某稀土矿区开采致地下水溶质迁移分析及模拟

庄磊

广东省环境地质勘查院，510080

摘要：通过分析某稀土矿区地下水污染迁移特征，考虑某稀土开采区地形地貌、水文地质条件、污染源分布、工作精度等因素，结合水动力弥散试验，地下水溶质同位素解析等工作，模拟某稀土矿区流域范围内的地下水流场，在此基础上模拟矿区停工停产之后含水层中残余污染物在天然条件及人为干扰因素影响下的析出渗流过程，并预测其污染影响范围。

关键词：地下水;水文地质;稀土矿

引言

通过分析某稀土矿区地下水污染迁移特征，综合考虑稀土开采区地形地貌、水文地质条件、污染源分布、工作精度等因素，通过某稀土矿区开展地下水污染模拟预测分析研究。考虑到模型边界条件获取的合理性，采用“小流域”重点关注原则，选择水文地质资料齐全、并结合水动力弥散试验，选取某稀土矿区所在的小流域作为典型流域，通过某稀土矿区水文地质特点“近源补给、短途径流、就近排泄”，结合地下水溶质同位素解析，模拟典型流域范围内的地下水流场，在此基础上模拟矿区停工停产之后含水层中残余污染物在天然条件及人为干扰因素影响下的析出渗流过程，并预测其污染影响范围。

一、某稀土矿区地质概况

某稀土矿区地下水类型主要为风化带网状裂隙水和松散岩类孔隙水。风化带网状裂隙水是稀土矿区最主要的地下水类型，赋存在花岗岩的风化裂隙中，含水不均。花岗岩风化层厚度在2.40～52.00 m之间，花岗岩风化层在山脊处最厚能达到31.50 m，在山沟处最薄为9.30m，相应的水位埋深在山沟处最小为1.53m，在山脊处可达到10.82m。松散岩类孔隙水赋存于第四系冲积、冲洪砂砾石孔隙中，呈条带状沿沟谷展布，含水层厚度2.2～8.00 m，平均3.09 m，水位埋深1.86～10.82 m。

某稀土矿区风化层（分为含残积砂质粘性土、全风化层、强风化层）网状风化裂隙发育，有利于地下水的贮存和渗透，富水性较为贫乏。而中风化层、微风化层一般风化裂隙不发育，透水性差，可相对视为隔水层，因此风化裂隙水主要贮存在残积层，以及全、强风化带含水层中。除此之外,在试验矿块范围内未发现断裂通过。

二、水动力弥散试验

1、水动力弥散试验钻孔概况

本次选取的弥散系数试验的钻孔平面位置图见图1，其两个观测孔为GC1、GC2。由钻孔编录资料可知该点下方存在富水裂隙，钻孔揭露裂隙通道表现为承压井特征，含水岩组为燕山早期第二阶段中粒黑云母花岗岩，地下水主要赋存在花岗岩构造裂隙中，风化壳厚度约5.6-31.4m，水力性质为承压水。

该钻孔地下水主要接受大气降水补给，大气降水在该点周边入渗至地下向井中补给，地下水径流主要受地形地貌的控制，该点东南侧为一低洼溪沟，为此地的最低排泄基准面。地下水径流总体方向为东南，且地下水在东南侧低洼溪沟处进行排泄。

钻孔从0-3.5m为第四系的填土和砾砂，3.5-5.4m为全风化花岗岩层，5.4-7.7m为中风化花岗岩层，7.7m往下为微风化花岗岩层。GC1在主孔285°方向20.5m处，GC2在主孔150°方向11.4m处，主孔与两个观测孔的高程相近。

图1 钻孔平面位置图

2、地下水污染物迁移特征分析

基于对某稀土矿区的水文地质野外勘探，进行水动力弥散试验区选取和水动力弥散试验方案布设，以方案为指导开展现场水动力弥散试验，获取试验数据，再于室内进行数据的分析与计算，最终得到了弥散试验区花岗岩风化带弥散系数：试验点双孔纵向弥散度αL=1.197m，横向弥散度αT=0.004m；纵向弥散系数DL=0.306m2/d，横向弥散系数DT=0.001m2/d。

三. 地下水溶质同位素解析

由于同位素动力学效应，不同来源的污染物会表现出不同的同位素组成。因此，可基于对各溶质同位素组成端元值、边界值的认识，追踪不同溶质对环境中污染物组成的贡献。

（1）水循环及地球化学过程相关的同位素调查

在稀土矿区进行降水、地表水、地下水的水样采集，进行氢氧稳定同位素的测试。前者可以确定地表水系与相关地下含水系统之间的水力联系、不同水文地质单元地下水的补给来源分布（大气降水入渗、地表水补给）、经历的主要水文过程等，后者可以用于识别含水层中控制地下水化学组成的主要水-岩相互作用类型。

（2）溶质同位素调查分析

本次工作开展以“区”代“面”对项目稀土矿区地下水在“小流域+双源”背景下的主要污染物来源进行识别，并且对污染物随地下水所表现出来的分布特征及迁移、扩散规律进行分析总结，并进行不同污染源贡献率的量化计算。

溯源解析区主要分为2个流域系统：濂江流域和龙迳河流域。受区域内岩性和地势控制，溯源解析区南西侧面积占比约69.29%的矿区地下水和地表水由北东向南西排泄至濂江内，北东侧面积占比约30.71%的矿区地下水和地表水分别沿南东向北西汇入迳脑河、沿南西向北东汇入龙头江，最终再流出溯源解析区边界向北排泄进入龙迳河。因此溯源解析区构成一个整体以濂江为主要排泄基准，水文地质条件清晰，涵盖潜在污染源类型丰富，具有较好研究意义的典型流域单元。

图2同位素溯源解析区位置分布图

（3）溯源解析区稀土矿区地下水污染特征

溯源解析区早期矿区生产时的浸矿液（固体药品）残留物，随着降水淋滤和地表水入渗依然会导致地下水出现NH4+污染现象，污染主要沿地下水主径流方向迁移、扩散，迁移距离和扩散范围受该径流方向上的地形地貌和含水层介质特征控制。NH4+会经硝化作用转化为NO3-，造成个别点位的NO3-污染现象，但受转化环境、转化效率和二者转化浓度比影响，NO3-在溯源解析区污染程度远弱于NH4+，且通常较NH4+污染呈现时间上的滞后性。

某稀土矿区地下水以大气降水为主要补给来源，通过下渗快速补给全-强风化带裂隙含水层。中-微风化带由于介质裂隙发育较差，呈现出水循环较慢，水岩交互作用更强的特征。整体水质混合情况较好，局部区域混合作用不明显，体现出区域地下水分布的非均质性。

四.地下水溶质迁移模型建立

模型工具：地下水模拟软件工具GMS（Groundwater Modeling System）

模拟对象：某稀土矿区地下水流场及氮、硫等污染物的迁移

现状模拟目标：结合地下水模拟工具探讨不同的稀土采矿工艺对地下水环境造成的影响。

预测模拟目标：针对现状条件、人类防控干扰、气候变化模式等情景，模拟评价未来5年、10年、20年、50年后矿区内污染物分布状况及处理效果。

（1）模型建模

收集某稀土矿区内气象、水文、地质、水质等各类资料，在地理信息系统GIS中进行统一整理，形成数据模型，生成GMS兼容的参数集、边界条件及驱动数据集。针对某稀土矿区（大尺度），采用水平网格大小10–15 m；浸出液潜在的出露及入渗区域进行网格加密（如矿区内收液沟等区域），垂向网格大小及划分根据实际地层垂向分布来定。

根据元素因子特征调查及水文地质调查结果，设定模拟区内的边界条件（模拟边界、污染源汇项）、水文地质参数、污染物迁移参数等。利用地下水水位及污染物浓度进行模型校正（calibration）与验证（validation），并完成参数敏感性分析（sensitivity）。

（2）趋势预测

基于已有某稀土矿区已有数据及地下水环境，针对：现状条件、人类防控干扰、气候变化模式等情景，进行地下水污染物迁移模拟预测，评价未来5年、10年、20年、50年后矿区内污染物去除效果。

情景类型	说明
现状条件	未来模拟输入依旧以当前的驱动数据为主，假设未来不会产生任何的人为及气候因素的干扰。
人类防控干扰	假设会在未来采取一系列人工污染防控手段，根据不同的工程类型，会对未来模型的输入文件乃至模型结构产生影响。例如： ① 防渗墙：在原模型中加设不透水层，改变原有模型结构； ② 污染地下水原位抽提：在模型中加设抽水井； ③ 人工回补：在模型中加设抽、注水井； ……
气候变化模式	模拟在不同的全球CO2排放措施下形成的气候模式，进行降尺度提取降水和气温等驱动数据集，用于未来阶段模型的运行，例如： ① RCP2.6情景：全球CO2排放2020开始下降，至2100为零； ② RCP4.5情景：全球CO2排放在2045年开始下降，到2100年达到2050年水平的一半； ③ RCP8.5情景：21世纪全球温室气体排放持续上涨。

（3）模拟结果

a流域范围内由稀土矿区作业形成的氨氮污染物在10年时间内，污染源区中心地下水中氨氮浓度即可降到初始浓度的10%左右甚至以下，前10~20年的时间内污染影响范围会增大，之后逐渐减小或保持在一定的稳定水平，50年后基本都接近临界水平。在浅层（指第四系松散岩类孔隙水层）及中层（全、强风化花岗岩裂隙水层）含水层中的运移速率高于深层（中、弱风化花岗岩裂隙水层）含水层。

b在自然条件下，某稀土矿区的氨氮浓度可于25年左右基本达到地下水水质III类水标准（中心污染源释放区域内地下水氨氮浓度依然会超过III类水规定浓度，但是面积占比不超过5%），在水利截获及人工淋洗措施条件下，某稀土矿区氨氮浓度都能在模拟期内达到III类水标准。

结束语

综上所述，稀土矿区属于严重水土流失区域，稀土资源开发对稀土矿区地下水及周边区域地下水环境造成了一定的影响。且离子吸附型稀土矿区分散，地下水环境问题具有累积性和地域性，治理周期较长等特点，污染现象隐蔽、滞后，虽然随着时间的推移及矿山修复工程的开展，地下水污染即使未对周边村民饮水安全造成威胁，但地下水溶质污染物依然需要近50年方能接近临界水平。

因此，分析各稀土矿区浸矿液残留物导致的地下水污染在时间尺度上的迁移、扩散情况；探究时间尺度上稀土矿区地下水物化生作用下的自净能力和矿区浸矿液残留物及其他潜在污染源地下水污染能力之间的关系，进一步研究总结矿区地下水环境受到的潜在威胁程度随时间变化而改变的规律特征，便于科学有效地利用区域地下水的自净功能，同时能更好地采取措施防治地下水溶质污染物迁移。

参考文献

[1] 陈斌;祝怡斌;翟文龙，某离子型稀土矿采矿活动对地下水的影响分析，《有色金属(矿山部分)》，2015。

[2]李俊亭，王文科，国内外关于地下水管理模型研究与应用，西安地质学院学报，1993， P6-9。

[3]杜青青，尹芝华，左锐等，某污染场地氨氮迁移过程模拟研究，中国环境科学，2017，P85-95。

[4]郑先坤，离子型稀土原地浸矿废弃地中残存浸取剂与稀土的垂直分布规律研究，江西赣州，江西理工大学，2019。

[5]赵永红，张涛，成先雄，离子吸附型稀土矿区土壤与水环境氨氮污染及防治技术研究进展，稀土，2020，41（1），P124-131。

[在此处键入]