王 川，陳植華

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

西南巖溶山區(qū)，碳酸鹽巖分布廣泛且溶蝕作用強(qiáng)烈，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，相比于非碳酸鹽巖地區(qū)，巖溶地下水系統(tǒng)受到污染的風(fēng)險更大[1]，一旦受到污染，其恢復(fù)及治理的難度十分巨大。在巖溶山區(qū)進(jìn)行石化類等高污染風(fēng)險項(xiàng)目的選址工作時，不僅要考慮經(jīng)濟(jì)、交通以及電力等常規(guī)因素，還應(yīng)關(guān)注擬選場址周邊的地下水環(huán)境問題，評價項(xiàng)目建設(shè)對地下水環(huán)境可能造成的污染風(fēng)險[2-6]，為項(xiàng)目科學(xué)合理的選址提供參考。

由于巖溶地下水系統(tǒng)的特殊性，在進(jìn)行巖溶場區(qū)地下水污染風(fēng)險評價時，不僅在評價方法的選擇上會遇到難題，更重要的是如何查清場區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件以及確定其主要的風(fēng)險評價對象。本文以《污染場地風(fēng)險評價導(dǎo)則(HJ25.3-2014)》[7]為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者在地下水污染風(fēng)險評價研究中的探索，總結(jié)分析了常規(guī)方法的適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)，在場地地下水污染風(fēng)險識別及源項(xiàng)分析基礎(chǔ)上，建立了基于數(shù)值模擬結(jié)果的污染場地地下水污染風(fēng)險評價體系[8]。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 自然地理

該石化類場地位于貴州省中部，區(qū)域地貌屬于云貴高原中部滇東高原烏蒙山系的延續(xù)部分，處于黔西山原向黔中丘原盆地的過渡帶，地形起伏較大，地勢西高東低，屬高中山山地地貌，河流強(qiáng)烈的侵蝕切割作用導(dǎo)致地形支離破碎，高山深谷、陡壁懸崖以及河澗河流等復(fù)雜地貌在研究區(qū)隨處可見。

1.2 地質(zhì)條件

場地出露地層主要有三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g)、法郎組(T2f)以及三疊系上統(tǒng)須家河組(T3x)，地層巖性以碳酸鹽巖為主，主要可見中薄層至厚層灰?guī)r、白云巖、生物碎屑灰?guī)r及角礫白云巖，部分夾泥質(zhì)灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，最頂部為須家河組石英砂巖。

場地位于新場—張家寨向斜核部偏東南一翼，并與田家壩小背斜過渡。地層基本上以北傾為主，傾角從南部的30°～50°向北漸緩，但受場內(nèi)斷層的影響，局部產(chǎn)狀多變。發(fā)育大小斷層共7條。根據(jù)斷層分布特征及其產(chǎn)狀，判斷場地受NW-SE向和近EW向擠壓應(yīng)力作用，在發(fā)育一系列斷層的同時發(fā)育有多個小型褶皺。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地下水類型及其富水性

場地地下水類型有第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水三種(圖1)。

圖1 場地水文地質(zhì)簡圖

第四系松散巖類孔隙水零星分布于沖溝及部分坡麓地區(qū)，含水巖組以沖洪積、殘坡積松散沉積物為主，厚度在1.5～12 m之間，地下水分布不均，水位埋深淺，溝谷地區(qū)小于1.0 m，坡麓地區(qū)一般在10 m左右，大多存在于雨季，富水性差。

碎屑巖裂隙水僅賦存于場區(qū)西北部須家河組(T3x)黃褐色砂巖的風(fēng)化裂隙之中，裂隙發(fā)育深度一般在30～50 m之間，裂隙發(fā)育程度隨深度增加而減弱，下部裂隙不發(fā)育或微發(fā)育具相對隔水層性質(zhì)。含水巖組整體滲透性較弱，富水性差，泉水流量一般0.5～22 m3/d。

碳酸鹽巖巖溶水可細(xì)分為碳酸鹽巖溶蝕裂隙水和碳酸鹽巖溶洞水兩個亞類。碳酸鹽巖溶蝕裂隙水主要賦存于三疊系法郎組(T2f)、關(guān)嶺組一段(T2g1)和關(guān)嶺組三段(T2g3)的白云巖、泥質(zhì)白云巖中。受斷裂構(gòu)造影響，場地白云巖整體比較破碎，表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)狀的節(jié)理及裂隙，局部地方發(fā)育的溶蝕裂隙、溶孔及小溶洞構(gòu)成了良好的地下水賦存空間，但深部裂隙多不發(fā)育，因此地下水多賦存于淺表層且分布不均；碳酸鹽巖溶洞水主要賦存于三疊系關(guān)嶺組二段(T2g2)的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r中，地下水的賦存及徑流以深部管道、廊道為主，局部發(fā)育較大的溶洞，形成地下暗河，故富水性極不均勻，地下水水位埋深一般較大。

2.2 地下水補(bǔ)徑排特征

場地地下水主要接受大氣降水入滲及河流的滲漏補(bǔ)給。地下水的徑流在場地北側(cè)主要受到地形影響，自高向低，西北側(cè)偏西南方向徑流，東側(cè)偏西北方向徑流，南側(cè)主要是通過巖溶管道向北徑流。場地關(guān)嶺組三段與關(guān)嶺組二段分屬不同的水文地質(zhì)單元，地下水不連續(xù)，徑流特征各有不同，關(guān)嶺組三段以淺層溶蝕裂隙水為主，關(guān)嶺組二段以深部管道巖溶地下水為主。地下水主要通過蒸發(fā)蒸騰、在地勢低洼處以泉的形式以及沿沖溝向下游的水庫排泄。

3 地下水?dāng)?shù)值模型

場地出露地層主要為關(guān)嶺組三段的白云巖，地下水類型以碳酸鹽巖溶蝕裂隙水為主，地下水污染風(fēng)險評價重點(diǎn)關(guān)注淺層地下水，故本次數(shù)值建模僅考慮關(guān)嶺組三段、法郎組的淺層溶蝕裂隙水、須家河組的風(fēng)化裂隙水以及分布不連續(xù)的第四系孔隙水。將含水層概化成非均質(zhì)、水平方向各向同性垂向存在差異的空間三維穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

圖2 模型二維平面剖分結(jié)果

本次數(shù)值模型面積6.0 km2，基于FEFLOW數(shù)值模擬軟件，將模型范圍離散為不規(guī)則的三角剖分網(wǎng)格，同時對四周邊界及內(nèi)部水系進(jìn)行加密處理，最終得到研究區(qū)平面二維剖分結(jié)果(圖2)，結(jié)點(diǎn)數(shù)71 971個，有限單元數(shù)133 587個。地質(zhì)模型概化為三層，第一層為第四系孔隙含水巖組，第二層為強(qiáng)溶蝕裂隙及風(fēng)化裂隙含水巖組，第三層為中溶蝕裂隙及風(fēng)化裂隙含水巖組(圖3)。

圖3 模型三維地質(zhì)模型

模型北部、西部及南部邊界設(shè)置為零通量邊界，東部關(guān)嶺組三段與關(guān)嶺組二段分界線概化為流量邊界，上邊界設(shè)定為為降水補(bǔ)給及蒸發(fā)邊界，下邊界以裂隙—溶蝕裂隙不發(fā)育為模型下邊界，設(shè)為隔水邊界(圖4)。

水文地質(zhì)參數(shù)是表征含水介質(zhì)儲水能力、釋水能力和地下水運(yùn)動能力的指標(biāo)[49]，F(xiàn)EFLOW地下水水流模型中表征含水介質(zhì)水文地質(zhì)特征的參數(shù)主要有滲透系數(shù)(K)和給水度(μ)。研究區(qū)巖性不統(tǒng)一，各層的水文地質(zhì)參數(shù)存在差異，因此需要給出各層的水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)，并在FEFLOW中進(jìn)行分區(qū)參數(shù)的賦值。

圖4 模型邊界條件示意圖

通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)，識別了模型結(jié)構(gòu)、各參數(shù)和均衡要素，并使模擬計(jì)算后的模型水量達(dá)到平衡，反算誤差達(dá)到FEFLOW模型的要求(0.001)，最終識別得到了場地地下水流場(圖5)。從模擬的地下水流場圖中可以看出，研究區(qū)局部淺層地下水徑流方向受控于內(nèi)部溪溝和溝谷，地下水整體由西南向東北方向徑流。由此可知，研究區(qū)地下水流數(shù)值模型從空間上把握了模擬區(qū)的地下水補(bǔ)徑排特征，可以基于該水流模型進(jìn)行后續(xù)的風(fēng)險評價。

圖5 識別后的地下水流場圖

4 地下水污染風(fēng)險評價體系建立

4.1 風(fēng)險識別

通過收集擬建石化類項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件并對比國內(nèi)外同行業(yè)、同類型裝置事故統(tǒng)計(jì)資料，識別項(xiàng)目在建設(shè)、生產(chǎn)及服務(wù)期滿后各個階段可能對地下水造成風(fēng)險的主要污染源。

擬建石化類項(xiàng)目產(chǎn)污環(huán)節(jié)較多，但大部分污廢水以場內(nèi)設(shè)備的循環(huán)使用為主，最終排污去向?yàn)槲鬯幚韽S。污水處理廠處理達(dá)標(biāo)后，采用壓力流方式送至下游水庫出水口。通過進(jìn)一步識別，該石化類場地建成后主要的污染源裝置為甲醇裝置及污水處理池，按照最大風(fēng)險評價原則，本次研究主要考慮在天然條件下甲醇裝置事故狀態(tài)下發(fā)生泄漏以及污水處理池正常跑冒滴漏下污染物持續(xù)泄漏對地下水造成的污染風(fēng)險大小。

4.2 源項(xiàng)分析

正常狀況下，污水處理池跑冒滴漏下的污染物進(jìn)入地下水，污水處理池面積0.036 km2，污染物類型為COD、氨氮等，按最大風(fēng)險原則，正常工況且無人工防滲措施，年存水時間按365天計(jì)算，COD濃度為1 500 mg/L、氨氮濃度為50 mg/L。

事故狀態(tài)下，考慮爆炸破壞地表防滲結(jié)構(gòu)面積為0.35 km2，收集處理時間10 h，結(jié)合場區(qū)內(nèi)最大滲透系數(shù)，計(jì)算得到最大下滲量為0.712 5 m3。即甲醇滲入地下體積為0.712 5 m3，泄漏面積50 m2，持續(xù)時間10 h，甲醇濃度為800 kg/m3。

4.3 風(fēng)險計(jì)算

地下水污染風(fēng)險評價包括地下水污染荷載、地下水本質(zhì)脆弱性和地下水功能價值三個部分。風(fēng)險計(jì)算是在風(fēng)險識別及源項(xiàng)分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮以上三個部分的內(nèi)容對研究區(qū)地下水污染風(fēng)險進(jìn)行定量化評價計(jì)算。鑒于論文研究的巖溶場區(qū)尺度范圍較小且該場地已做過多次勘察工作，巖溶水文地質(zhì)條件已基本清楚，基礎(chǔ)資料相當(dāng)豐富，因此本次評價過程選用數(shù)值模擬方法進(jìn)行地下水污染風(fēng)險評價計(jì)算。

論文建立的基于數(shù)值模擬的地下水污染風(fēng)險評價不需要把各影響因素按指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，只需要根據(jù)溶質(zhì)運(yùn)移模擬得到的污染物濃度遷移時空表現(xiàn)，結(jié)合地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)按照一定的劃分原則即可得到該巖溶石化類場地地下水污染風(fēng)險的大小。

5 地下水污染風(fēng)險評價

5.1 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

在前文建立的地下水水流數(shù)值模型基礎(chǔ)上，對不同情形不同污染物的滲漏進(jìn)行模擬預(yù)測，模型運(yùn)移時間為該石化類場地的服務(wù)年限50年，通過模型計(jì)算得到了不同時刻污染物在場地淺層地下水中的空間分布。

5.1.1 正常工況且無人工防滲措施下污水處理池的滲漏

從模型預(yù)測的結(jié)果來看，正常工況、污水處理池持續(xù)滲漏條件下COD及氨氮在前5年的運(yùn)移主要以包氣帶垂向遷移為主，溶蝕裂隙含水層中污染暈的水平擴(kuò)散范圍不大，最大遷移距離僅30 m，包氣帶介質(zhì)對污染物的遷移起到了一定的阻擋作用；5 a以后COD及氨氮的運(yùn)移以溶蝕裂隙含水層中的水平遷移為主，擴(kuò)散速率變大，污染暈主要受對流作用影響，在地下水流控制下污染暈以北部為優(yōu)勢遷移方向，逐步向北擴(kuò)散，污染暈范圍越來越大，溶蝕裂隙含水層中污染物的最高濃度越來越接近污染源的濃度。表1針對四個典型時間段，統(tǒng)計(jì)了溶蝕裂隙含水層中COD及氨氮污染暈的最高濃度、遷移距離、超標(biāo)面積等預(yù)測結(jié)果。

5.1.2 事故條件且無人工防滲措施下甲醇裝置系統(tǒng)事故

事故條件下污染物初始濃度很大，迅速經(jīng)包氣帶進(jìn)入含水層，從模型預(yù)測的結(jié)果來看，事故發(fā)生初期，污染暈僅集中在甲醇裝置周邊一定范圍內(nèi)，污染暈中心濃度很高，但由于沒有污染物的持續(xù)補(bǔ)充，因此隨著時間的推移，地下水流對污染物的稀釋作用明顯，污染暈中心濃度不斷降低，污染暈擴(kuò)散范圍不斷增大，擴(kuò)散方向受地下水流控制逐漸向東部遷移。表2針對九個典型時間段，統(tǒng)計(jì)了溶蝕裂隙含水層中甲醇污染暈的最高濃度、遷移距離、超標(biāo)面積等預(yù)測結(jié)果。

表1 污水處理池滲漏運(yùn)移預(yù)測結(jié)果表

表2 事故狀態(tài)下甲醇運(yùn)移預(yù)測結(jié)果表

5.2 地下水污染風(fēng)險分級原則

按照本文地下水污染風(fēng)險評價體系，地下水污染荷載及地下水本質(zhì)脆弱性已體現(xiàn)在建立的地下水水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型中，地下水功能價值改變程度主要體現(xiàn)在污染物在地下水中的濃度分布，地下水污染風(fēng)險大小可根據(jù)預(yù)測的污染暈分布情況來劃分風(fēng)險級別。論文研究所選污染風(fēng)險因子COD、氨氮及甲醇的評價標(biāo)準(zhǔn)分別為3.0 mg/L、0.2 mg/L和200 mg/L，如果某污染物濃度超過了標(biāo)準(zhǔn)濃度，則認(rèn)為地下水受到了污染[9]。

圖6 污染暈擴(kuò)散范圍與風(fēng)險等級關(guān)系圖

論文結(jié)合地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果，以某風(fēng)險因子標(biāo)準(zhǔn)濃度對應(yīng)的濃度等值線所圈閉的污染暈作為地下水污染風(fēng)險大小的度量依據(jù)，結(jié)合場地水文地質(zhì)條件，論文將某污染荷載對研究場地地下水造成的污染風(fēng)險劃分為五級[10-11]。當(dāng)污染物以一定源強(qiáng)進(jìn)入含水層后，如果污染暈基本上沒有擴(kuò)散(10 m以內(nèi))，則定義污染風(fēng)險級別低；污染暈擴(kuò)散范圍僅分布于污染源附近(50 m以內(nèi))，則定義污染風(fēng)險級別較低；如果形成了明顯的污染暈，但沒有擴(kuò)散至場界范圍外，則定義污染風(fēng)險級別為中；如果污染暈擴(kuò)散范圍較大，已擴(kuò)散至場界外但沒有到達(dá)模擬邊界，則定義污染風(fēng)險級別為較高；如果污染暈擴(kuò)散范圍已經(jīng)到達(dá)了東部的模擬邊界，污染物已經(jīng)危害到了關(guān)嶺組二段的巖溶管道含水層，則定義污染風(fēng)險等級為高(圖6)。

5.3 地下水污染分級及評價

5.3.1 污水處理池正常滲漏污染風(fēng)險分級

污水處理池發(fā)生滲漏后，COD和氨氮的污染暈擴(kuò)散面積逐漸增大，在該石化類場地服務(wù)年限50 a后，COD及氨氮污染暈最遠(yuǎn)遷移距離分別為396 m和379 m，污染暈最大擴(kuò)散面積分別為0.279 km2和0.263 km2，污染暈擴(kuò)散長軸方向未達(dá)到擬建石化類場地邊界，根據(jù)前文劃定的地下水污染風(fēng)險等級，污水處理池COD及氨氮持續(xù)滲漏造成的地下水污染風(fēng)險等級均為中。

5.3.2 甲醇裝置系統(tǒng)事故滲漏污染風(fēng)險分級

事故狀態(tài)下甲醇裝置發(fā)生泄漏，含水層中初始甲醇濃度較高，隨著時間推移，在地下水流稀釋作用下，污染暈中心濃度逐漸降低，污染暈隨水流向東部遷移，擴(kuò)散面積逐漸增大，在該石化類場地服務(wù)年限50 a后，污染暈最遠(yuǎn)遷移距離365 m，污染暈最大擴(kuò)散面積為0.398 km2，污染暈擴(kuò)散長軸方向未達(dá)到擬建石化類場區(qū)地邊界，根據(jù)前文劃定的地下水污染風(fēng)險等級，甲醇裝置事故狀態(tài)甲醇泄漏造成的地下水污染風(fēng)險等級為中。

6 結(jié)語

(1)本文構(gòu)建了基于數(shù)值模擬結(jié)果的地下水污染風(fēng)險評價體系，并以西南巖溶山區(qū)某石化類場地為研究對象，基于該石化類場地水文地質(zhì)條件特征，構(gòu)建了研究場地的水文地質(zhì)概念模型，最終基于地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果對場地地下水污染風(fēng)險等級進(jìn)行了劃分。

(2)根據(jù)擬建石化類場地的項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件，識別了研究場地主要污染源來自于污水處理池及甲醇裝置，污水處理池持續(xù)滲漏的主要污染物為COD及氨氮，濃度分別為1 500 mg/L和50 mg/L；甲醇裝置事故狀態(tài)下的污染濃度為800 kg/m3。

(3)本文建立的基于數(shù)值模擬結(jié)果的場地地下水污染風(fēng)險評價體系不需要將地下水污染風(fēng)險的影響因素按照常規(guī)方法進(jìn)行指標(biāo)的加權(quán)求和，只需根據(jù)溶質(zhì)運(yùn)移模擬得到的污染物濃度遷移時空表現(xiàn)，結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)按照一定的劃分原則即可得到評價場地的地下水污染風(fēng)險大小。

(4)論文根據(jù)建立的風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合地下水溶質(zhì)運(yùn)移的模擬結(jié)果，得出該石化類場地污水處理池持續(xù)滲漏以及甲醇裝置事故滲漏條件下對場地地下水造成的污染風(fēng)險等級均為中等，即污染暈的擴(kuò)散范圍沒有遷移出廠界，更沒有到達(dá)模型東部關(guān)嶺組二段與關(guān)嶺組三段的分界線，各風(fēng)險因子不會對關(guān)嶺組二段深部巖溶管道地下水造成污染。