趙鑫宇,藍俊康,姚承余

(1.桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院,廣西 桂林 541004;2.中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司,廣西 南寧,510022)

廣西平果市擬建的隆黎赤泥堆場位于巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi),堆場面積約1.38 km2,受場地地質(zhì)構(gòu)造的影響,堆場及周邊巖溶十分發(fā)育。赤泥是一種堿性的工業(yè)固體廢物,含有NaOH、F、Al等多種污染物[1],一旦發(fā)生泄漏(如庫底防滲膜老化破裂或庫底因發(fā)生地面塌陷導致防滲膜破裂),庫內(nèi)的赤泥及其廢液將泄露到地下水中,通過巖溶管道污染到下游的飲用水源,且后續(xù)污染治理也將十分困難[2-4]。為了進行選址的可行性論證以及為了探明本赤泥堆場地基中的巖溶管道與四周的哪些飲用水源點有水力聯(lián)系,必須進行示蹤試驗。本次示蹤試驗開展的是一點投放、多點接收的連通試驗,即在堆場中部溶潭內(nèi)投放示蹤劑,在投放點下游的各個水源點進行水質(zhì)監(jiān)測。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)的地貌為峰叢—洼地地貌,山峰標高266.90～526.6 m,洼地標高213.65～264.92 m,最高山體位于場地的西北方向與紅甫屯之間山峰,最低山體位于場地東南方向山體,場地洼地地勢整體上由西北向東南方向呈階梯遞減狀。洼地大部分被第四系粘性土層覆蓋,偶見基巖露頭,地面種植有玉米、花生、板藍根等經(jīng)濟耕作物。

本場地所在區(qū)域位于華南加里東褶皺系右江印支、燕山褶皺帶靖西—田東隆起區(qū)的東端。本區(qū)位于右江復向斜西南部,歷次的構(gòu)造運動形成了一系列總體方向為北西～南東的褶皺和斷裂構(gòu)造。褶皺構(gòu)造主要有新安背斜(亦稱大隆背斜)、局祥復式背斜、龍味背斜、果化向斜等,基本上屬于對稱型的褶皺構(gòu)造。斷裂構(gòu)造多發(fā)育于褶皺的軸部和兩翼,性質(zhì)以逆斷層為主,傾向多為南西,傾角較陡,規(guī)模較大。還有與上述構(gòu)造相伴相生的北東～南西和北西西～東西向延伸的次級斷裂構(gòu)造。堆場位于新安背斜NE翼。構(gòu)造主體呈NW-SE向。受右江斷裂的活動性的影響,本區(qū)為微震多發(fā)區(qū)。

堆場范圍分布的地層主要有:第四系坡殘積層(Qdl+el),下伏基巖為三迭系下統(tǒng)羅樓組(T1l)、二迭系上統(tǒng)合山組(P2h)、二迭系下統(tǒng)茅口階(P1m)灰?guī)r,除第四系之外其余全部為海相碳酸鹽建造。

從區(qū)域水文地質(zhì)條件上分析,堆場主要處于地下水的補給-徑流區(qū),地下水類型為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水兩種類型。松散巖類孔隙水主要賦存在坡殘積土層內(nèi),為包氣帶中過路水。下覆的巖溶裂隙水主要賦存于基巖中,其含水層由三迭系下統(tǒng)羅樓組(T1l)、二迭系上統(tǒng)合山組(P2h)、二迭系下統(tǒng)茅口階(P1m)灰?guī)r地層組成。該類型的地下水以溶洞裂隙為徑流通道,巖溶水坡降較大,地下水沿網(wǎng)格狀裂隙或管道運動,豐水期降雨后徑流量較大,受氣候影響變化明顯。場地內(nèi)耕植層屬弱透水性地層,為上層滯水的主要含水層;表層的殘積黏土層屬相對隔水層,灰?guī)r、溶蝕裂隙、溶洞為巖溶裂隙水的主要含水層,含水量為中等-豐富。

因研究區(qū)巖溶十分發(fā)育,地表水系基本未見,堆場地下水主要靠大氣降雨補給,研究區(qū)地處區(qū)域地下水的補給、徑流區(qū)內(nèi),地下水徑流通過網(wǎng)絡狀裂隙或管道運動,徑流趨勢向東、東南方向呈網(wǎng)絡狀運動,最終向右江排泄。擬建的堆場中部有一含水溶潭S20,作為本次示蹤試驗的投放點。

2 示蹤試驗目的與方法

2.1 示蹤劑種類的選擇

選用示蹤劑時要考慮兩個方面因素: 首先,使用的示蹤劑必須是安全無毒的,對環(huán)境沒有污染,能在自然環(huán)境中自然衰減;其次,示蹤劑又要具有足夠的穩(wěn)定性,受環(huán)境影響較小,可以溶于水,但又不改變流場中各種水文參數(shù)[6]。

示蹤劑的種類很多,最早為浮標法,即采用谷糠、鋸木屑、油料、黃泥水等做指示劑,現(xiàn)均改為可以定量測定濃度的鹽類( 如氯化鈉、氯化鉀等) 、熒光染料類( 食品紅、熒光素鈉、曙紅、羅丹明、鉬酸銨) 、放射性同位素( 如氚H3、碘I131等)[6]。雖然目前常用的很多熒光染料示蹤劑也易溶于水、廉價、無毒、吸附性很低、有很低的檢測限和低背景值等諸多優(yōu)點,但它們?nèi)苡谒髸@示出異色及異味,如果在本地區(qū)這種下游有很多水源點的情況,會引起下游居民的恐慌和不安。針對本研究區(qū)的這一特點,最后選擇采用氯化鈉(工業(yè)鹽)作為試劑。試驗前,需要在測區(qū)先對各個接收點分別進行Cl-濃度的本底值監(jiān)測。

2.2 示蹤劑投放量的確定

示蹤劑投放量按下列因素考慮:(1)示蹤劑投放后,經(jīng)擴散、運移到達接收水點及飲用水源點時,其示蹤劑濃度不應超過我國飲用水標準的有關規(guī)定;(2)易于被所選用的檢測方法檢測含量不低于儀器的檢測靈敏度;綜合考慮上述因素,并考慮測區(qū)的地下水量、水力坡度、示蹤距離及巖溶的發(fā)育程度,結(jié)合堆場可研勘察資料,采用下述方法估算示蹤劑投放量[5]:

M=Kω/j

(1)

式中:M為示蹤劑投放量;K為巖溶率系數(shù);ω為示蹤區(qū)段總水量,L·s-1;j為檢測方法靈敏度,μg·L-1。

考慮到地質(zhì)效果和確保足夠的檢測靈敏度,在實際野外工作中投放量略高于計算量。經(jīng)計算,本次地下水示蹤試驗氯化鈉(工業(yè)鹽)示蹤劑的投放量為4.0 t。

2.3 投放點和接收點的選擇及分布

本次示蹤試驗按試驗目的要求,選擇堆場中部一個含水溶潭 S20(水面標高 220.7 m)作為投放點,以堆場外圍的監(jiān)測孔及所有的天然水源點和一些重要的露頭點(編號 ZK1、S06、S08、S09、S11、S14、S16、S17、S23、S26、S29、S30、S32、S34、S42、S44、S45、S49、S52、S53、S61)共21個點作為接收點。地下水示蹤試驗投放點和接收點分布的位置詳見圖1。

圖1 堆場水文地質(zhì)圖及示蹤試驗成果圖

3 試驗過程

3.1 示蹤劑的投放技術和取樣

(1)示蹤劑的投放方法:先在投放點附近挖個大坑,用彩條布鋪于坑底防滲,然后用抽水機把清水把坑充滿,一邊攪拌一邊往坑內(nèi)撒入工業(yè)鹽,人工攪拌試劑使之充分溶解后,再用抽水泵把溶液抽進有水溶井(S20)之中。投放時間2021年5月7日下午15時45分,歷時13 d。

(2)示蹤劑取樣和檢測取樣:投放開始后,立即安排在投放點下游各接收點取水樣回室內(nèi)進行氯離子含量測定。根據(jù)研究區(qū)的具體情況,選擇取樣時間間隔為每次4 h,部分一次/3h。每個取樣點派專人負責,按取樣時間要求、樣瓶清洗、取樣、貼標簽、裝入黑色包裝袋避光保存的取樣流程程序進行取樣,再由專車及時運至工地實驗室進行分析檢測。

3.2 示蹤樣品的檢測技術

水樣中的Cl_濃度值采用CIS-10型精密氯度計進行測定。為了準確起見,檢測過程中對有疑點或檢測異常的樣品作重復檢測(復檢樣品累計占20%),確保分析數(shù)據(jù)的可靠性。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 確定異常點和地下水流向

據(jù)投放點對取樣點Cl_濃度進行的本底值調(diào)查,確定出氯離子濃度超過本底值5 mg/L即認為是異常值。以投放時間為零時刻點,繪制出各接收點根據(jù)濃度值隨時間的變化曲線(簡稱時濃關系曲線)。最后發(fā)現(xiàn)21個監(jiān)測點中有5個未出現(xiàn)異常(S06、S0、S09、S16、S17),這說明這5個接收點與堆場投放點S20之間沒有水力聯(lián)系,而其余的16個均出現(xiàn)不同程度的異常,此試驗結(jié)果顯示投放點處的巖溶管道與下游多個方向都能連通,示蹤劑投放后的走向情況詳見圖1。對于各個異常點再根據(jù)其時濃曲線中峰值的出現(xiàn)時間,以及投放點與接收點的直線距離,計算試劑在各個巖溶管道中的平均流速和地下水流向(主次通道)。

4.2 管道流速的估算

根據(jù)時濃曲線和流速分析(見表1),可推斷本研究區(qū)存在3種流速不同的地下水巖溶管道流,分別為:(1)第一種為快流速巖溶管道流,出現(xiàn)在投放點S20至S23、S26、S29、S42、S52等接收點,其管道水流速為204.2～305.2 m/h;(2)第二種為中等流速的巖溶管道流,出現(xiàn)在投放點S20至S32、S34、S44、S45、S53、S61等各接收點,其管道水流速為62.9～124.6 m/h。(3)第三種為慢速(滲流)巖溶管道流,出現(xiàn)在投放點S20至S11、S14、S30、S49、S86等接收點,其管道水流速為30.0～42.4 m/h。

4.3 巖溶管道結(jié)構(gòu)分析

投放示蹤劑后,通過10 d的連續(xù)取樣分析,在示蹤區(qū)段內(nèi)21個取樣點,其中除了S06、S08、S09、S16、S17接收點外均接收到氯化鈉示蹤劑。由于溶質(zhì)在含水介質(zhì)中存在彌散,因此在理論上,接收點觀測到的示蹤劑的時濃曲線為平滑的、大致對稱的單峰曲線。本次試驗所有接收點的時濃曲線圖均為不對稱的帶有鋸齒狀的單峰曲線圖(如圖2、圖3),這說明從投投點到各接收點之間只有一條徑流通道,且下降段沒有平臺出現(xiàn)和拖延現(xiàn)象,這說明管道水在流動過程中,沒有遇到地下湖的稀釋[6-7]。

表1 在各接收點監(jiān)測的示蹤劑結(jié)果表

圖2 接收點 S11的氯離子濃度-時間關系曲線(注:本接收點的Cl-濃度背景值為5.4mg/L)

圖3 S30接收點的氯離子濃度-時間關系曲線

5 結(jié)語

(1)此次地下水示蹤試驗結(jié)果表明,赤泥堆場內(nèi)、外之間水力聯(lián)系緊密,未來堆場赤泥建成后,堆場內(nèi)的赤泥一旦被雨水淋濾,其淋濾液將會下滲到下方的巖溶管道中,進而通過巖溶管道污染到下游的很多飲用水源點。因此,本堆場的選址不是很適宜,若非要建設,必須對堆場內(nèi)可能存在的巖溶管道進行封堵治理。

(2)示蹤試驗表明,場場地內(nèi)巖溶管道水流向局部向東,但總體流向為東南方向。此結(jié)果顯示了場地的地下水總徑流方向與本地區(qū)的斷裂構(gòu)造發(fā)育的方向基本吻合。

(3)本次試驗表明,本研究區(qū)存在3種流速不同的地下水巖溶管道流,第一種為快流速巖溶管道流,水流速為204.2～305.2 m/h,第二種為中等流速的巖溶管道流,水流速為62.9～124.6 m/h,第三種為慢速(滲流)巖溶管道流,水流速為30.0～42.4 m/h。

(4)接收到氯化鈉示蹤劑的接收點的時濃關系曲線圖均為單峰曲線,且下降段沒有拖延和平臺出現(xiàn),這說明這說明從投放點S20到各接收點之間只有一條徑流通道,且管道水在流動過程中,沒有遇到地下湖的稀釋。