基于FEFLOW的大型矿区地下水多源污染风险 评价及长效监控机制研究 ――以某大型铜钼矿区为例

MineEngineering矿山工程,2019,7(1),76-90PublishedOnlineJanuary2019inHans.://doi.org/10.12677/me.2019.71012文章引用:李锐,张行,张正鑫.基于FEFLOW的大型矿区地下水多源污染风险评价及长效监控机制研究[J].矿山工程,2019,7(1):76-90.DOI:10.12677/me.2019.71012StudyofLarge-ScaleMiningGroundwaterMulti-SourcePollutionRiskAssessmentandLong-TermMonitoringMechanismBasedonFEFLOW—ACaseStudyfortheCopper-MolybdenumMineRuiLi1,HangZhang2,ZhengxinZhang21WuhanJianchengEngineeringTechnologyCo.Ltd.,WuhanHubei2CCSHCC,WuhanHubeiReceived:Dec.30th,2018;accepted:Jan.21st,2019;published:Jan.28th,2019AbstractWiththerapiddevelopmentofthenationaleconomyandthegradualimprovementofthelivingstandards,thedemandformineralresourcesintensifiedinourcountry.However,theenviron-mentalproblemsbroughtbymineraldevelopmentincreasedsignificantlywhichaffectthemineandsurroundinggroundwaterenvironmentseriously,especiallyinthedecreasingofwatertablecausedbyminingandcomplexpollutionsourcesformedbyauxiliaryproject.Therefore,it’sur-gentlyneededaboutthestudyoflarge-scaleminingmulti-sourcepollutionriskandmonitoringmechanism.ThispapertakestheYuanzhuDingCopper-MolybdenumMineinZhaoqingasre-searchobject,basedontheanalysisofminehydrogeologicalconditions,generalizedhydrogeo-logicalmodelreasonably.FEFLOWisusedtoconstructnumericalmodelingwhichcanpredictiveanalysisthemigrationlawofmulti-sourcepollutantswithorwithoutwaterpumpinganddrainageofmine.Itshowsthatthemigrationandproliferationofmulti-sourcepollutantsalsolikethenat-uralgroundwaterrunoffdirectionwithoutwaterpumpinganddrainageofmine.Onthecontrary,themigrationofpollutersiscontrollednotonlybynaturalgroundwaterflow,butitisalsostrong-lyinfluencedbywaterpumpinganddrainageofmine,whichleadstothenearbypollutantscar-riedtotheworkingmining.Basedonthemasteryofthespatialmigrationlawofmulti-sourcepol-lutants,thelong-termmonitoringwellsofgroundwaterinminingareasaresystematicallylaidout,andreasonableandeffectivemonitoringandmanagementmeasuresareputforward,thusitpro-videstheoreticalbasisforriskassessmentandlong-termmonitoringmechanismofmulti-sourcepollutionofgroundwaterinlargeminingareas.Theresearchresultscouldprovideausefulrefer-enceforthesimilarmininggroundwatermulti-sourcepollutionriskassessmentandlong-termmonitoringprogramestablishment.KeywordsLarge-ScaleMining,Multi-SourcePollution,FEFLOW,RiskAssessment,MonitoringMechanisms李锐等DOI:10.12677/me.2019.7101277矿山工程基于FEFLOW的大型矿区地下水多源污染风险评价及长效监控机制研究——以某大型铜钼矿区为例李锐1，张行2，张正鑫21武汉建诚工程技术有限公司，湖北武汉2中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉收稿日期：2018年12月30日；录用日期：2019年1月21日；发布日期：2019年1月28日摘要随着社会经济的快速增长和人民物质需求的逐步提高，国家对矿产资源的需求显著加剧，然而由矿产开采所引起的环境问题也逐步增多，特别是矿山开采引起的地下水位下降以及配套工程会形成的复杂污染源，严重影响着矿区及周边地下水环境，因此对大型矿区多源污染风险及其监控机制的研究是迫切需要的。本文选取某大型铜钼矿区为研究对象，基于对研究区水文地质条件的剖析，概化为合理的水文地质模型，并采用FEFLOW软件开展数值建模研究，对矿区不同工况下多源污染物的迁移规律进行预测分析。模拟结果显示在矿区无抽水条件下，多源污染物的迁移基本随天然地下水的径流方向迁移与扩散；而在抽水条件下，矿区临近污染源的迁移不仅受到地下水流向的控制，还受控于矿区的抽排水影响，使得临近的污染源的污染物向进行抽排水的矿区迁移与扩散。根据对多源污染物空间迁移规律的掌握，对矿区地下水长效监测井进行了系统的布设，并提出了合理且有效的监控管理措施，从而为大型矿区地下水多源污染风险评价及长效监控机制提供理论依据。论文研究成果也可为我国类似矿区地下水多源污染风险评价及长效监控方案的布设提供有益参考。关键词大型矿区，多源污染，FEFLOW，风险评价，监测机制Copyright©2019byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).前言矿山开采已发展成为我国主要的地下水污染源之一。由于矿山的建设和开采，矿坑涌水的抽排导致地下水位下降，地下水流动系统受到影响，严重情况下含水层会被输干从而导致地面沉降，严重破坏了居民生活质量及大自然的生态环境[1][2]；普遍情况下，多个含水层被矿井贯穿，含有杂质的矿井水相互贯通并混合导致“串层”污染，水质产生严重恶化；另外，矿山建设中产生的废石堆含有大量的有害物质，矿产开采会使长期埋置于地下的有害物沉积物质暴露于地表，然后侵入含水层，造成地下水环境的污染，因此对矿山开采所引发的地下水环境问题进行研究是迫切需要的。目前国内外学者对矿山开采对OpenAccess李锐等DOI:10.12677/me.2019.7101278矿山工程地下水环境影响程度的研究日益增多，主要研究方法包括解析法、数值法、趋势外推法、类比预测法、回归分析法等。其中，将研究区地下水环境进行理想模型概化并进行数值模拟分析是行之有效的方法之一[3][4][5][6][7]，可以为矿山的地下水环境监控和管理提供依据。目前的研究主要集中在将矿山开采过程中的水量问题与开采引起的水质问题进行单独研究，或者是仅研究单源污染物的迁移规律，但对于大型矿区污染风险评价及长观监测方案拟定在地下水水量和水质问题是同时发生和多污染源耦合污染方面研究还涉及不多[8]。本文以某大型铜钼矿区为研究对象，详细调绘矿区水文地质条件并全面分析其水文地质环境，理论概化为与其实际相吻合的水文地质环境模型[9]，运用溶质运移模型和地下水流数学模型，以数值模拟软件FEFLOW为依托，建立其地下水流、溶质数值模拟模型，以在矿区有无抽排水条件下，多源污染物的迁移规律预测分析为目标，研究矿区多场耦合下污染物的迁移规律[10]，并根据预测模拟结果，并据此布设地下水监测井，为矿区地下水的监测和管理提供有力依据。2.矿区概况2.1.矿区简述该铜钼矿床资源储量大、矿体规模大且埋藏浅，适于大规模开采。该铜钼矿体主要分布在二长花岗斑岩体内、外接触带中，并以二长花岗斑岩体周围砂岩地层矿化为主，斑岩体内接触带有部分矿化。经勘探，本铜钼矿矿石资源储量为：工业铜矿石4639万t，工业钼矿石14,305.8万t，低品位铜矿石19,532万t，低品位钼矿石18,600万t。矿山基建期2.5年，矿山服务年限总共28年，其中首期12年。本工程主要由铜钼矿露天开采区、工业场地、排土场、尾矿库、矿区道路和矿区供水供电等部分组成。矿区的疏干降水方案考虑了矿山分期开采的特点，共设计两期分段疏干，第一期12年，疏干至35m，第二期16年、疏干至−40m，整个露采作业时间计28年。根据矿山开采的可行性研究设计，排土场下渗水、尾矿库下渗水及环保水库渗漏为该项目地下水污染的主要污染源，具体分布见图1。Figure1.Projectdistributionintheminingarea图1.矿区平面示意图李锐等DOI:10.12677/me.2019.7101279矿山工程2.2.自然地理条件矿区建设区属构造侵蚀中等山区，海拔以150~400m为主，最高点592.0m，位于圆珠顶山头，最低点93m，位于建设区东北侧沙冲河一带，区内相对高差一般200m，地形切割中等。地形总体北低南高，山势走向以北北西为主，其间发育南北向小沟壑。矿体分布范围内，大体上呈四周高中间低的小盆地，山脉呈环形，小沟壑呈树枝状。整体地形地貌见下图2。矿区属亚热带季风气候，温暖潮湿，雨量充沛。据当地气象局1998~2007年多年观测资料统计，年平均气温21.6℃，最低气温−3.4℃，最高气温39.4℃；日最大降雨量为149.00mm，年平均降雨量为1404.1mm，区内50年内日最大降雨量出现在1966年6月11日~12日，为198.90mm。降雨量多集中在4~9月，为当地丰水期，枯水期为12月至翌年2月，其余时间为平水期。Figure2.Topographicandgeomorphologicalarea图2.地形地貌示意图2.3.地质条件区域内断裂发育，矿区距离沙头–夏郢大逆断层20km，距离金装–都平大逆断层15km，矿区范围内基本无构造影响，具体分布见图3。矿区分布和出露最广的地层是寒武系水口群(∈sh)地层，边缘是不同时期的侵入岩体，以及沿河道分布的小范围第四系(Q)冲积物和局部的残坡积地层。寒武系水口群(∈sh)：分布