用水量进行统计。

3.3.5模型运行
初始数据带入模型，运行结果与实有资料进行拟合，调整参数。

水位、观测井进行拟合分析，拟合情况见图2- 8。

（1）流场拟合
图8H20观测孔拟合图
可见，流场拟合较好，各观测井拟合效果理想，同搜集到的地下水动态变化情况相吻合，能够反映真实地下水动态情况。

因此，建立的地下水水流模型能够基本反映地下水系统的水力特征，可用于特征污染物的预测。

4 地下水溶质运移模型
4.1 溶质模型的建立
4.1.1 特征污染物的选取
本次研究尾矿库废水对居民饮用水的影响，故选取地下水Ⅲ类水质标准作为污染临界值。

选取钼、亚硝酸盐作为特征污染物，用以预测矿山开采对地下水的污染情况。

表1 特征污染物浓度以及污染临界值
4.1.2 污染途径分析
尾水采用坝前回水，将污水回收再利用，坝基进行帷幕灌浆，防止尾矿库侧向渗漏污染。

但底部未作防渗处理，可能会造成废水下渗，污染地下水。

4.2 地下水溶质模型的求解
4.2.1 溶质模型的建立
运用MT3D模块进行溶质运移模型的建立和求解。

4.2.2 时间离散以及弥散系数确定
本次模拟地下水水质预测期为2012年1月1日至2045年1月1日，共33年。

纵向弥散度DL=0.13m2/h；横向弥散度DT=0.013 m2/h。

4.3 地下水溶质模型的预测
假设尾矿库底部渗漏持续33年，以面状形式污染地下水，通过溶质运移模块预测特征污染物污染变化情况（见图9-12）。

亚硝酸盐与钼变化趋势比较一致，经过包气带淋滤，仅有微量污染物进入地下水。

污染物浓度在尾矿库内富集增高，并向四周扩散，预测33年后，污染羽面积也达到了最大值，钼、亚硝酸最高浓度分别达到6.0 mg/L、0.3mg/L，最大迁移距离分别为350m、230m，最大迁移点距离牧民生活集聚仍有1.65km、1.77km，并未对居民生活饮水造成污染。

预测结果表明，在整个矿山运行期内，包气带起到了很好的防护作用，极大的削弱了污染物进入含水层的浓度，并且污染物向下游迁移距离有限，并不会污染下游居民用水。

5 地下水环境影响保护措施
结合水文地质条件，建立地下水水质动态监测系统，及时掌握地下水动态变化，并采取有效的防御措施；制定供水应急预案，一旦发现居民用水受到影响，立即启动应急预案，保障居民用水不受影响。

6 结语
文章通过visual Modflow 4.2软件在矿山露天开采过程中的应用研究，对矿山开采进行了水流数值模拟，预测开采过程所产生的废水对地下水溶质运移的影响。

据此提出环境影响防范措施，对于此类矿山开发对地下水水质的影响分析具有一定的参考作用。

参考文献
[1]冯更辰，郝俊杰，谭俊，等. Visual Modflow模型在白涧铁矿区矿井涌水量预测中的应用[J]. 中国岩溶，2011(3):271-277.
[2]李广来，孙宏亮，倪艳芳，等. Modflow Modflow模型在地下水污染模拟预测中的应用研究[J].环境科学与管理2017(6):92-94.
[3]原杰辉. Modflow水流数值模型在矿山环境影响评价中的应用[J].山西冶金2017(5):127-129.
[4]李贵仁，赵珍.矿山开采对区域地下水环境的影响及防治措施探讨[J].地下水2019(1):130-131.。