蒸发驱动盐分迁移的数值模拟研究：高盐尾矿上覆蓄水-释水型土壤覆盖层的防盐机制与优化设计

本文通过构建耦合液态水、水蒸气、热量与溶质传输的一维数值模型，系统研究了高盐尾矿（hypersaline tailings）上覆单层蓄水-释水（SR）土壤覆盖层的防盐性能。模型经柱试验验证后，模拟了三种典型覆盖材料（粉土、细砂、黏土）在不同尾矿压实度下的蒸发行为与盐分分布。研究发现尾矿压实可减少63%的盐分表聚，提出的"盐化面（salinization plane）"概念可有效界定覆盖层内最大盐化深度。粉土因兼具较强阻盐能力与适度释水性，被证明是最优覆盖材料。本研究为矿山尾矿库（TSF）生态修复中的覆盖层设计提供了关键理论依据与数值预测工具。

　　

引言

矿山尾矿作为采矿作业的主要副产品，通常以泥浆形式输送至陆地尾矿储存设施（TSF）进行沉积。设计良好的TSF及相应的闭库计划有助于实现尾矿运营期间的稳定管理，并显著节省未来修复成本，持续减少对当地环境的不利影响。土壤覆盖层已被广泛应用于TSF的退役过程中，以避免侵蚀、防止污染物浸出和支持植被生长。在干旱和半干旱地区，这种低成本的单层屏障可在短暂雨季保持水分，并在后续旱季通过蒸发（或蒸散）释放储存的水分，此类覆盖系统通常被定义为"水分储存-释放"（SR）覆盖层。

当土壤覆盖层置于高盐尾矿之上时，尾矿中的溶解盐会在分子扩散、蒸发驱动的平流和机械分散作用下向上迁移。由于覆盖土壤与下伏尾矿之间存在尖锐的溶质浓度梯度，当覆盖层-尾矿界面完全饱和时，溶质扩散开始启动。随着蒸发的进行，覆盖层中的非饱和区向下扩展，引发较低深度的孔隙水向上平流通量，显著加速盐分吸收。虽然覆盖层中的水分损失会减少溶质扩散，但平流在驱动盐分向上迁移中起主导作用。这一过程的进一步发展增加了覆盖层土壤盐化的风险，导致植被退化。

方法论

数值模拟采用SUTRAVAP模型，该模型是美国地质调查局开发的SUTRA?的改进版本，能够模拟一维水盐运移。模型能力通过考虑表面阻力、盐分阻力和空气动力学阻力来实施蒸发过程，并包含非饱和土壤中的水蒸气流动、盐分沉淀和蒸发过程中的热量传输。主要数学模型包括结合液态水和水蒸气的质量传输方程、盐分传输方程和热量传输方程。概念模型模拟了单层覆盖系统中一维水、盐和热量传输，模型域ABCD包含一个土壤覆盖层和下伏的高盐尾矿层，与仪器柱的配置一致。蒸发发生在土壤表面（AD），由土壤表面和大气条件之间的水蒸气密度梯度驱动。非饱和土壤中发生液态水流动和水蒸气流动，前者主要发生在汽化面和水位之间，而后者被认为是汽化面以上水分移动的唯一方式。

模拟案例设置基于50天干燥校准，使用常规SR覆盖材料（细砂、粉土和黏土）覆盖压实和粗粒尾矿，以探索覆盖组成对单层覆盖系统中蒸发和盐分迁移的影响。所有模拟案例总结于表中，以材料类型首字母命名（如CT表示压实尾矿；SCPT表示粉土覆盖压实尾矿）。首先进行了两种无覆盖尾矿的模拟，以证明其干燥行为并评估覆盖的整体性能。这两种尾矿类型使用过去研究提供的水文参数定义。覆盖场景的基准案例是粉土覆盖压实尾矿的扩展校准模拟，为期1年，无额外供水。覆盖厚度（如果考虑）设定为0.6米。

结果

数值模型校准结果显示，模型很好地捕捉了覆盖土壤和尾矿中水、盐和热量传输的时间趋势。脱饱和主要发生在土壤表面附近，50天后表面以下形成了50毫米厚的干燥土壤层。从下伏尾矿到覆盖土壤的向上盐迁移不明显，因为在覆盖层-尾矿界面附近没有发生向上水流，盐分移动主要由扩散而非蒸发驱动的平流和分散驱动。尽管现场昼夜气温变化明显，测量的土壤温度梯度主要存在于200毫米深度内。模拟的温度剖面与测量结果吻合良好，验证了模型中分配的初始温度和热导率。

无覆盖尾矿的干燥行为模拟表明，压实尾矿由于其极低的渗透性，表面迅速干燥，饱和度从1降至近0.2，导致蒸发速率从潜在的6毫米/天急剧下降至0.5毫米/天。从第1天到第20天，表面形成低热导率的干燥尾矿层，导致尾矿温度显著升高，并在第3天促进蒸发速率略有上升。缓慢的液态水流（向上）无法为汽化提供足够的水分并维持增加的蒸气通量，导致50天后蒸发速率进一步降至0.2毫米/天以下。尽管在近表面形成了厚度达0.1米的干燥尾矿层（以蒸气流动为主），但0.2米深度以下的尾矿保持近乎完全饱和。0.15米深度内的溶质浓度由于局部脱饱和而增加。鉴于压实尾矿的残余水饱和度相对较高（0.2），增加的溶质浓度仍低于溶解度极限，因此在整个干燥过程中尾矿中未发生明显的固体盐沉淀，孔隙度也未因盐沉淀而发生显著变化。

粗尾矿的干燥模式与压实尾矿不同，其整体深度发生脱饱和，干燥尾矿层仅在20天后形成。这主要是由于其较高的固有渗透率和比压实尾矿"更硬"的土壤水分特征曲线（SWCC）。从开始到第20天，蒸发过程中 subsurface 的向上液态水流占主导，导致高速率的大量水分流失和表面显著的溶质积累。由于汽化面在表面保持了27天，顶部0.2米深度内的温度剖面上升幅度小于压实尾矿。随着蒸发的进行，粗尾矿表面的溶质浓度达到溶解度，溶解的盐开始在地表以上沉淀为盐霜，进一步阻碍蒸发过程。一旦形成干燥尾矿层，蒸发显著减弱至0.6毫米/天的低速率，主导通量从液态水转变为水蒸气。沉淀的盐占据固体尾矿颗粒之间的部分孔隙空间（作为亚霜），导致干燥层孔隙度减少。随着汽化面向下移动，产生更多亚霜，蒸发速率进一步降低。

覆盖场景的性能通过其释放孔隙水和限制盐分吸收的能力进行评估。粉土覆盖两种尾矿的案例（SCPT和SCT）随时间具有相似的蒸发速率，但尾矿中的饱和度剖面和覆盖层中的盐分分布不同。在SCPT案例中，尾矿在365天模拟期间保持近乎饱和，尾矿表面的最低饱和度为0.96，而覆盖层底部经历干燥，饱和度从0.92降至0.79。而在SCT案例中，更多咸尾矿水被向上输送至覆盖层，导致覆盖层底部的饱和度略高（0.9）。SCT案例中覆盖层-尾矿界面处较强的向上液态水流归因于粗尾矿相对较高的渗透性。通过两个案例中浓度剖面的时间变化，可以观察到淡水和咸水之间的混合区随着蒸发的进行向上发展。混合区的上界可定义为盐化面，其位置可用于指示受尾矿盐分吸收影响的下部覆盖层厚度。在SCT案例中，覆盖层-尾矿界面处的向上液态水流（在SCPT案例中可忽略）作为下伏尾矿溶解盐的载体，随着蒸发的继续加速了向上盐迁移。SCT案例中的蒸发驱动平流在100天干燥后变得更加明显，此时底部覆盖层开始脱饱和，导致覆盖层中的盐化面升高（约0.18米深度），而SCPT案例中则较低（约0.15米深度）。SCPT案例中覆盖层-尾矿界面处的弱水力连接有效地将最高溶质浓度限制在0.02千克/千克以下，远低于SCT案例（0.028千克/千克）和海水中和尾矿的初始浓度（0.035千克/千克）。

细砂覆盖案例（FSCPT和FSCT）的模拟结果显示，饱和度、浓度、液态水和蒸气通量的整体时间趋势变化范围比粉土覆盖案例更广，特别是最高溶质浓度和液态水通量，比粉土覆盖案例高一个数量级。两个细砂覆盖案例在最初50天内以高速率释放了大部分孔隙水，并在模拟结束时变得极度干燥，深度平均饱和度低于0.2。尽管覆盖层中大量失水，压实和粗尾矿的整体饱和度仍处于高水平（分别超过0.98和0.85）。这主要是由于细砂和尾矿的不同SWCC行为，使得后者在相同吸力下保持高水分含量，而前者处于低饱和度水平。

FSCPT和FSCT案例之间的主要差异在于尾矿中的饱和度剖面和覆盖层中的盐分分布。压实尾矿未受蒸发通量影响，365天后整个深度保持近饱和，而FSCT案例中的粗尾矿明显干燥，尾矿表面饱和度下降0.16。FSCT案例中覆盖层与尾矿之间较强的水力连接促进了咸尾矿水向覆盖层的输送，导致覆盖层中相对较薄的干燥土壤层（0.2米厚）和显著的向上咸水侵入（从0.6米到0.1米深度，平均溶质浓度接近尾矿水平的0.035千克/千克），并在0.2米深度形成高盐区（溶质浓度0.088千克/千克）。相反，FSCPT案例中的盐影响深度约0.4米，从覆盖层底部到表面，具有陡峭的浓度梯度和在0.28米深度的轻度盐度峰值。尽管盐分积累在两个案例中汽化面附近最为明显，但升高的溶质浓度仍低于溶解度极限。注意，覆盖层表面以下形成的干燥土壤层可作为盐分吸收的屏障，因为它打破了盐化土壤与上覆非盐土壤之间的水力连接。因此，盐能够向上迁移的最大深度由汽化面和盐化面重叠的位置决定，盐分积累随后在重叠面之下进行，而不是进一步向土壤表面移动。

黏土覆盖案例（CCPT和CCT）的模拟结果显示，所有参数的一般变化几乎相同，且比使用粉土和细砂作为覆盖层的案例进行得更缓慢。在整个365天模拟中，脱饱和仅发生在黏土覆盖层中，遵循与SCPT案例相似的模式，非饱和区仅扩展至0.4米深度。在干燥的第一天形成干燥土壤层，蒸气流动在剩余的干燥过程中占主导，平均速率低于0.2毫米/天。由于黏土覆盖层的低渗透性和弱释水能力，压实尾矿和粗尾矿未受表面蒸发影响，并始终保持近饱和。覆盖层-尾矿界面处的高度饱和条件表明向上盐迁移仅由缓慢的扩散过程驱动，不受蒸发驱动的平流和分散影响。注意，汽化面向下移动的速率与两个案例中盐化面抬升的速率相似，因为覆盖层中最终的盐影响厚度被限制在从底部向表面的0.18米，形成的干燥尾矿层也在表面以下约0.18米。由于盐分吸收仍在缓慢进行，CCPT和CCT案例中的最大盐影响深度（即汽化面和盐化面重叠的位置）假定在覆盖土壤表面以下约0.3米。总体而言，0.6米厚的黏土覆盖层在隔离压实和粗尾矿免受干燥方面非常 robust，从而在干旱年份限制盐分吸收。然而，由于其较差的释水能力，它可能不适合作为SR覆盖层的主要组成部分。

讨论

模拟结果表明，蒸发过程可触发盐分从高盐尾矿吸收到土壤覆盖层中。由于尾矿和覆盖土壤之间的浓度梯度，下伏尾矿中的咸水通过土壤和尾矿颗粒之间建立的水力通道向上扩散。当覆盖层-尾矿界面饱和时，此类溶质传输通常以缓慢速率进行，不仅因为其由分子扩散驱动，而且因为咸水倾向于沉积在淡水之下，因其密度较高。然而，在干燥大气条件驱动下，上覆覆盖土壤中的高强度蒸发可通过诱导较低深度的孔隙水毛细流显著加速向上盐移动。这一过程强调平流和分散为非饱和覆盖土壤中盐分积累的关键机制。蒸发驱动的盐吸收在FSCT模拟案例中最为突出，因为0.5米厚的细砂覆盖层在1年干燥后盐化，最高溶质浓度比原始粗尾矿高两倍。

压实后的尾矿可实现极低的渗透性和高体积密度，能够显著限制蒸发驱动的盐分积累，甚至防止近表面沉淀，与粗尾矿的干燥过程相比。这种尾矿处置策略也通过减弱尾矿与预期上覆覆盖土壤之间的水力连接，有效限制SR覆盖层中的盐迁移，特别是在较低覆盖层发生强烈向上水流时（参考模拟案例SCPT、SCT、FSCPT和FSCT）。因此，考虑蒸发诱导盐吸收的机制，控制SR覆盖系统中盐吸收的一个关键方面在于TSF运营期间采用适当的尾矿处置方法，以最小化覆盖土壤前的尾矿水力传导性。这需要对TSF进行涵盖其运营、闭库和修复的全面设计。在干旱和半干旱地区，大多推荐采用诸如处置前的浓密和过滤、半干式沉积的循环浓密、推土机压实和最近开发的干式堆存等方法来实现上述目标。

除尾矿处置方法外，覆盖类型的选择是管理SR覆盖系统中水分平衡和控制盐迁移的另一关键方面。通过六个模拟覆盖场景的比较，蒸发诱导的盐吸收在细砂覆盖案例中最为显著。0.6米厚细砂覆盖层在干旱年份储存水分和阻止盐吸收方面的较差性能表明其不适用于覆盖压实和粗尾矿。相反，在相同干燥条件下，0.6米厚的粉土和黏土覆盖层可保持大部分孔隙水，有利于干旱和半干旱地区植被生长对抗 prolonged 干旱天气。此外，两种覆盖层均通过停滞尾矿水表现出限制盐化面向上移动的鲁棒性，从而防止盐分吸收。先前研究强调释放能力（即AER）对于SR覆盖系统应对短时极端降雨也至关重要。由于黏土覆盖层中的水通量始终较低（例如案例CCPT和CCT），依赖此类防水材料在单层SR覆盖层中灵活控制水分平衡不切实际。因此，0.6米厚粉土覆盖层因其较高的蒸发储存水能力，比0.6米厚黏土覆盖层更合适。

由于盐移动高度依赖于液态水流，Rose等人指出汽化面的位置决定了盐沉积在盐渍土壤中的最大深度。然而，当应用非盐土壤覆盖层覆盖尾矿时，仅考虑汽化面的移动将无法很好预测盐吸收的演变，因为咸水迁移未知。因此，盐从高盐尾矿迁移到覆盖土壤的最大高度由汽化面和盐化面的移动共同决定。案例FSCPT和FSCT证实了这一标准，因为盐积累仅在进行水相转变和咸水侵入的深度之下进行。实用且经济的单层覆盖设计在于覆盖材料和厚度的适当选择。实施前，预测单层覆盖中的最大盐影响深度有助于检验特定覆盖设计的有效性。基于1年模拟，0.6米厚度对于由粉土或黏土组成的单层覆盖系统是可取的。然而，粉土和黏土覆盖的最终盐影响深度需要更 extended 模拟，因为两者的盐化面仍在上升。当前模型未考虑其他覆盖后构建过程的影响，例如降雨、雪融、表面开裂、植物根系穿透或蠕虫挖洞。这些过程可能恢复液态水流 regime 并导致覆盖层中盐分重新分布，甚至长期导致覆盖土壤水文参数的显著变化。鼓励未来研究探索特定SR覆盖设计在多种覆盖后构建过程联合影响下的长期性能，特别是干湿循环下最大盐影响深度的演变。此外，还可模拟其他覆盖配置（例如带毛细屏障的SR覆盖层）以检验其在更复杂气候条件下的适用性。

结论

本文研究了蒸发对高盐尾矿上各种单层覆盖层盐吸收的影响。使用耦合热量、液态水、水蒸气和溶质传输的一维数值模型模拟了无覆盖尾矿和六个代表性覆盖场景中的蒸发过程。模型首先使用仪器柱的监测结果进行校准，该柱在半干旱气候条件下填充0.6米厚粉土覆盖层和0.6米厚压实铝土矿残渣。在50天无降雨干燥模拟中，测量的和模拟的饱和度剖面、溶质（即本研究选择NaCl作为代表性盐）浓度剖面、温度剖面和日蒸发速率之间获得了良好的一致性。我们进一步检验了三种代表性覆盖材料在两种尾矿类型上的性能，涉及限制干旱年份中蒸发驱动的盐吸收。通过模拟结果，我们发现：（a）与粗尾矿相比，压实后的尾矿可减少近表面约63%的溶质浓度，显著避免非饱和区盐沉淀；（b）0.6米厚细砂覆盖层应用于粗尾矿时最为脆弱，因为在干旱年份模拟中几乎整个覆盖层盐化；（c）提出了盐化面来描述盐吸收过程中覆盖层内淡水-咸水混合区的上界，最大盐化深度可由汽化面和盐化面的重叠决定；（d）由于粉土和黏土覆盖层能够保持覆盖层-尾矿界面处的高度饱和状态以避免平流和分散效应，蒸发对粉土和黏土覆盖案例中盐迁移的影响不明显，但粉土覆盖层因其较高的释放能力而被推荐作为SR覆盖层的主要组成部分。

这些发现揭示了蒸发如何影响盐分从高盐尾矿吸收到土壤覆盖层的机制，并强调了单层SR覆盖层中覆盖材料适当选择的重要性。注意，数值研究通过使用均质覆盖材料和年平均大气数据无降雨进行了简化。大气水入渗可能通过冲刷稀释盐化覆盖土壤，并抬升覆盖系统中 ingress 的汽化面。因此，鼓励未来工作，特别是与放大田间实验相结合，考虑长期干湿循环的影响和覆盖土壤水文参数的变化。此外，还可检验其他SR覆盖配置（例如带毛细屏障、多层）的性能以扩展模型能力。尽管有这些进一步改进，本研究揭示了模型能够模拟具有各种水文参数的单层覆盖层中的蒸发和盐动力学，有助于提供特定土壤覆盖设计中盐分分布的指示性预测，以响应场地特定的蒸发过程。