CN116776568B - 利用氢氧同位素估算尾矿循环水回路水资源更新速率和消耗损失率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用氢氧同位素估算尾矿循环水回路水资源更新速率和消耗损失率的方法，包括：构建冷却塔循环蒸发冷凝的同位素分馏模型，基于实测的温度湿度及循环冷凝次数，估算冷却塔的水蒸气氢氧同位素组成；计算冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度，反演出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成；联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程，计算出循环工艺水的使用比例；定量估算尾矿循环水回路的尾矿循环水回路的水资源更新速率，确定循环工艺水消耗损失率。本发明定量计算工业回路循环水利用情况，确定出循环工艺水消耗损失率，解决了传统方法无法示踪标记尾矿循环系统中水资源更新速率的难题，为工业水资源管理提供了新技术。

Description

利用氢氧同位素估算尾矿循环水回路水资源更新速率和消耗 损失率的方法

技术领域

本发明属于矿产水资源管理领域，尤其涉及一种利用氢氧同位素估算尾矿循环水回路水资源更新速率和消耗损失率的方法。

背景技术

尾矿池中沥青开采沉淀后抽取提升形成矿物孔隙水，与大气来源水及冷却塔排出的可循环工艺水在循环池混合后，再进一步供工业冷却循环利用，以上各水源的储存、供应和再循环过程被称为尾矿循环水回路。一般而言，循环水回路的规模较大，并且处于矿山作业的关键敏感区域，因此对循环水回路的体量及平衡性准确估算非常关键，对矿区的生态环境及生产安全意义重大。

尾矿循环水回路中的水平衡参数较多，难以直接测量，必须进行常规建模或估算。最近一项研究针对五个矿区开采作业的尾矿循环水回路水流系统进行示踪，发现水平衡参数的估算或模拟不准确，导致对水循环体量的估算不确定程度较大，水平衡方面存在许多差异。其次，各场地的尾矿循环水回路受大气水输入影响和滞留水蒸发程度及冷凝系统效率等不同因素影响，现有针对尾矿循环水回路中的水平衡估算方法一般由水量平衡计算公式确定尾矿池的水位变动和尾矿池本身的库容-水位关系，从而判断尾矿循环水回路的总体渗漏损失，不能够定量出大气水输入影响和滞留水蒸发程度及冷凝系统效率等不同因素的影响。

以往研究发现，水源的补给-排泄变化及蒸发过程会影响天然水体的氢氧同位素(¹⁸O、²H)特征，因而在自然环境系统中通过辨识水体氢氧同位素(¹⁸O、²H)丰度能够辨别水源特性及水量变化。但目前对于尾矿循环水回路中氢氧同位素特征变化的过程因素及机理认识不足。前期初步研究指出，矿区循环水体相比于天然水体同位素特征更加独特，以及同位素特征随着循环水回路的工艺处理发生一定程度的演变，尤其受工艺影响，如水热冷凝循环等处理会造成过程水的氢氧同位素(¹⁸O、²H)分馏，不再仅仅由水量平衡控制。因此，本发明旨在进一步刻画尾矿循环系统中水资源更新速率，定量计算工业回路循环水利用率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不能准确示踪尾矿循环水回路中水资源更新速率、消耗损失率的问题，提供一种利用氢氧同位素估算尾矿循环水回路水资源更新速率和消耗损失率的方法。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用氢氧同位素的尾矿循环工艺水消耗损失估算方法，包括以下步骤：

步骤1，构建冷却塔循环蒸发冷凝的同位素分馏模型，基于实测的温度湿度及循环冷凝次数，估算冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成；

步骤2，计算冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度，反演出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成；

步骤3，联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程，计算出循环工艺水的使用比例；

步骤4，定量估算尾矿循环水回路的水资源更新速率，确定循环工艺水消耗损失率。

进一步地，所述步骤1中，构建冷却塔循环冷凝的同位素分馏模型，具体计算如下：

冷却塔内工艺循环水的蒸发冷凝过程中，工艺循环水的氢氧同位素遵循封闭系统的雷利分馏物理机制，则有

其中，f表示冷却塔循环蒸发冷凝后留存的循环工艺水的比例，δ_f表示冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成，δ_i表示冷却塔内初始循环工艺水的氢氧同位素组成，实测得到，通常与循环池库水氢氧同位素组成一致；δ_E表示冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成，α_tot为液态水-水蒸气分馏系数，ε^*为冷却塔蒸发的平衡分馏常数，ε^k为冷却塔蒸发的动力分馏常数。

ε^*是冷却塔内温度T(℃)的函数，

ε^*(¹⁸O)＝exp[-7.685/10^-3+6.7123/(273.15+T)-1666.4/(273.15+T)²+350410/(273.15+T)³])-1 (3)

ε^*(²H)＝exp[1158.8(273.15+T)³/10¹²)-1620.1×((273.15+T)²/10⁹)+794.84((273.15+T)/10⁶)-161.04/10³+2999200/(273.15+T)³]-1 (4)

ε^k是冷却塔内相对湿度h的函数，

ε^k(¹⁸O)＝0.0277(1-h) (5)

ε^k(²H)＝0.0245(1-h) (6)

基于实测的温度、湿度及循环冷凝次数n，估算冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成δ_E，具体计算如下：

δ_E＝(δ_i-ε^*)/α_tot-hδ_A-ε^k)/(1-h+10^-3ε^k)×(n-1)/n (7)

δ_A＝(δ_i-ε^*)/ε^* (8)

其中，δ_A为进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成。

进一步地，所述步骤2中，计算冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度，反演出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成，具体计算如下：

假设冷却塔循环蒸发冷凝过程中形成的水蒸气不断逸散，则冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成δ_f由冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成δ_E、进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成δ_A及冷却塔循环蒸发冷凝后留存的循环工艺水的比例f决定：

δ_f＝(δ_i-δ_E)f^m+(δ_i-δ_A)(1-f)^m (9)

m＝(h-10^-3×(ε^k+ε^*/α_tot))/(1-h+10^-3ε^k) (10)

联立(1)-(10)，采用牛顿迭代法求解出f，则冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度为(1-f)，并且确定出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成δ_f。

进一步地，所述步骤3中，联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程，具体计算如下：

I-Q-E＝ΔV (11)

δ_fI-δ_iQ-δ_RE＝0 (12)

ε^k2(¹⁸O)＝0.0277(1-h′) (14)

ε^k2(²H)＝0.0245(1-h′) (15)

其中，I为冷却塔排出进入循环池的循环工艺水水量，Q为循环池进入冷却塔的水量，E为循环池的蒸发消耗水量，ΔV为循环池的水量变化；δ_R为循环池蒸发水汽的氢氧同位素组成，h′为循环池上方空气的相对湿度，ε^k2为循环池蒸发的动力分馏常数，ε⁺为循环池蒸发的平衡分馏常数，根据循环池上方空气的温度T′通过(3)、(4)式确定，即：

ε⁺(¹⁸O)＝exp[-7.685/10^-3+6.7123/(273.15+T′)-1666.4/(273.15+T′)²+350410/(273.15+T′)³])-1

ε⁺(²H)＝exp[1158.8(273.15+T′)³/10¹²)-1620.1×((273.15+T′)²/10⁹)+794.84((273.15+T′)/10⁶)-161.04/10³+2999200/(273.15+T′)³]-1

计算出循环工艺水的使用比例，具体计算如下：

根据(11)-(15)公式，假设循环池的水量变化ΔV＝0，消去循环池的蒸发消耗水量E，求解得到Q/I比例，即为循环工艺水的使用比例。

进一步地，所述步骤4中，定量估算尾矿循环水回路的水资源更新速率，确定循环工艺水消耗损失率，具体计算如下：

令在已知循环池库容V及水面蒸发量情况下，计算尾矿循环水回路的水资源更新速率/>尾矿循环水回路的循环工艺水消耗损失率为(1-f)/(1-x)×τ。

其中，尾矿循环水回路的水资源更新速率表示尾矿循环水回路的平均滞留时间，即一次完整的循环过程中，需要新补充的来水占循环池库容的比例。

尾矿循环水回路的循环工艺水消耗损失率表示一次完整的循环过程中，没有回到循环池的水量占循环池库容的比例。

通过本方法能够实时计算得到水资源更新速率和尾矿循环水回路的循环工艺水消耗损失率这两个参数，有助于精准管理尾矿回水，提高回水率，减少尾矿水的排放。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明定量计算工业回路循环水利用情况，确定出循环工艺水消耗损失率，解决了传统方法受限于大气水输入影响、滞留水蒸发程度及冷凝系统效率等因素的影响，而无法示踪标记尾矿循环系统中水资源更新速率的难题，为工业水资源管理提供了新技术。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为实施例中的尾矿循环水回路及同位素分馏模型示意图，其中，ΔV表示循环池的水量变化，h′为循环池上方空气的相对湿度，T′为循环池上方空气的温度，δ_R为循环池蒸发水汽的氢氧同位素组成，E为循环池水面蒸发量，Q为循环池进入冷却塔的水量，δ_i表示冷却塔内初始循环工艺水的氢氧同位素组成，δ_E表示冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成，T表示冷却塔内温度，h表示冷却塔内相对湿度，δ_A表示进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成，I为冷却塔排出进入循环池的循环工艺水水量，δ_f表示冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成。

图3为实施例中的尾矿循环水回路的循环工艺水消耗损失率变化情况。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2，以四川某尾矿开采厂区为例，该尾矿池中水来自沥青开采沉淀后抽取提升形成矿物孔隙水、大气水汽及冷却塔排出的可循环工艺水，上述水在循环池混合后，再进一步供工业冷却循环利用。

在2022年采集了该尾矿循环池水样，分析其氢氧同位素组成(δ¹⁸O、δ²H)，即为冷却塔内初始循环工艺水的氢氧同位素组成δ_i，分析仪器为液态水激光光谱同位素分析仪(Picarro，L-2130i，美国)。并且监测了冷却塔内的温度、相对湿度及循环冷凝次数，以及循环池上方空气的温度和相对湿度。

一种利用氢氧同位素的尾矿循环工艺水消耗损失估算方法，如图1所示，通过以下步骤开展：

步骤1，构建冷却塔循环蒸发冷凝的同位素分馏模型，基于实测的温度、湿度及循环冷凝次数，估算冷却塔的水蒸气氢氧同位素组成；

冷却塔内工艺循环水的蒸发冷凝过程中，工艺循环水的氢氧同位素遵循封闭系统的雷利分馏物理机制，则有

其中，f表示冷却塔循环蒸发冷凝后留存的循环工艺水的比例，δ_f表示冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成，δ_i表示冷却塔内初始循环工艺水的氢氧同位素组成，δ_E表示冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成，α_tot为液态水-水蒸气分馏系数，ε^*为平衡分馏常数，ε^k为动力分馏常数。

ε^*是冷却塔内温度T(℃)的函数，

ε^*(¹⁸O)＝exp[-7.685/10^-3+6.7123/(273.15+T)-1666.4/(273.15+T)²+350410/(273.15+T)³])-1 (3)

ε^*(²H)＝exp[1158.8(273.15+T)³/10¹²)-1620.1×((273.15+T)²/10⁹)+794.84((273.15+T)/10⁶)-161.04/10³+2999200/(273.15+T)³]-1 (4)

ε^k是冷却塔内相对湿度h的函数，

ε^k(¹⁸O)＝0.0277(1-h) (5)

ε^k(²H)＝0.0245(1-h) (6)

基于实测的温度湿度及循环冷凝次数n，估算冷却塔的水蒸气氢氧同位素组成δ_E，具体计算如下：

δ_E＝(δ_i-ε^*)/α⁺-hδ_A-ε^k)/(1-h+10^-3ε^k)×(n-1)/n (7)

δ_A＝(δ_i-ε^*)/ε^* (8)

其中，δ_A为进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成。

步骤2，计算冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度，反演出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成；

假设冷却塔循环蒸发冷凝过程中形成的水蒸气不断逸散，则冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成δ_f由冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成δ_E、进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成δ_A及冷却塔循环蒸发冷凝后留存的循环工艺水的比例f决定：

δ_f＝(δ_i-δ_E)f^m+(δ_i-δ_A)(1-f)^m (9)

m＝(h-10^-3×(ε^k+ε^*/α_tot))/(1-h+10^-3ε^k) (10)

联立(1)-(10)，采用牛顿迭代法求解出f，则冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度为(1-f)，并且确定出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成δ_f。

步骤3，联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程，计算出循环工艺水的使用比例；

联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程具体计算如下：

I-Q-E＝ΔV (11)

δ_fI-δ_iQ-δ_RE＝0 (12)

ε^k2(¹⁸O)＝0.0277(1-h′) (14)

ε^k2(²H)＝0.0245(1-h′) (15)

其中，I为冷却塔排出进入循环池的循环工艺水水量，Q为循环池进入冷却塔的水量，E为循环池的蒸发消耗水量，ΔV为循环池的水量变化；δ_R为循环池蒸发水汽的氢氧同位素组成，ε⁺为循环池蒸发的平衡分馏常数，根据循环池上方空气的温度T′通过(3)、(4)式确定，h′为循环池上方空气的相对湿度，ε^k2为循环池蒸发的动力分馏常数。

计算循环工艺水的使用比例具体计算如下：

根据(11)-(15)公式，假设循环池的水量变化ΔV＝0，消去循环池的蒸发消耗水量E，求解得到Q/I比例，即为循环工艺水的使用比例。

步骤4，定量估算尾矿循环水回路的水资源更新速率，确定循环工艺水消耗损失率，具体计算如下：

W为循环池的蒸发消耗水量

在已知循环池库容V(约207M m³)及水面蒸发量E(年：756mm，换算成总蒸发量约为30M m³)的情况下，计算尾矿循环水回路的水资源更新速率/> 年，尾矿循环水回路的平均循环工艺水消耗损失率为(1-f)/(1-x)×τ＝19％，一年损失水量为39.3M m³。循环工艺水消耗损失率年内变化结果如图3所示。

尽管已经示出和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，对于本领域的普通技术人员而言，本发明不受上述实施例的限制，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种利用氢氧同位素估算尾矿循环水回路水资源更新速率和消耗损失率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建冷却塔循环蒸发冷凝的同位素分馏模型，基于实测的温度、湿度及循环冷凝次数，估算冷却塔的水蒸气氢氧同位素组成；

构建冷却塔循环冷凝的同位素分馏模型，具体计算如下：

冷却塔内工艺循环水的蒸发冷凝过程中，工艺循环水的氢氧同位素遵循封闭系统的雷利分馏物理机制，则有

其中，f表示冷却塔循环蒸发冷凝后留存的循环工艺水的比例，δ_f表示冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成，δ_i表示冷却塔内初始循环工艺水的氢氧同位素组成，δ_E表示冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成，α_tot为液态水-水蒸气分馏系数，ε^*为平衡分馏常数，ε^k为动力分馏常数；

基于实测的温度、湿度及循环冷凝次数n，估算冷却塔内水蒸气氢氧同位素组成δ_E，具体计算如下：

δ_E＝(δ_i-ε^*)/α_tot-hδ_A-ε^k)/(1-h+10^-3ε^k)×(n-1)/n (7)

δ_A＝(δ_i-ε^*)/ε^* (8)

其中，δ_A为进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成；h为冷却塔内相对湿度；

步骤2，计算冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度，反演出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成；

假设冷却塔循环蒸发冷凝过程中形成的水蒸气不断逸散，则冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成δ_f由冷却塔内水蒸气的氢氧同位素组成δ_E、进入冷却塔的大气水汽氢氧同位素组成δ_A及冷却塔循环蒸发冷凝后留存的循环工艺水的比例f决定：

δ_f＝(δ_i-δ_E)f^m+(δ_i-δ_A)(1-f)^m (9)

m＝(h-10^-3×(ε^k+ε^*/α_tot))/(1-h+10^-3ε^k) (10)

联立(1)-(10)，采用牛顿迭代法求解出f，则冷却塔循环蒸发冷凝过程中的水蒸气逸散程度为(1-f)，并且确定出冷却塔排出的循环工艺水的氢氧同位素组成δ_f；

步骤3，联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程，计算出循环工艺水的使用比例；联立循环池的水量平衡和同位素质量守恒方程，具体计算如下：

I-Q-E＝ΔV (11)

δ_fI-δ_iQ-δ_RE＝0 (12)

ε^k2(¹⁸O)＝0.0277(1-h′) (14)

ε^k2(²H)＝0.0245(1-h′) (15)

其中，I为冷却塔排出进入循环池的循环工艺水水量，Q为循环池进入冷却塔的水量，E为循环池的蒸发消耗水量，ΔV为循环池的水量变化；δ_R为循环池蒸发水汽的氢氧同位素组成，ε⁺为循环池蒸发的平衡分馏常数，根据循环池上方空气的温度通过(3)、(4)式确定，h′为循环池上方空气的相对湿度，ε^k2为循环池蒸发的动力分馏常数；

根据(11)-(15)公式，假设循环池的水量变化ΔV＝0，消去循环池的蒸发消耗水量E，求解得到Q/I比例，即为循环工艺水的使用比例；

步骤4，定量估算尾矿循环水回路的水资源更新速率，确定循环工艺水消耗损失率；具体计算如下：

令在已知循环池库容V及水面蒸发量E的情况下，计算尾矿循环水回路的水资源更新速率/>尾矿循环水回路的循环工艺水消耗损失率为(1-f)/(1-x)×τ。