重金属在尾矿库岩土渗流场中的迁移模拟及污染防治研究.pdf

中图分类号 U D C T D8 6 2 6 2 4 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 重金属在尾矿库岩土渗流场中的迁移模拟 及污染防治研究 T h eR e s e a r c ho f H e a v y M e t a l sM i g r a t i o nSi m u l a t i o n U n d e rT h e T a i l i n gG e o t e c h n i c a lS e e p a g ea n dP o l l u t i o n C o n t r o l 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 饶宝文 建筑与土木工程 环境岩土工程 资源与安全工程学院 谢学斌教授 汪令辉高级工程师 论文答辩日期塑丝 生彩答辩委员会主席 中南大学 二。一四年四月 万方数据 学位论文原创性声明 lIun眦mil|帆Ilnlml0 I 叭㈣帅眦帅吣 Y 2 6 8 7 7 3 2 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名选窒望日期二塑堑年上月羔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名疆。立量 导师签名 日期幽年旦月幺日 万方数据 中南大学硕士学位论文摘要 重金属在尾矿库岩土渗流场中的迁移模拟及污染防治研究 摘要自改革开放以来，特别是进入新世纪，中国工业化和城市化进程 加快，粗放型经济发展方式造成了严重的环境污染，特别是重金属的 高毒性严重威胁了生态环境及人类健康。近年来矿山污染事件频繁， 尾矿库是常年积累的高能污染源，尾矿的肆意排放，意外泄漏和管理 不善都将造成库区地下水和地表水的污染。因此分析尾矿库重金属污 染物的迁移对矿区的环保工程具有重要意义。 本文结合现场环保监测资料采用数值模拟和理论分析的方法，把 某金属尾矿库作为研究的基础及背景，对该矿区的尾矿库重金属迁移 进行研究分析，主要进行了以下工作 1 在试验、模拟、防治等方面综述了国内外学者在尾矿库重金 属污染迁移扩散方向的研究进展，并把某尾矿库区作为工程研究背 景，对其进行系统调研。 2 以某尾矿库为背景建立了重金属迁移模拟及预测分析。基于 渗流场理论建立起某尾矿库污染物迁移的二维数值渗流场模型，应用 有限元方法进行运算求解，将计算得到的渗流场结果作为母模型，引 入溶质迁移子模型进行耦合运算。计算得出重金属污染物在渗流的作 用下第2 7 5 0 天开始在土壤边坡中显露并对周围环境产生影响，并得 出渗流场中污染物粒子的迁移路径。再将分析结果与该矿区的环保监 测数据进行对比，在一定误差范围内得出模拟结论真实可靠。 3 为探索该矿区尾矿库对周围生态环境的影响，本文采用点源 定通量连续注入的污染物二维迁移解析解对该地区主要水系及库区 进行污染预测，结果表明，尾矿水库下游指定水系和污染物迁移潜在 区域均符合国家标准规定的I I I 类地表水质量要求，对库区下游生态不 会造成影响。 4 采用F r e d l u n d 解析关系式描述渗透系数与基质吸力之间的 关系，对渗透系数取值进行函数方式改进，探讨了渗流条件下重金属 运移过程，对比改良前后重金属的迁移状态得出改良后的迁移模型更 接近工程实际及矿区监测情况。并模拟探讨了弥散度对污染物迁移规 律的影响程度。 5 通过数值计算分析，从不同的初始浓度及不同的迁移路径对 重金属污染物迁移扩散进行对比分析，结合分析结果提出重金属污染 物治理的重点，再从地球物理化学、生态环境等的交叉学科角度分析 了污染物扩散机理，并从金属回收再选、充填、酸性水、生物化学等 万方数据 中南大学硕士学位论文 摘要 角度分析污染物扩散的治理。文末结合背景矿山的具体环境问题提出 了适应于该矿区综合防治的措施建议，为矿山尾矿库的安全管理及环 保工程提供理论支持。 图3 2 幅，表2 6 个，参考文献8 1 篇。 关键词重金属；尾矿库；迁移模拟；渗透系数；污染防治 分类号T D 8 6 2 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T T h eR e s e a r c ho fH e a v yM e t a l sM i g r a t i o nS i m u l a t i o nU n d e rT h e T a i l i n gG e o t e c h n i c a lS e e p a g e a n dP o l l u t i o nC o n t r o l A b s t r a c t S i n c er e f o r ma n do p e n i n gu p ，e s p e c i a l l yi nt h en e wc e n t u r y , C h i n a ’Si n d u s t r i a l i z a t i o na n du r b a n i z a t i o nw e r es p e e d i n gu p ，s e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nw a sc a u s e db yt h ee x t e n s i v em o d eo fe c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，i n c l u d ew h i c ho ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dp e o p l e ’S h e a l t hw e r et h r e a t e nb yt h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o n ．A sm i n i n gp o l l u t i o n i n c i d e n t sf r e q u e n t l yh a p p e n e di nr e c e n ty e a r s ，t h et a i l i n g sh a sb e e na c o m m o n p o t e n t i a le n e r g yp o l l u t i o n s o u r c e s ． E x c e s s e m i s s i o n ， a c c i d e n t a l l yr e l e a s ea n dm i s m a n a g e m e n tw o u l dc a u s ep o l l u t i o na r o u n d t h ea r e ao fg r o u n d w a t e ra n ds u r f a c ew a t e r ．S ot h ea n a l y s i so fh e a v y m e t a lp o l l u t a n tm i g r a t i o no ft a i l i n gw a so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o t h e e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ne n g i n e e r i n g ． I nt h i sp a p e r , am e t a lt a i l i n g sw a sm a d ea st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ， c o m b i n e dw i t ht h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gd a t a ，t h e m e t h o do f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r eu s e di nt h es t u d yo f t a i l i n gm i g r a t i o no fh e a v ym e t a l s ，t h es t u d yw a sm a i n l y f o rt h ef o l l o w i n g 1 、 M a d ear e s e a r c hs u m m a r yi nt e r m so ft e s ta n ds i m u l a t i o na n d p r e v e n t i o n ．T h es u m m a r y w a sa b o u t h e a v y m e t a l m i g r a t i o n o f t a i l i n g s ，w h i c hw e r ed o n eb yt h es c h o l a r sa th o m ea n da b r o a d ．M a d ea s y s t e ms u r v e yo fat a i l i n g w h i c hw a sr e g a r d e da st h ee n g m e e r m g b a c k g r o u n db y t h i sa r t i c l e ． 2 A g a i n s tt h eb a c k g r o u n do fat a i l i n g s ，ah e a v ym e t a lm i g r a t i o n s i m u l a t i o na n df o r e c a s ta n a l y s i sw e r ee s t a b l i s h e d ．At w o - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm i g r a t i o nm o d e lo ft a i l i n g sc o n t a m i n a n t sw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ep e r c o l a t i o nt h e o r y , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt o s o l v e t h em o d e l ．C o u p l e dw i t ht h e s o l u t e t r a n s p o r ts u b m o d e l ，t h e s e e p a g er e s u l t sw a su s e dt oc a l c u l a t ea st h ep a r e n tm o d e l ．T h er e s u l t s s h o wt h a t ，t h ec o n t a m i n a n t se x p o s e db e y o n dt h es l o p eb e g i n st oi m p a c t o nt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tw h e nt h em i g r a t i o no fh e a v ym e t a l c o n t a m i n a n tm o d e li sc a l c u l a t e du n d e rs e e p a g eb y2 7 5 0d a y s ，t h e m i g r a t i o np a t h so ft h ec o n t a m i n a n ta r e c o n c l u d e du n d e rt h es e e p a g e ． T h e nt h er e s u l t so ft h ea n a l y s i sw a sc o m p a r e dw i t ht h ee n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gd a t ao ft h em i n ea r e a ，w i t h i n ac e r t a i ne r r o rr a n g e ，t h e I V 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T s i m u l a t i o nc o n c l u s i o nw e r er e l i a b l e ． 3 T oe x p l o r et h ei n f l u e n c eo ft h em i n et a i l i n g so nt h es u r r o u n d i n g e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h e T w o d i m e n s i o n a l p o i n t s o u r c ef l u x c o n t i n u o u si n je c t i o no fp o l l u t a n tm i g r a t i o ns o l u t i o nw a su s e dt op r e d i c t t h ep o l l u t i o no fm a i nd r a i n a g es y s t e ma n dr e s e r v o i rd i s t r i c t ．T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec o m p u t er e s u l to ft h e s et w oa r e a sw e r ec o n f o r m st ot h eI l l c l a s so ft h eN a t i o n a le n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d sf o rs u r f a c ew a t e r , w h i c hw o u l dn o te c o l o g i c a li m p a c tt h ed o w n s t r e a mo ft h er e s e r v o i ra r e a ． 4 A n a l y t i cr e l a t i o n s f u n c t i o nw a y so fF r e d l u n dw a su s e dt o d e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o e f f i c i e n tp e r m e a b i l i t ya n dm a t r i c s u c t i o n ，t h r o u g hw h i c ht oi m p r o v et h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tt ob ea f u n c t i o n ．H e a v ym e t a lm i g r a t i o np r o c e s su n d e rt h es e e p a g ec o n d i t i o n s w a se x p l o r e di nt h i sa r t i c l e ．C o m p a r et h em i g r a t i o ns t a t u sb e f o r ea n da f t e r i m p r o v e m e n to fm o d i f i e dm i g r a t i o nm o d e l ，t h ei m p r o v e m e n tm e t h o dw a s c l o s e rt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n dt h ef i e l dm o n i t o r i n gd a t a ．A n dt h e n d i s c u s s e dt h e r e g u l a r o fd i s p e r s i o n d e g r e e t h a ti n f l u e n c eo nt h e c o n t a m i n a n tm i g r a t i o n ． 5 O nt h eb a s i so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n a l y s i s ，d i f f e r e n ti n i t i a l c o n c e n t r a t i o na n dd i f f e r e n tm i g r a t i o np a t h so fh e a v ym e t a lp o l l u t a n t s d i f f u s i o nw e r eu s e di nt h i sp a p e r , a f t e rc o m p a r e sa n da n a l y z e st h es t a t u s o ft h em i g r a t i o n ，p u tf o r w a r dt h ek e yp o i n to fh e a v ym e t a lp o l l u t a n t ．A t t h ed e g r e eo ft h ee a r t h ’Sp h y s i c a lc h e m i s t r y , e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n d o t h e ri n t e r d i s c i p l i n a r ya n a l y z e dt h ep o l l u t a n td i f f u s i o nm e c h a n i s m ，a n d f r o mt h em e t a l r e c y c l i n gr e e l e c t i o n ，f i l l i n g ，a c i d i c w a t e ra n d b i o c h e m i s t r yt oa n a l y s i so ft h eg o v e m a n c eo fp o l l u t a n td i f f u s i o n ．A tt h e e n do ft h i sa r t i c l e ，o nt h eb a s i so fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so fb a c k g r o u n d m i n e ，s u i t a b l ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d ，w h i c h p r o v i d e da t h e o r e t i c a li n s i s tf o rt h es a f e t ym a n a g e m e n t ． 3 2F i g u r e s ，2 6T a b l e s ，81R e f e r e n c e s K e y w o r d s h e a v ym e t a l ；t a i l i n g sr e s e r v o i r ；m i g r a t i o ns i m u l a t i o n ； p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ；p o l l u t i o np r e v e n t i o na n dc o n t r o l C l a s s i f i c a t i o n T D 8 6 2 V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 尾矿库重金属污染⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 本文选题及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 尾矿库污染研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 污染试验研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．2 ．3 数值模拟研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．4 迁移机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．2 ．5 尾矿污染防治及评价现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 本文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 ．3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 武平紫金概况及岩土试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．1 尾矿库地形地貌和气象水文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 地质构造和不良地质作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 尾矿库岩土的构成与特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 堆积体岩土参数试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．5 水文地质条件及坝体浸润线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 武平紫金重金属迁移模拟及预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 渗流计算方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．2 溶质迁移方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 迁移数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．1 有限元程序简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．2 建立几何模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．3 水力边界赋值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 求解结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 程序求解结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．2 环保监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．3 二者对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．5 二维解析迁移预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．5 ．1 经验公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．5 ．2 参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 ．3 计算项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 ．4 预测结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 迁移渗透系数的优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．1 迁移渗透系数的取值处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 4 ．1 ．1 常见渗透系数处理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1 ．2 本文渗透系数处理方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 渗透函数改良模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 边界条件确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 确定原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．2 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4 渗流场的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．5 渗流场和溶质模型耦合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．6 渗透系数的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 ．1 优化理论依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 ．2 优化方法步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．7 优化前的迁移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．8 优化后的迁移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．9 弥散度的影响规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．1 0 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 基于数值计算的污染防治分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 5 ．1 污染物迁移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 ．1 毛细作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．1 ．2 溶解沉淀分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．1 ．3 吸附解析分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 基于不同初始浓度的治理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．2 ．1 不同初始浓度的迁移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．2 ．2 控制废水浓度的治理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 基于迁移路径的综合治理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．1 不同迁移路径的迁移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．3 ．2 控制迁移路径的治理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 其他防治措施建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．4 ．1 净化防治措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．4 ．2 尾矿处置措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 5 ．4 ．3 生态保护措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 本文结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．2 论文的主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．3 本项研究的局限性及研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 公开发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 参加的科研工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 V I I 万方数据 中南大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 ．1 研究目的和意义 1 ．1 ．1 尾矿库重金属污染 随着中国社会和经济的快速发展，矿业作为工业的基础产业在整个工业体 系中占着举足轻重的作用，改革开放的三十年来国家工业体系对矿产品的需求在 不断地增加。近年来随着矿床储量及品味的降低和矿产品开采及加工能力的大幅 提升，许多难采矿床及低品位矿体被纳入到新的可采范畴，低品位的矿床的开采 必然会造成采选冶链中尾矿产量的增；D l l V ，2 1 。尾矿是一种重要的矿山设施，它在矿 山的生产及环保体系中扮演着非常重要的角色，如调节矿山地区的地表径流、收 集容纳具有高毒性的选矿废渣废水等，除此之外，随着我国资源的短缺及生产力 的发展它还具有其他新的功能，如可用尾矿砂制作建筑材料、作井下充填胶结材 料等综合利用功能和其他功能【，】。 尾矿库作为一个复杂的自然人为系统，其环境安全受到多方面因素的影响， 既有尾矿库内部水文地质条件又有外部人为因素的管理不善，因此尾矿库在日常 运行的过程中很容易造成各种各样的安全环保问题1 4 1 。近年来尾矿设施和环境问 题越来越受到人们的普遍关注，其中尾矿库重金属泄漏己成为尾矿库环境岩土中 的又一亟待解决的严重问题。有色金属尾矿库在运行过程中，通过选矿排放尾矿 渣生成富含重金属的废水、废石、废渣及废砂等，其中的重金属污染物在降雨淋 漓条件下通过土体的渗流作用进入土壤，通过各种方式，导致区域性的重金属污 染1 5 ，6 】。重金属污染指的是能给环境污染造成毒性及危害的重金属元素及其重金属 元素的化合物，此类物质能够对生态环境及人类的健康造成潜在的影响，在地球 化学领域，把所有元素密度大于5 克／厘米的金属都称为重金属，另外又有一些 元素如硒、砷等，此类物质组成的单质或化合物虽不是金属，它们不具有金属的 各种属性，但据它在生物、环境科学研究中的环境影响和毒性作用也称其为重金 属元素。重金属污染物在自然状态下很难被分解，并且多数重金属元素能够不知 不觉中通过生物作用在植物体及动物体内进行聚集，最终在自然界中的食物链的 作用下累积至生物链的最高层，其浓度也数以千倍万倍的增加，最终被食物链输 送到整个自然界食物链的最高级人类。重金属污染不仅影响农产品的产量和 质量，甚至通过食物链可以累计转换成更多的有毒化合物形式危害所在地区人体 及牲畜的生命健康，对矿山和周围人们的生活和健康构成重大危害【，，8 】。因此，矿 山重金属污染成为当前需要解决的重大环境问题。 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 。1 。2 本文选题及研究意义 矿产资源是自然界中非常重要的资源，人类的各项活动都与其相关，人类 社会的工业活动及生产加工业都涉及到矿产产品及其附属资源。进入新世纪以 来，随着矿物资源的逐步开发，其储量正在逐渐的枯竭，生产力的发展也使人类 掠夺自然资源的速度成倍地增加，强度也是空前的，给矿产资源的可持续发展造 成了巨大的压力。在人类开发和利用矿产资源的过程中，通过改变矿产品的自然 存在状态，使得矿产品 重金属 人为地富集，这种富集的矿物质如发生泄漏就 很容易造成区域内的重金属污染事件，危害区域内的生态环境及人类的健康【9 ．1 z ] 。 在我国，有色金属矿山尾矿库在全国的范围内普遍存在，其库存中的重金属元素 即潜在的生态灾难。 在当今的人类社会发展的物质进程中，日常生活中人类的衣、食、住、交通、 日常生活、医疗等各方面都取自于矿产资源，因此矿产资源可谓为国民经济的支 柱产业，具有不可替代的作用。矿产资源的普遍性重要性催生了我国矿产事业的 逐步发展，尾矿库作为矿产资源产业链中的一环，也随着国民经济的发展而逐步 增多。在我国，尾矿库随着我国经济的发展而逐渐增多，许多产业都有尾矿库， 其中主要冶金和有色行业占了绝大多数，其他行业约占2 0 ％，因为有色金属矿石 品位不高，通过采矿及选矿活动将产生大量的尾矿，重金属污染主要是通过尾矿 释放到周围环境。此外，由于固体尾矿的无害化处理、污染控制、污水处理和土 地恢复等技术研制和当前大规模开发的矿产行业不相适应，当前这一矛盾己经开 始暴露，并催生了潜在的环境问题，严重阻碍了矿山企业及人类社会的持续发展。 对矿山尾矿库重金属污染的迁移研究涉及到岩土、资源和环境科学领域，对 尾矿库的污染预防和控制进行深入研究是必要的，具有重要的理论价值，对我国 经济的持续发展及环境的和谐发展都具有非常重要的意义。长期以来，学者们对 尾矿库重金属污染迁移扩散做了了大量的研究【1 3 。- 】，但针对重金属元素在尾矿库 渗流场中的迁移机理及迁移规律研究还较少，并没有成体系的研究理论，因此还 需加强研究。 1 ．2 国内外研究现状 污染物具有通过渗流作用汇集在土壤中的特性，其污染及毒性影响到土壤和 地下水聚集区中的生活用水。正由于尾矿区重金属迁移对人类产生的影响不断增 大，在过去的几十年以来，国内外环保领域的很多学者都把关注点放在研究染物 的迁移方面，注重分析尾矿库的重金属迁移机理，因此不难看到有关尾矿库尾矿 重金属迁移释放的研究文献，尾矿库是重金属主要聚集的场所，学者们就重金属 的汇聚对周边生态环境造成的地球化学效应影响己做了很多研究【2 0 ’2 l 】。同时，微 2 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 量元素在土壤中的积淀，经由食物链在矿区周边向矿区生态进行转移也是一个研 究方向，其研究领域一般都涉及地球化学、生态学、病理毒理等相关研究领域， 是一个交叉领域。近年来，尾矿库重金属迁移这些研究领域皆取得较多重要的研 究成就。总结起来，目前国内外针对重金属迁移方面所做的研究主要分为试验研 究、仿真模拟研究、迁移机理研究和环境评价等这几个个方面。 1 ．2 ．1 尾矿库污染研究进展 目前，在对尾矿库的研究方面，通过对2 0 0 3 ．2 0 1 2 年近十年来的知网C N K I 进行分析，从学者们关注及检索的频率数据可以看出尾矿库污染研究的大致进 展，如下表。分析可见，近十年来，尾矿库事件的频发致使学者们对尾矿库的关 注度逐年上升，并且研究的相关论文也不断攀升【2 2 】。其研究集中在尾矿库的安全、 稳定性、渍坝、浸润线及防渗渗漏等方面【z ，] ，但其中对尾矿库重金属污染研究还 很少，并未随着学者们对尾矿库研究的增加而增加。如下图l l 所示，近十年来 社会及媒体对尾矿库重金属污染的的关注度逐渐攀升[ 2 4 2 5 ] ，这和学者们的研究关 注度形成鲜明的反差，凸显出了近年来学者们对尾矿库安全、污染等研究方面的 缺乏及不足。 袁1 - 12 0 0 3 年到2 0 1 2 年与尾矿库相关文献的检索统计袁 万方数据 中南大学硕士学位论文 I 绪论 图1 ．1 尾矿库重金属污染的社会及媒体关注度 在国内众多学者通过调查，收集了国内多座矿山的周边发生的重金属污染历 史数据，以此来探索重金属的污染规律。其中最为突出的是中南大学的学者，如 参考文献中，廖国礼等 见参考文献[ 3 ] 应用数学理论预测模型方法预测尾矿 库区重金属元素的污染状况，并且建立