锰矿区土-水界面重金属污染流迁移转化机理及其过程数学模型研究

The mechanisms and the mathematical models of the heavy metals pollution in stream, involved in the migration and transformation in water-soil interface in manganese mining, are not still revealed, which is difficult to assess, control and treat. As such, this project intends to study the mechanisms and models in detail, especially those resulting from rainfall through indoor and outdoor rainfall model test, indoor static and dynamic leaching test, data test and analysis, principal component analysis with the red flag mine in Hunan, China, as research object. In this project, a coupled hydrodynamic model of dissociation and transformation of the heavy metals in soil-water interface will be established based on these studies on the kinetics of diffusion, dispersion, adsorption and desorption as well as others such as the coupled hydrodynamic model, the water infiltration process of Ph1liP, Green-AmPt and one dimensional algebraic infiltration formula, a lumped parameter model of the migration, the mixing depth and solute migration model. Moreover, a mathematical model for describing the process of infiltration and migration of heavy metals by rainfall and surface runoff, respectively, will be created in combination of ARCGIS and RS. Overall, this research will benefiting understanding of the heavy metals pollution in stream containing influence mechanism, modeling of rainfall infiltration and migration process by surface rainfall while providing a theoretical knowledge of the pollution assessment, control and treatment, and regional water environment protection, which would be helpful for other metals mining, promoting their harmonious and sustainable development. Thus this project is great significance.

针对锰矿区土水界面重金属污染流迁移转化影响机制及过程数学模型不明确，及其难评测、控制与治理等问题；以湖南锰矿红旗矿区为研究区，通过室内外降雨模型试验与室内静动态淋溶试验研究、测试与数据分析、主成分分析法；系统研究降雨径流作用下矿区土水界面重金属污染流产生、及其随降雨入渗及地表径流迁移转化的影响机制；引入扩散、弥散、吸附解吸反应动力学方程及耦合水动力学模型、积水入渗过程Ph1liP、Green-AmPt和一维代数入渗公式、集总参数迁移模型、混合深度和基于溶质解吸迁移模型，建立重金属在矿区土水界面迁移转化耦合水动力学模型，结合GIS与RS技术构建矿区土水界面重金属污染流中重金属随降雨入渗及地表径流迁移过程数学模型；为解析土水界面重金属污染流迁移转化影响机制、模拟其随降雨入渗及地表径流迁移过程、以及污染流评测、控制与治理、区域水环境保护等提供理论基础，可被其它金属矿区借鉴，促进矿区和谐持续发展。

本研究以湖南锰矿红旗矿区为研究区，通过野外实验、GPS定位采样、分析测试和数据处理、理论分析、模型构建，研究降雨径流作用下锰矿区土-水界面重金属污染流产生及来源、空间分布、及其迁移转化的影响机制及过程数学模型等，具体研究成果如下：. （1）结合ArcGIS软件，建立了结合GPS技术的研究区采样方案；通过测试分析、方差分析、数据处理，得出了降雨径流作用下锰矿区土-水界面重金属（Mn、Zn、Cu、Pb、Ni、Cd）的污染流的组成、来源、空间分布分析与结构特征等特征。. （2）采用ICP-OES、XRD以及Tessier顺序五步提取法，探明了红旗矿区尾矿库中锰矿废石的基本元素含量、物相组成及赋存形态。 通过静态及动态实验，探究了扰动、固液比、粒径、降雨强度、降雨pH值以及降雨历时主要影响因素对重金属Mn、As和Pb溶出的影响规律。. （3）通过动态淋溶试验，得出降雨作用下污染土壤-雨水界Mn及As、Pb淋溶释放机理及其影响机制。采用Elovich方程模型、双常数方程模型以及S型曲线DoseResp方程模型进行拟合重金属释放动力学模型，得出了Mn及As、Pb释放动力学模型。. （4）通过授权的发明与实用新型专利，建立了室内降雨作用下土水界面污染流迁移转化试验平台，对重金属锰在土壤竖向上的迁移进行模拟分析，获得水动力弥散系数、吸附分配系数等重要水动力学参数，运用Hydrus软件建立了耦合水动力学模型，很好地对重金属锰在土壤中的迁移过程进行描述，揭示其迁移转化的影响关系及影响机制。. （5）通过室内土壤淋溶实验，得出土壤的各项特征参数，结合GIS、RS与VISUAL MODELFLOW软件、Green-AmPt和一维代数入渗公式、研究区水文地质条件，构建了锰矿区土-水界面重金属污染流中重金属Mn随地表径流迁移数学模型和定解条件，应用所建立的数值模拟模型对尾矿库地下水污染物迁移进行预测分析，并对锰金属污染治理给出一些建议。. 本项目国内公开发表论文15篇，其中国外SCI源刊10篇，国内期刊论文5篇，授权发明专利2项，实用新型专利12项，培养研究生5名。