铀尾矿库区浅层地下水中 U( Ⅵ )迁移的模拟.pdf

第41卷第1期原子能科学技术Vol. 41 ,No. 1 2007年1月Atomic Energy Science and TechnologyJan. 2007 铀尾矿库区浅层地下水中UⅥ迁移的模拟 谢水波1 ,2,陈泽昂1,张晓健2,王开华1,王清良1,吕俊文1 1 1 南华大学 建筑工程与资源环境学院,湖南 衡阳 421001 ;21 清华大学 环境科学与工程系,北京 100084 摘要在详细分析中国南部某大型铀水冶尾矿库的结构特点、 运营情况和库区水文地质条件的基础上, 对库区水文地质条件进行概述,运用溶质反应2运移模拟软件PHREEQC2Ⅱ,建立研究区 U Ⅵ在浅层 地下水中迁移的一维溶质反应2输运耦合模型,并分析在不同时间、 距离、 扩散系数、 弥散度等条件下铀 在铀尾矿库区浅层地下水中的迁移,即铀浓度随时间及距离的变化。模拟结果与现场观测资料基本吻 合,表明该软件能较好地模拟 U Ⅵ的迁移情况,证明了该模型的可行性。研究还表明,弥散作用对铀 迁移有显著影响,弥散度的取值是模拟可靠与否的关键参数,而分子扩散对本模拟的影响可忽略不计。 关键词PHREEQC2Ⅱ 程序;核素迁移;溶质反应2输运耦合模拟;铀水冶 中图分类号X837 文献标识码A 文章编号10002693120070120058207 Simulation of UⅥ Migration in Shallow Groundwater at Uranium Mill2Tailing Site XIE Shui2bo1 ,2, CHEN Ze2ang1, ZHANG Xiao2jian2, WANG Kai2hua1, WANG Qing2liang1, LU Jun2wen1 11School of A rchitectural Engineering and Resources Environment , N anhua University , Hengyang421001, China;21Department of Environmental Science and Engineering , Tsinghua University , Beijing100084, China Abstract Based on the analyses of the structure characteristics , running and hydrogo2 logical conditions of the uranium mill2tailing site in southern China , the geological and hydrogeological conditions were summarized. Then the one2dimension coupled solute re2 action2transport numerical model was employed to simulate the U Ⅵ migration in shal2 low groundwater at the site studied here using PHREEQC2Ⅱcode. The U Ⅵ concen2 tration distribution as a function of time and distance was calculated and analysed with various diffusing coefficients anddispersioncoefficients.Theresultsshowthat 收稿日期2005207214 ;修回日期2005208225 基金项目国家自然科学基金资助项目10475038 ;国家出国留学基金资助项目200123048 ;湖南省自然科学基金资助项目 05JJ30094 作者简介谢水波1964 , 男,湖南岳阳人,教授,博士,辐射防护与环境保护专业 PHREEQC2Ⅱcode can successfully simulate the U Ⅵ migration in shallow groundwa2 ter of site studied here.The effect of dispersion on the U Ⅵ migration in shallow groundwater is significant , while the molecule diffusion can be ignored in this model. Therefore , the dispersion coefficient is a key parameter in this modelling. Key words PHREEQC2Ⅱcode ; radionuclide migration ; coupled solute reaction2trans2 port simulation ; uranium mill2tailing site 铀矿采、 选、 冶产生的废石和尾矿砂[1]多以 废石堆或尾矿库形式露天存放,铀废石、 尾矿不 仅含有238U、 230 Th、 226 Ra、 222 Rn、 210 Po、 210 Pb等 放射性核素,而且含有As、Pb、Ni、Cd、Cr、Hg、 Zn等有害物质,把它们与环境永久隔离,难度 很大。因此,铀矿冶废石、 尾矿对环境的影响是 长期的[2]。 我国某尾矿库经过30多年的运营,现已成 为滩面面积1147 km2、 堆存尾矿砂2107t、 二 库联用、 周圈堆坝、 中心排水的大型平地型铀尾 矿库。尾矿库中的尾矿砂直接暴露于大气中, 在大气降雨的淋滤作用下,含有的放射性核素 和毒性重金属很易进入浅层地下水,对周围环 境造成潜在危害。因此,有必要研究尾矿库区 核素在浅层地下水中的迁移状况,为该尾矿库 的退役治理提供理论依据。 1 研究区概况 研究区尾矿库已运行30余年,共贮存尾矿 2107t ,尾矿平均厚度15 m ,最大厚度40 m。 尾矿颗粒度为01003～5 mm ,粗砂集中在 01074～2 mm间,所占质量份额为35 ,细泥 分布在01074 mm以下,占65 。因尾矿砂堆 积时具有由边缘向内部、 颗粒由粗变细的特点, 故使库边缘的尾矿粗砂占的比例很大,其渗透 系数 0 123 m/ d明显高于库底所垫的粘土层 厚30～40 cm及下伏的第四系亚粘土、 粘土 的渗透系数。尾矿及坝体粘土中水的渗透系数 列于表1。 尾矿库南宽、 北窄,近似梯形,占地117 km2。 库区平均降水量1 233～1 363 mm ,平均蒸发 量1 394～1 533 mm,平均气温1715～1719℃。 Y江在研究区内呈 “ Ω” 型弯曲,环绕尾矿库的 南、 西、 北3个方向,河床基底为第三纪红色岩 层。据水文站观测资料可知,该江平均水位 47186 m。研究区内沿Y江东侧发育有3级阶 地Ⅰ 级阶地由全新统组成,海拔50～60 m ,主 要含水岩组为全新统砂卵石层,水位埋深1～ 3 m ,砂卵石层的孔隙率3716 ～42 ,水的渗 透系数47194～67184 m/ d ,地下水水力坡度 012 ～013 ;Ⅱ 级阶地由上更新统组成,海拔 60～70 m ,主要含水岩组为全新统及更新统砂 卵石,其上部被3～12 m弱透水不等厚红色粘 性土亚粘土水的渗透系数01003～01023 m/ d , 粘土水的渗透系数01027～01164 m/ d覆盖, 地下水埋深314～7 m ;Ⅲ级阶地由冲洪积、 残 积层组成,中顶部呈丘陵状,海拔75～85 m ,水 位埋深418～813 m ;Ⅱ、 Ⅲ 级阶地的砂卵石层 常夹杂较多的粘土成分,透水性弱,渗透系数多 介于4139～8104 m/ d间;水力坡度01008 ～ 115 ,径流条件差。尾矿库正处在该级阶地顶 部的近南北向延伸的凹地内,原地形标高52～ 62 m ,尾矿库后的基岩侵蚀丘标高95～104 m。 研究区西部以Y江为边界,东部以该区地 表分水岭为界。本区的地下水总体流向由东向 西,在Y江 “ Ω” 弯曲口的南北边以流线为边界。 地下水及尾矿库库水中的化学成分列于表2。 2 数学模型与边界条件 211 概念模型与边界条件 尾矿库北、 西、 南3面为Y江包围,故模型 在此的边界可设为河流边界。模拟区东侧为地 表1 研究区尾矿及坝体粘土中水的渗透系数 Table 1 Permeation coefficients of water in gangue and clay at studied site 土类型 垂直渗透系数/ cms- 1 最小均值最大均值均值 水平渗透系数/ cms- 1 最小均值最大均值均值 尾矿砂410910- 4116610 - 3 416710 - 4 711310 - 3 111210 - 2 916710 - 3 粘土质矿泥615810- 6112010- 5213210- 4419010- 4313010 - 4 坝体粘土713710- 6313810 - 5 114510 - 5 111810 - 6 410810 - 6 119810 - 6 95第1期 谢水波等铀尾矿库区浅层地下水中 U Ⅵ迁移的模拟 形最高点,是一地表分水岭,下第三系的基岩在 此出露地表。其东侧2～3 km范围内发育的 是Y江支流Z河的三级河流阶地,野外实地观 测证实,其岩性组成与Y江各阶地基本对应, 据此可推断此处也是地下分水岭,可将其设 为一隔水边界。因模拟区内的地下水总体流 向为由东向西,故模拟区的南、 北两侧可以流 线为边界,将其亦设为隔水边界。整个模拟 区地表设为降水入渗边界。据当地降雨资料 及有关的水位动态监测资料,求得区内降水 入渗系数为01058 ,而该区多年平均降雨量为 1 233～1 363 mm ,故降水入渗量取7115～ 7910 mm/ a。 尾矿库中废水或降雨的垂向渗漏量不仅影 响模拟区的流场分布,而且影响浓度场的分布, 它是一关键边界条件。尾矿库复杂的运行史以 及库坝的几次改建和加固,使得精确确定尾矿 库运营期及退役后的垂向渗漏量变得极为困 难。在本次模拟中,假设尾矿库运营期1963 1994和退役后尾矿库垂向渗漏量分别为一定 值。参考马腾等[8]的研究结果,取运营期尾矿 库垂向渗漏量为7103105m3/ a ,折合降雨量 则为478 mm/ a ,尾矿库退役后假设每年降入 库中的雨水全部下渗,则库水垂向渗漏量为 1173105m3/ a ,折合降雨量则为76 mm/ a。 模拟中将尾矿库设为一溶质通量边界,对 应于上述尾矿库垂向渗漏量,通过给尾矿库垂 向渗漏量的废水赋一铀浓度值来实现溶质通 量。依据内部资料,取尾矿库运营期间垂向渗 漏废水的铀浓度为01705 mg/ L ,尾矿库退役后 库水垂向渗漏液中铀浓度为01403 mg/ L。 粘土作为一道屏障,在尾矿库中的 U Ⅵ 向浅层地下水系统迁移过程中起着关键的阻滞 作用,根据马腾[9]利用DLM Diffuse Layer Model计算的结果,取p H 411 时 U Ⅵ的 分配系数为01002 5 L/ g。 与铀相关的一些参数如下地下水中铀的 背景浓度01029 mg/ L ,运营期间和退役后废水 中铀浓度分别为01705 mg/ L和01403 mg/ L , 238U 的半衰期415109a。另外,研究区土层 中铀的分配系数、 水的扩散系数、 弥散度及土层 密度列于表3。 212 核素迁移的反应2输运方程 鉴于研究区的松散介质为机械破碎的铀尾 矿砂,粒度较为均匀,模拟中假设多孔介质是各 向同性且均质的。对于本尾矿库,因人为设计 粘土垫层后堆放,基本可忽略垂直向地下含水 层入渗,简化为一维纵向弥散地下水运动。如 果仅考虑吸附和放射性衰变,核素输运方程可 用二阶偏微分方程[3 ,4]表示 表2 研究区地下水及库水中的化学成分及浓度 Table 2 Concentration of chemical components in groundwater and repertory water at studied sitemg/L 样号取样时间pHρCaρMgρNa Kρ F - ρ Cl - ρ SO 2 - 4 地下水1998年9月61581341353411459190114773153366101 尾矿库库水1998年10月61738829226110661055242 990 样号取样时间ρ HCO-3ρ NO - 3 ρ NH 4 ρU地下水位/ m地下水流速/ md- 1 地下水1998年9月1021271641661614001104661900170 尾矿库库水1998年10月4115502011201132 注表中数据均为平均值 表3 研究区土层中铀的分配系数、 水的扩散系数、 弥散度及土层密度 Table 3 Distribution coefficients, density, diffusion coefficients and dispersion coefficients in clay at studied site 序号岩性分配系数/ m3kg- 1密度/ kgm- 3扩散系数/ cm2s- 1弥散度/ m 1亚粘土010622 00011010- 91416 2卵石层010592 65011010- 92711 3砂页岩010562 16011010- 977 06原子能科学技术 第41卷 Rd 5C 5t - 5 5x D 5c 5x 5 5x uC λRdC - qs θC s0 1 Rd1ρ b θ Kd2 式中Rd为核素的阻滞系数;C为液相中核素浓 度,Bqcm - 3 ;t为迁移时间,s;x为地下水主 流方向上的距离,cm ;D为弥散系数,cm2 s - 1 ;u为平均渗流速度,cms - 1 ;λ为核素衰变 常量,s - 1 ;qs为单位时间向单位体积含水层抽 负或注正水量,s - 1 ;θ为体积含水量;Cs为 源或汇中核素浓度,Bqcm - 3 ;ρb为介质干容 重,kg/ m3;Kd为分配系数,m3/ kg。 213 模型求解与模拟软件 PHREEQC2Ⅱ 是美国地质调查研究所开 发的水文地球化学模拟软件[526]。它不仅可描 述局部平衡反应,还可模拟动态生物化学反应 及双重介质中的多组分溶质的一维对流2弥散 过程。对多溶质溶液,PHREEQC2Ⅱ 采用一系 列方程来描述水的活度、 离子强度、 不同相物质 溶解平衡、 溶液电荷衡算、 元素组分衡算、 吸附 剂表面的质量守恒等。根据用户的输入命令, PHREEQC2Ⅱ 将选择其中的某些方程来描述 相应的化学反应过程,采用改进的Newton2 Raphson方法进行迭代求解。考虑到动态生物 和化学反应的复杂多样性,它准许用户用Basic 语言编写相应的动态反应语句直接嵌入输入文 件或数据库。PHREEQC2Ⅱ采用Runge2 Kutta法,通过反应速度在时间上的积分来模 拟动态反应过程。它还可描述双重介质中含有 多组分化学反应的一维对流2弥散过程,采用分 裂算子技术,每个模拟时段内先进行对流项计 算,之后,进行化学反应项和弥散项的计算,再 重新进行化学反应项的计算。PHREEQC2Ⅱ 目前在国内的应用多限于进行化学组分的分 析,涉及其溶质运移和动态化学反应功能的尝 试尚不多见[7]。 214 模拟对象 尾矿库中含有U、Th、Ra等多种放射性核 素及其子体,因关于238U的基础资料较其他核 素多,238U与其他几种核素相比,其迁移能力 强,半衰期长,本模拟仅选择238U。通过对研究 区水文地质条件的概化,建立研究区 U Ⅵ在 地下水中迁移的概念模型。将上述边界条件和 参数代入相应的水流方程和溶质运移方程,得 到关于研究区 U Ⅵ在地下水中迁移的数学模 型,在此基础上编写相应的输入文件[10 ,11]。 3 模拟结果与讨论 本文主要模拟了尾矿库退役后 U Ⅵ的迁 移状况。依据长期观测资料,所用参数为阻滞 因子Rd 428 ,扩散系数Df 11010 - 9 m2/ s , 弥散度α 40 m ,渗流速度 u 0170 m/ d , T1/ 2238U 415109a ,库 水 中 铀 浓 度 ρ0 01403 mg/ L ,地 下 水 中 铀 的 背 景 浓 度 ρb 01029 mg/ L ,迁移距离L 0～10 km ,迁 移时间尾矿库退役后t 0～10 000 a ,稀释倍 数为9倍。参照国家生活饮用水卫生标准 GB 5749 85 取放射性指标的上限,取铀浓度cs 0105 mg/ L 0121μmol/ L ,输入文件中所采用 的库区地下水中的化学成分参见表2。不同条 件下 U Ⅵ的迁移模拟结果示于图1～4。图 中,以GB表示的直线为由国家生活饮用水卫 生标准中放射性指标所转换的铀浓度cs。 311 稀释作用的影响 由图1可知,不论存在稀释作用与否, U Ⅵ的迁移随时间均呈现峰值推进形式,时 间越长,浓度峰值迁移越远,受核素污染的范围 越大,这与长期观测较为吻合。在有稀释作用 时 ,U Ⅵ的迁移与无稀释作用时的相差很小, 说明稀释作用在该库区影响不明显,这主要是 由于本模型采用的是一维水平流动,未考虑纵 向迁移有关。因此,有必要结合其它模拟软件 往三维方向发展。 312 弥散作用和扩散作用的影响 由图2可看出 ,U Ⅵ的迁移距离随着扩 散系数Df的增大而增加。这说明,分子扩散 越激烈,核素迁移越远,这与迁移理论相符。但 在扩散系数相差4个数量级的情况下,曲线未 发生很大变化,如Df 10 - 9 cm2s - 1 、5 km处 的 U Ⅵ浓 度 为1168μmol/ L ,而Df 10 - 11 cm2s - 1 、5 km处 的 U Ⅵ浓 度 为 1170μmol/ L ,两者几乎相等,这进一步说明了 扩散作用对模拟结果的影响不大,基本上可忽 略不计。由图2b还可看出,当考虑弥散作用 16第1期 谢水波等铀尾矿库区浅层地下水中 U Ⅵ迁移的模拟 时,其作用较为明显,图2b中 U Ⅵ的浓度过 渡较为平滑;无弥散作用图 2a 时 ,U Ⅵ的浓 度将存在一突变的迁移区域,说明弥散作用对 核素迁移影响较大。 由图3可知,扩散作用忽略与否对不同弥 散度下 U Ⅵ浓度的分布无影响,这进一步说 明扩散作用可忽略不计,相反,却反映出弥散作 用对核素迁移的影响很大。在其它条件相同的 情况下,随着弥散度增大 ,U Ⅵ浓度开始变低 的距离将缩短,但 U Ⅵ迁移得更远。因为随 着弥散度的增大,库水中的 U Ⅵ更易随水迁 移,其迁移距离相应更远。 比较图2a和3a、 图2b和3b也可知,弥散 作用的影响在本次模拟中是最显著的。 313 UⅥ浓度的时空分布情况以及UⅤ 浓度随pH值变化的分布状况 图4示出 U Ⅵ浓度的时空分布及 U Ⅴ 浓度随p H值变化的分布状况 。 图4a示出尾 26原子能科学技术 第41卷 矿库退役后不同时期在水流主轴方向由东向 西上不同距离处的 U Ⅵ浓度分布。例如,在 100 m处,尾矿库退役后100 a时的浓度为 1133μmol/ L ,远超过国家饮用水标准 GB 5749 85 中放射性指标换算来的0121μmol/ L。 这一结果可为尾矿库退役后进行风险评价以及 治理等提供较有价值的参考,同时,也说明了尾 矿库退役治理工程实施的必要性。 同时,由于地下介质中水的p H对铀的存 在形态影响很大,因而,模拟考察了p H值对铀 迁移的影响,为拟采用调节尾矿库库水p H的 方法来控制核素污染提供数据。以 U Ⅴ为目 标物,模拟了 U Ⅴ在不同p H值下的迁移图 4b 。从图4b可看出,p H对 U Ⅴ浓度的影响 明显,最高与最低浓度相差约16个数量级,可 见,p H对不同价态铀的存在形式的影响是明 显的。从模拟结果来看,建议调节尾矿库库水 的p H≈615。 南华大学建筑工程与资源环境学院曾采用 Visual MODFLOW软件对该尾矿库区地下水 中核素迁移进行三维数值模拟,预测了未来 1 000 a内的迁移。模拟结果显示,地下水中的 核素受库底亚粘土的阻滞,迁移速度缓慢,在水 平流向上的流速为014 m/ a。本研究所得出的 结果与之相比是偏大的,原因是 1 软件功能 的侧重点不同,Visual MODFLOW偏向于数 值模拟,PHREEQC2Ⅱ 侧重于水文地球化学过 程模拟 ;2 水流维数不同,前者是三维的,后者 是一维的,一维的主要用于纵向迁移为主的研 究 ;3 参数的选择不同,本研究中所选用的参 数基本上是均值,忽略了某些参数如渗透系数、 弥散度的空间变异性、 介质的非均质性等,这可 能是导致结果偏高的主要原因 ;4 鉴于理论模 型的发展,本工作所采用的模型可能不能理想 描绘核素在地下水中的迁移,从而出现计算结 果误差较大的情况,但模拟结果基本上可满足 工程需要。 4 结论与建议 本文以南方某大型铀尾矿库为例,研究给 出了采用PHREEQC2Ⅱ 软件进行核素一维溶 质 反 应2运 移 模 拟 的 计 算 结 果,表 明 PHREEQC2Ⅱ 软件对于描述多组分溶质在地 下水中的运移以及进一步进行地下水污染控制 和治理是适用的,模拟结果可为核废物处置库 的退役治理提供技术支撑。 PHREEQC2Ⅱ 是以描述水化学反应功能 为主的软件,目前主要用于一维对流2弥散溶质 运移的模拟,对复杂的三维地下水流动和溶质 反应运移的模拟则不适宜。因此,在进一步研 究工作中需考虑将PHREEQC2Ⅱ 嵌入三维地 下水运动和溶质运移模型,来解决复杂地下水 流情况下溶质运移的化学反应问题。 反应运移模拟强烈依赖于可取得的实地技 术参数。在含水层中,少部分矿物如方解石和 黄铁矿,对含水层中的化学反应可能有较大影 36第1期 谢水波等铀尾矿库区浅层地下水中 U Ⅵ迁移的模拟 响。更为关键的是,在特定的时间内是否会发 生某一特定的氧化还原反应主要取决于含水层 中的酸碱度。因此,在耦合反应模拟时,进行任 何预测均应结合实验室模拟与现场试验,以取 得较为真实可信的技术参数,尽量避免所采用 的技术参数的不可靠性所导致模拟结果没有任 何价值的情况出现。 模拟中采用的参数基本上取于其长期观测 平均值,未充分考虑介质的非均质性、 各向异 性、 地下水呈三维流动、 地下水中微量化学成分 等因素,因此,有必要对迟滞因子、 地下水流速、 扩散系数、 弥散度等的取值进行不确定性分析, 引入不确定性理论对其取值进行探讨,进一步 改进模型,在逐步逼近真实核素迁移情况的条 件下再对尾矿库退役后的治理进行风险评价。 参考文献 [1] 李学群.铀矿冶污染治理[ M].北京中国环境 出版社,1996. 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