尾礦庫地下水污染風險評價體系研究

尾礦庫地下水污染風險評價體系研究

0尾礦庫地下水污染風險尾礦庫是重要的采礦環(huán)境系統(tǒng)。它在防止采礦業(yè)流失、加強采礦業(yè)水的自然凈化和徑向流調節(jié)方面發(fā)揮著重要作用。保護資源，改善環(huán)境，充分利用各種優(yōu)勢。但同時,作為一個復雜的自然-人工系統(tǒng),尾礦庫的安全有效性受多種內外因素的影響,管理不當容易引發(fā)各種安全環(huán)保問題。據初步統(tǒng)計,截至2009年底,全國12523座尾礦庫中仍有危、險、病庫2098座,占總數的16.8%。尾礦庫事故發(fā)生起數呈逐年上升趨勢,已引起高度重視。開展尾礦庫的環(huán)境風險評估成為我國面臨的緊迫任務之一。根據選礦廠的工藝流程和尾礦庫的建設目的可知,選礦廠將尾礦排入尾礦庫,尾礦在尾礦庫中經過一段時間的沉淀和曝曬后,清水返回選礦廠循環(huán)使用,尾礦和部分尾礦水遺留在尾礦庫中。含有大量重金屬離子和有機物的尾礦廢水,在尾礦沉積過程中繼續(xù)與尾礦發(fā)生物理化學作用,形成新的化合物。一旦發(fā)生突發(fā)性事故,滲入基礎土層,經復雜的地球化學作用生成新的產物在地下水運動下遷移,可能流向水源或天然排泄區(qū),勢必會對尾礦庫周圍居民的生產、生活以及下游水體造成嚴重威脅。因此,對尾礦庫地下水污染風險進行研究是非常必要的。目前,尾礦庫地下水污染風險評價尚無統(tǒng)一的、系統(tǒng)的方法,而且大多數都是用某些具體的方法進行定性評價,沒有直觀地反映事故的危害及其風險的大小,也沒有給定地下水污染風險等級定量劃分的標準。本文旨在建立尾礦庫地下水污染風險評價體系,實現對尾礦庫地下水污染風險評價定量化表達,為尾礦庫地下水污染評價和生態(tài)環(huán)境保護提供一定的參考,減少對人類健康和環(huán)境的危害。1風險評價及風險管理本文建立的尾礦庫地下水污染風險評價體系包括5部分:風險識別、源項分析、后果計算、風險計算和評價及風險管理。其中,含水層固有脆弱性、污染載荷風險和污染危害性共同構成了風險計算和評價的3要素。具體框架見圖1。1.1風險識別1.1.1預案資料及分析1)尾礦庫工程資料:可行性研究、工程設計資料、尾礦庫安全評價資料、安全管理體制及事故應急預案資料等。2)環(huán)境資料:利用環(huán)境影響報告書中有關尾礦庫周邊環(huán)境和區(qū)域環(huán)境的資料,包括流域調查、水環(huán)境狀況歷史記錄、水力學水文地質資料,系統(tǒng)收集區(qū)域內有關社會、經濟狀況詳細資料,重點收集人口分布資料等。3)事故資料:國內外尾礦庫事故統(tǒng)計分析及典型尾礦庫事故案例資料等。1.1.2篩選環(huán)境風險評價因子按照《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》(HJ/T169—2004)附錄A.1評價等級判定依據,對尾礦庫項目所涉及的有毒有害、易燃易爆物質進行危險性識別和綜合評價,篩選環(huán)境風險評價因子。尾礦庫地下水污染的主要風險評價因子為重金屬離子、硫化物、氰化物等。1.1.3功能單元劃分根據尾礦庫主要設施的組成系統(tǒng),結合物質危險性識別,對尾礦庫功能系統(tǒng)劃分功能單元。根據《建設項目環(huán)境風險評價技術導則》將危險物質的數量等于或超過臨界量的功能單元定為重大危險源。1.1.4事故風險評估根據評價項目的物質危險性和功能單元重大危險源判定結果以及環(huán)境敏感度等因素,將環(huán)境風險評價工作劃分為一、二級,評價工作等級見表1。一級評價應對事故影響進行定量預測,并說明影響范圍和程度,提出防范、減緩和應急措施。二級評價可進行風險識別、源項分析和對事故影響進行簡要分析,提出防范、減緩和應急措施。在確定評價范圍時,應該包括尾礦庫對周圍地下水環(huán)境污染較嚴重的區(qū)域,盡量按照將來污染物排放后可能的達標范圍,不同污水排放量對應尾礦庫地下水環(huán)境風險評價范圍參考見表2,并考慮評價等級的高低(評價等級高時可取評價范圍略大,反之可略小)后決定。1.2源概念分析1.2.1最大可信事故所有預測的概率不為0的事故中,污染尾礦庫地下水最嚴重的重大事故為最大可信事故。借鑒尾礦庫污染事故歷史資料,通過類比法、加權法、因素圖分析法等定性分析方法和概率法、指數法等定量分析方法相結合來確定最大可信事故及其概率。1.2.2廢水滲漏狀況分析分析豐水期和枯水期兩個不同時期最大可信事故所致尾礦庫廢水滲漏狀況,估算滲漏量、濃度和滲漏速率,分析重金屬離子等污染物的理化、毒理特性,向環(huán)境轉移方式、途徑以及自凈狀況。1.3地下水流場及污染風險分析根據有毒有害物質的類別、性質、可能危害及轉移特征選擇相應的預測模式,預測最大可信事故對環(huán)境可能帶來的危害。一級評價應建立定量化預測模型,并采用兩種以上預測模型進行對比分析;預測參數以實測為主,預測參數與預測點的數量較多。二級評價應至少采用1種模型進行定量至半定量后果預測;預測參數采用實測與收集資料相結合,預測參數與預測點數量一般。預測事故發(fā)生后地下水水質隨時間和空間變化(考慮枯水期和豐水期兩個不同時期),模擬分析得到不同時刻污染物濃度-空間分布圖。采用網格布點法設置垂直于地下水流向的預測線,尾礦庫下游可平行地下水流向布線,以控制下游污染邊界。預測線的密度應根據評價等級、當地水文地質條件和環(huán)境水文地質問題的復雜程度確定,一般控制在0.2～1.0km-2,一級評價取較大值,二級評價取較小值。為了較為直觀地反映事故的危害及其風險的大小,采用預測線的濃度數據過程線中最高峰值質量濃度Cmax,相對于地下水污染輕微或基本未受污染的對照區(qū)污染物質量濃度C0的污染超標濃度風險來表征事故排放對地下水的污染。根據表3對污染風險指數進行分類。式中Ac為污染超標濃度風險;Cmax為污染物最高峰值質量濃度,mg/L;C0為污染對照質量濃度,mg/L。對于多種污染物的情況,采用環(huán)境質量綜合指數法中的向量分析法進行分析。把n種污染物造成的環(huán)境污染狀態(tài)看作是由n種污染物構成n維空間中的一個向量,每種污染物作為一個分量,其綜合指數就是向量的“?！敝怠Ｓ纱?多種污染物的綜合污染超標風險指數計算公式為式中AI為綜合污染超標風險指數;Ai為第i種污染物的污染超標濃度風險指數,i=1,2,3,…,n;n為污染物種類。1.4地下水污染風險地下水污染是由含水層本身的脆弱性與人類生產和生活產生的污染負荷造成的。因此,地下水污染的風險是污染荷載和含水層污染的敏感性之間作用的結果。本文提出地下水受污染的風險可以從含水層的固有脆弱性、污染荷載風險和污染危害性3方面來考慮。1.4.1drastic方法含水層的固有脆弱性是指在天然狀態(tài)下含水層對污染所表現出的內部固有的敏感屬性。根據所處水文地質條件的差異,含水層在同樣的污染源或外部污染環(huán)境條件下,受到污染的難易程度是不相同的。因此,含水層固有脆弱性評價的主要任務是給出區(qū)域含水層受到污染的難易程度的確切評價。含水層脆弱性評價的主要方法有水文地質背景值法、參數系統(tǒng)法、關系分析和數值模型法。目前研究主要集中在第2種方法,最典型的是美國環(huán)保署(EPA)于1987年提出的DRASTIC方法。DRASTIC模型是一個適用于大范圍區(qū)域的地下水污染風險預測模型,是應用最廣泛和成功的一種方法。該方法已成為歐盟各國含水層脆弱性評價的統(tǒng)一標準。DRASTIC方法選取對含水層易污染性影響最大的7項因素作為評價指標,包括地下水水位埋深(D)、地下水凈補給量(R)、含水層介質(A)、土壤包氣帶(S)、地形地貌(T)、非飽和帶介質(I)和水力傳導系數,可根據水文地質條件的不同進行取舍和更換。其表達式為式中Dr、Rr、Ar、Sr、Tr、Ir、Cr分別為各因子的分級值;Dw、Rw、Aw、Sw、Tw、Iw、Cw分別為各因子的權重值。各類分級值和權重值均可查表確定,計算所得DRASTIC指數值越大,則地下水面臨污染的相對風險也越高。根據DRASTIC敏感性劃分原則,結合尾礦庫敏感性情況,劃分5個等級,具體見表4。1.4.2污染載荷風險指數污染荷載風險是指各種污染源對地下水產生污染的可能性和嚴重性,取決于天然和人為污染源的位置和類型、井的位置以及污染物的遷移轉化等。從實用的角度,本文確定污染荷載風險評價指標為:污染的可能性即事故概率和污染的嚴重性。本文用綜合污染超標濃度風險指數AI來表示污染的嚴重性。事故概率風險指數分類標準見表5。污染載荷風險計算結果按表6污染載荷風險指數及風險性分類標準進行分類,確定污染載荷風險指數。污染載荷風險計算式為式中Lc為污染載荷風險;P為事故概率指數;AI為綜合污染超標濃度風險指數。1.4.3地下水不作為飲用水危害程度的確定無人區(qū)或人煙稀少的地區(qū)的地下水污染帶來的危害性相對較低;地下水不作為飲用水時,地下水污染帶來的危害性相對較低。因此,本文依據地下水的使用目的來確定地下水污染發(fā)生后造成的危害程度。污染危害性評價以地下水使用目的為分級指標,見表7。1.4.4評價指標的確定地下水污染風險評價是在含水層固有脆弱性評價、污染荷載風險、污染危害性評價的基礎上進行的,其計算公式如下。地下水污染風險等級評價標準見表8。根據計算地下水污染風險(R)可最終確定尾礦庫地下水污染風險等級及其危險程度。1.5風險管理1.5.1控制低污染的措施防止尾礦庫廢水污染地下水應該從源頭抓起,最好是控制污染的根源,因此,首要的措施就是減少或者杜絕污染物的滲漏、排放。例如,增加尾礦水重復利用,減少廢水排放量,采用墊層、滲流障、滲漏返回系統(tǒng)等措施可以有效地控制降低污染。其次是治。作為最后一道防線,對尾礦庫廢水中大量重金屬離子和有毒有害物質采取必要的處理方法,目前一般采用化學沉淀法、吸附法、氣浮法、生物法、離子交換法、膜分離法等。1.5.2制定應急預案,加強應急培訓建立尾礦庫事故應急求援指揮系統(tǒng),針對尾礦庫可能發(fā)生地下水污染事故,建立應急救援預案,制定相應預防措施和應急預案組。建應急救援專業(yè)隊伍,并組織實施平時的演練,經常性檢查應急預案的各項準備工作。規(guī)定事故的級別及相應的應急分類響應程序,應急狀態(tài)下的通訊方式、通知方式和交通保障,應急環(huán)境監(jiān)測及事故后評估;規(guī)定應急狀態(tài)終止程序,事故現場善后處理與恢復措施。應急預案制定后,安排人員培訓與演練,對臨近地區(qū)開展公眾教育、培訓和發(fā)布有關信息。地下水污染應急反應計劃見圖2。2實例分析2.1尾礦庫圍場分布排山樓金礦位于阜新市東南15.6km,阜新縣新民鄉(xiāng)上排山樓村排山樓東溝東側。設計采用的工藝為全泥氰化-炭漿法提金流程,金的回收率為87.23%,年產黃金1057kg。原設計生產能力為1200t/d,經改造目前已達到1800t/d。原尾礦庫已超過設計使用標高,現采用露天采坑作為新的尾礦庫。露天采場占地面積約16.5hm2,現已閉坑,封閉圈標高380.00m,長500m,寬200m。露天坑底標高300.00m,長360m,寬40m,封閉圈以下容積395萬m3。按每年排尾礦59.4萬t,可服務10a。在尾礦庫周邊共設截洪溝5條,使降雨匯水不流入尾礦庫內,經排洪后匯水面積為115000m2。排山樓東溝南側山坡上土壤為棕壤性土。主要巖性為糜棱巖化黑云母斜長片麻巖和角閃巖,圍巖總體走向近東西展布,傾向北,傾角40°～45°。溝谷內風化強烈,單井涌水量小于20t/d,地下水一般埋深3m左右,滲透系數k=0.28m/d,地下水流速為0.2m/d,遲滯因子R=1.06,彌散系數D=0.6m2/d,DL=0.0132/d,DT=0.135m2/d。地下水動態(tài)與大氣降雨有關,但變化m不明顯,巖層滲透性能差。本區(qū)地下水的來源為大氣降水,年平均降水量為510mm,年平均蒸發(fā)量為1738.9mm。該金礦尾礦干堆場下游約100m處為新民鄉(xiāng)上排山樓村排山樓東溝居民居住區(qū),該區(qū)居民均居住于溝北側的山坡上,排山樓東溝有居民21戶,人口約80人。2.2尾礦庫氰化物污染排山樓金礦尾礦餅每天排放量為1800t,含水23%,氰化物質量濃度為30～35mg/L,尾礦餅攜帶水量為537.66m3/d。氰化物質量濃度按最大值35mg/L計算,每天排入尾礦庫的氰化物為18.82kg,10a服務期滿時共排入氰化物62.11t。主要風險物質為氰化物,氰化物的大白鼠經口LD50為6.44mg/kg,屬于劇毒物質而且貯存超過了臨界量20t,因此,該尾礦庫為重大危險源。一旦發(fā)生事故,氰化物將會污染下游居民區(qū)水源,評價等級為1級。由于尾礦是干式排放,即污水排放量可忽略不計,評價范圍為以尾礦庫為中心4km2的圓形區(qū)域。2.3污染地下水的污水來源設計采用尾礦干堆的尾砂處理工藝,正常情況下杜絕了污染物對地表水體和地下水系統(tǒng)的污染;但當雨季來臨時,大氣降雨對干堆的沖刷、淋溶和滲透作用所形成的污水,有可能對地下水系統(tǒng)產生污染。因此,最大可信事故為降水引起氰化物污染地下水。類比尾礦庫事故資料及對此尾礦庫的設計資料,確定該尾礦庫的最大可信事故概率為0.1%。區(qū)內地下水主要為風化裂隙帶中的潛水,因此,可能的污染途徑就是含氰化物的降雨淋溶水通過包氣帶(風化帶)進入地下水系統(tǒng)中,然后通過滲流進入干堆場外的地下水系統(tǒng),從而對下游居民區(qū)地下水造成破壞。氰化物雖為劇毒物質,但卻是一種不穩(wěn)定的非持久性污染物質。影響氰化物自凈的因素很多,其中水體的溫度、狀態(tài)、pH值等都是影響它自凈能力的主要因素。對氰化物自凈能力進行類比分析,得到K=0.21h-1。由于篇幅有限,本文只討論豐水期最大可信事故源強,同時僅用一種模型進行后果預測。降雨概率為100%的降雨產生的淋溶水中氰化物質量濃度為0.546mg/L。2.4含水層污染物遷移來源模擬污染物在包氣帶中的運移數學模型初始條件邊界條件式中R為抑制因子;C0為初始時刻污水中氰化物的質量濃度;t為預測時間;D為包氣帶中污染物的彌散系數;us為滲流實際速度;s為滲流帶厚度。進入含水層中的污染物的遷移轉化模型式中DL、DT分別為x、y坐標方向的彌散系數;K為污染物的衰減速率常數。采用上述數學模型和計算參數,預測豐水期氰化物在包氣帶和地下