典型建設項目地下水污染源識別與源強計算

劉國東 黃玲玲 邢冰 徐濤

典型建設項目地下水污染源識別與源強計算

劉國東 黃玲玲 邢冰 徐濤

以化工、火電、造紙和輸油管道4個典型項目為例，簡單介紹了各類項目的特點和主要工藝，分析了各類項目污染地下水的主要途徑且進行污染源識別。針對不同污染途徑，給出了污染源計算方法，并用計算結果予以驗證。分析表明，建設項目正常情況下地下水污染源強較小，而在非正常情況或風險事故下地下水污染源強較大；大多數(shù)情況下可用達西公式計算污染源強。

建設項目；地下水污染；污染源識別；源強計算

建設項目地下水環(huán)境影響預測的可信性主要取決于對污染源強的識別與計算，2011年2月，環(huán)保部頒布了《環(huán)境影響評價技術導則 地下水環(huán)境》（HJ 610—2011），并于當年6月1日實施。該導則較詳細地規(guī)定了建設項目的地下水環(huán)境污染評價技術與方法，但對建設項目的污染源識別與源強計算沒有更詳細的規(guī)定。本文將以4個典型的建設項目為例，通過對各類項目地下水污染途徑的分析，識別主要的污染源，進而提出計算方法。

1 化工項目污染源識別與源強計算

1.1 項目簡況

化工項目具有以下幾個主要特點：①流程長、設備多，經常采用特殊材質，自動化程度高；②廣泛使用催化過程和高壓、高溫、深冷等化學工藝過程；③原料多樣化、生產方法多樣化、產品多樣化；④有毒、易燃、易爆、易腐蝕；⑤在生產過程中常含有CO、H2、CH4等易燃、易爆的各種氣體，各種酸、堿物料等易腐蝕液體，硫化物及各類有毒有機物質等。若意外滲漏，將會造成嚴重的環(huán)境危害。此外，化學工業(yè)排放的廢棄物多種多樣，若不合理排放，容易對環(huán)境造成污染。

某項目在原廠址規(guī)模的基礎上擴建兩條生產線，需要新征土地。工藝以木漿粕或棉短絨漿粕、醋酸酐和冰醋酸、乙酰胺、硫酸、甲醛、高氯酸等為原料和反應劑，通過乙酰化反應、皂化（水解）、過濾、沉淀和熟化、洗滌、瀝水、擠壓、干燥、研磨生產醋酸纖維薄膜，屬于化工類項目。項目建設內容包括生產區(qū)、公用工程區(qū)、倉儲區(qū)和輔助生產區(qū)，沒有特殊防滲措施，只是地面硬化，在車間設置防腐貼面。項目位于長寧河一個山間谷地，廠區(qū)地勢較平坦，地表為第四系粉質黏土和少量的沖洪積砂礫石層，厚度2～6 m，滲水試驗測得垂向滲透系數(shù)Kv=0.07 m/d；下伏侏羅系中統(tǒng)遂寧組砂巖、泥巖風化裂隙潛水含水層，是當?shù)鼐用耧嬘盟闹饕∷畬游唬叵滤宦裆?～15 m，礦化度小于1 g/L。

1.2 地下水污染源識別

分析認為，該項目可能造成地下水污染的主要因素是：①乙酰化生產車間的裝置閥門、管道發(fā)生化學品“跑、冒、滴、漏”，通過混凝土地面裂隙滲入地下，造成地下水污染，主要污染物是醋酸和硫酸，質量濃度分別為1 708 mg/L和290 mg/L；②運營后期，污水處理池底部長期受壓，基礎發(fā)生不均勻沉降，混凝土開裂，污水滲入地下造成污染，主要污染物為有機污染物，COD質量濃度約為3 000 mg/L。

1.3 源強計算

（1）乙?；a車間的“跑、冒、滴、漏”量按流量計的測量誤差估計。作為生產原料，經營者主觀上不容許物料出現(xiàn)大量損失，應控制在測量誤差0.5%以內[1]，則車間內“跑、冒、滴、漏”量M·為：

（2）污水處理池滲透。污水池（底面積5 000 m2）在生產初期，由于基礎夯實，水池采用鋼筋混凝土結構，具有防滲功能。但在后期，會由于基礎不均勻沉降，混凝土出現(xiàn)裂縫，污水滲入地下。如果裂縫太多，出現(xiàn)大量滲水，污水池的計量儀器會有所反應，生產單位將會修復。根據人們對誤差的認識，一般情況下，當裂縫面積小于總面積0.3%時不易發(fā)覺。因此，參考最嚴格的水準測量允許誤差標準[2]，假設本項目污水池在運營后期池底出現(xiàn)0.3%的裂縫。水池有水，池水進入地下屬于有壓滲透，這里按達西公式計算源強，計算公式見式（2），計算結果見表1。

式中：Q為滲入到地下的污水量，m3/d；Ka為地面垂向滲透系數(shù)，m/d；H為池內水深，m；D為地下水埋深，m；A裂縫為污水池池底裂縫總面積，m2。

表1 污水處理站源強計算結果

2 火力發(fā)電項目

2.1 項目簡況

火力發(fā)電將燃煤熱能轉化為電能，是高耗能產業(yè)。生產過程中，耗水、排污量大且集中，對環(huán)境有較大的影響?；痣姀S所排放的污染物中，對地下水環(huán)境可能產生影響的主要來自生產過程中液態(tài)物料和廢水滲漏以及固體廢物淋濾液的滲透。廢水包括含煤廢水、脫硫廢水；固體廢物包括粉煤灰、渣和脫硫石膏等。

某火力發(fā)電項目設計規(guī)模為2×1 000 MW，同步建設煙氣脫硫、脫硝設施。廠區(qū)北側設煤場及儲煤基地，汽機房朝西，500 kV GIS、主變、廠變及其備變合并進主廠房、毗鄰汽機房A排屋內布置；冷卻塔區(qū)布置于廠區(qū)西側山腳下，油庫區(qū)及液氨儲存區(qū)（鋼罐）均分別布置于主廠房區(qū)固定端，制氫站利用2座冷卻塔之間空地布置，廠前建筑布置于廠區(qū)東側，脫硫裝置區(qū)、除灰設施區(qū)均分別布置于煙囪兩側和外側，廠區(qū)總用地面積為90.8 hm2。電廠灰場位于廠址東南側，壩頂高程為644.00 m，壩長約100 m，壩高20 m。在灰場運行過程中采用袋裝灰渣形成石膏分隔。當灰渣和石膏堆至667.00 m高程時（最大堆高為43 m），灰場庫容約340×104m3，可滿足堆放3年的灰渣和石膏，灰場堆灰面積約27.8 hm2?；覉龅撞夸佋O人工防滲層，滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s。項目生產廢水包括化學酸堿廢水、反滲透濃水及反洗排水、脫硫廢水、含油廢水、含煤廢水、鍋爐酸洗廢水、循環(huán)水系統(tǒng)排水等就地分類收集并處理后全部回用。煤場和發(fā)電廠區(qū)生活污水通過處理能力為10 m3/d和60 m3/d的2個生化處理池處理，含煤廢水沉煤池收集預沉再進行過濾處理。所有廢、污水均不外排。該項目設有500 m3（底面積100 m2）復用水池1座，含煤廢水、生活污水處理合格后的排水，用復用水泵通過管道輸送到除灰、運煤等對水質要求不高的用戶那里重復使用。水池采用鋼筋混凝土結構，池底和內池壁涂抹防腐層。

2.2 地下水污染源識別

廠區(qū)水池、柴油罐、氨罐主要通過底部破損而滲透到地下，灰場也因防滲層破損而滲入地下。在正常狀態(tài)下：①運營后期復用水池和冷卻塔循環(huán)水池（直徑146 m）池底破損，水池中的廢水通過裂口滲入地下影響地下水質。復用水池的主要污染物為COD，質量濃度為100 mg/L；冷卻塔循環(huán)水池中的主要污染物為SO42-和TDS（全鹽量），質量濃度分別為611 mg/L和1 320 mg/L。②2個柴油儲罐（2×500 m3）、2個氨罐（2×90 m3）罐底埋于地下，底部（面積分別為100 m2和20 m2）長期腐蝕可能發(fā)生破損。柴油和液氨通過破損處滲入地下水中，污染物為石油類和氨氮。儲罐腐蝕后，底部出現(xiàn)多個腐蝕洞，當泄漏量過大，將會被發(fā)現(xiàn)而得到治理，因此可按底面積0.3%計算不被發(fā)現(xiàn)的腐蝕洞面積。③灰場防滲層出現(xiàn)破損，灰水從破損處滲入地下水。同源煤質灰渣和石膏浸出試驗得到污染物為Hg和SO42-，其中灰渣中Hg和SO42-的質量濃度分別為0.022 mg/L和490.31 mg/L，石膏中Hg和SO42-的質量濃度分別為0.065 mg/L和8 367.63 mg/L。

2.3 源強計算

（1）復用水池、循環(huán)水池等池底破損面積按0.3%計算，通過破損處的滲入量仍按公式（2）計算，結果見表2。

表2 復用水池、循環(huán)水池源強計算結果

（2）氨罐和柴油罐罐底泄漏量可用伯努利公式[3]計算，即

式中，A為罐底破損面積，m2；ρ為液體密度，kg/m?；P為儲罐內壓力，Pa； P0為環(huán)境壓力，Pa； h為裂縫之上液體的高度，m。儲罐下的包氣帶環(huán)境壓力為1個大氣壓，P0=0.1 MPa，對于柴油，P=P0；對于液氨P=0.8 MPa。計算結果見表3。

表3 柴油儲罐源強計算結果

（3）灰場灰渣堆面積17.4 hm2，石膏堆面積10.4 hm2。設置防滲層后，降水滲入到灰體并在灰體內形成一個以滲濾液導水管為基點的浸潤曲面，防滲層破損后，通過破損面的滲透量可按公式（2）計算，破損面積取灰場占地面積的0.3%，水層厚度取最大堆灰厚度的一半。計算結果見表4。

表4 灰場灰水入滲計算結果

3 造紙項目

3.1 項目簡況

造紙廠耗水量大，是工業(yè)用水大戶，也是大的水污染源。制漿過程污染最大，制漿廢水中的污染物主要有黑液、碎屑、渣漿等，主要污染因子是有機物。

某項目建設20萬t/a漂白竹漿生產線及其配套設施，并配套建設45萬畝竹林基地。項目采用硫酸鹽法制漿、低能耗間歇蒸煮、中濃度氧脫木素和無元素氯漂白等工藝；黑液提取率>97%，堿回收率>95%。主要工藝流程如圖1。主要生產車間有備料車間、制漿車間、漿板車間、堿回收車間和二氧化氯制備車間，所有車間均采用抗?jié)B混凝土地面，表面涂抹防腐層。項目有液堿、硫酸、甲醇等多種貯罐，罐體均為鋼罐，還有黑、白液應急池和污水事故池，廠外設一個占地面積6.85 hm2的渣場，用于堆埋不可綜合利用的堿回收綠泥、石灰渣、泥沙等。全廠排水采取“雨污分流、清污分流”，需處理污水量為21 766 m3/d，廢水處理將采用“物化預處理+曝氣好氧+芬頓氧化及化學混凝沉淀”工藝。

圖1 紙漿生產工藝流程概圖

3.2 地下水污染源識別

根據分析，該項目對地下水的污染主要包括：①正常工況下生產車間和管道“跑、冒、滴、漏”落到地面或滲入地下，主要污染物為AOX，質量濃度為8.74 mg/L；②儲罐泄漏進入地下；③運營后期廢水池（底面積1 750 m2）、黑白液應急池（底面積分別為1 250 m2和500 m2）等底部裂縫滲漏污染地下水，主要污染物為COD；④廠外渣場滲透污染地下水。根據工程分析，主要污染物為Pb。除儲罐泄漏可視為瞬時點源污染外，其他均屬于持久性面狀污染源。

3.3 源強計算

（1）生產車間主要物料為AOX，則“跑、冒、滴、漏”形成的污染物源強按公式（1）計算，管道內液體流量623 m3/h，則AOX的滴漏速率為19.06 g/h。

（2）儲罐以硫酸儲罐最大（80 m3），腐蝕后泄漏對地下水污染明顯，泄漏量按公式（3）計算：儲罐底面積20 m2，腐蝕孔總面積0.06 m2，濃硫酸密度為1 840 kg/m3，罐內液體高度4 m，則腐蝕后濃硫酸泄漏速率為585 kg/s。

（3）廢水池、黑白液應急池等底部裂縫（0.3%底面積）滲漏按公式（2）計算，結果見表5。

表5 廢水池和黑白液事故池源強計算結果

（4）廠外渣場利用山凹，通過修建渣壩圍成渣庫。庫區(qū)內沿設計的渣頂?shù)雀呔€修建了截洪溝，則渣庫只匯集渣堆占地面積上的全部雨水，其余雨水由截洪溝排走。由于本項目的廢渣顆粒較粗，一次降雨全部滲入渣中，表面幾乎沒有積水，因此渣庫雨水將全部滲入地下，滲入量Q選用地下水環(huán)境影響評價導則推薦的公式，即

式中， α為降水入滲補給系數(shù)，由于未形成地表徑流也未蒸發(fā)，這里α=1；F為渣場匯水面積，m2； X為降水量，mm/a；其他符號含義同上。本地降水量為1 147.1 mm，計算滲漏量為215.3 m3/d；根據該公司其他紙漿場渣場的檢測，Pb的質量濃度為2 mg/L，計算Pb滲透速率為0.018 kg/h。

4 輸油管道項目

4.1 項目簡況

輸油管道項目主要由輸油管和站場組成。管道布置形式一般有單管系統(tǒng)、雙管系統(tǒng)及獨立管道系統(tǒng)。敷設方法分為地面敷設、埋地敷設和管溝敷設。為了減少土地占用，一般采用埋地敷設，埋深一般在5 m 范圍以內。除站場有少量生活污水排放外，輸油管道項目不直接向環(huán)境中排放污染物質，環(huán)境風險是其主要的環(huán)境問題。原油輸送過程中，輸油管道可能因為自然或人為因素產生破裂，導致油品泄漏。泄漏若發(fā)生在河流穿越處，會污染河流；若發(fā)生在其他地段，會對淺層地下水造成污染。

某原油管道工程總長199 km，設首站、中間站和末站3個站場。首站至中間站管道外徑φ790、輸油能力3 000×104t/a；中間站至末站管道外徑φ690、輸油能力1 500×104t/a。首站設有8座浮頂罐，容積80×104m3。管道敷設方式主要為埋地敷設，設計埋深為1.2 m、山區(qū)地段1.0 m。首末站均在海邊，管線也沿海邊布設，距海岸2～25 km。管線經過平原、丘陵山地、臺地和平原，沿線地層有志留系連灘組（Sl）、泥盆系蓮花山組（D1l）、信都組（D2x）、天子嶺組（D3t）、帽子峰組（D3m）、石炭系堯云嶺-英塘組并層（C1y-yt）、黃金組（C1h）、大賽壩組（Cds）、白堊系羅文組（K2l）、第三系南康組（Nn）、第四系更新統(tǒng)湛江組（Qz）、北海組（Qb）、湖光巖組（Qh）、全新統(tǒng)殘坡積層（Qdel）和曲界組(Qq)等地層。淺層含水層有第四系粘土、粉質粘土及砂性土（細砂、中砂、粗砂、礫砂等）不等厚互層的松散巖類孔隙潛水，地下水類型有礫巖、含礫砂巖夾粉砂巖、泥質粉砂巖頁巖的碎屑巖類裂隙水；有灰?guī)r、白云質灰?guī)r夾少量泥質灰?guī)r、炭質灰?guī)r的碳酸鹽巖類溶隙裂隙溶洞水和燕山期花崗巖裂隙水。沿線村落較多，以飲用地下水為主，采取機井、土井和壓水井等多種方式開采地下水。

4.2 地下水污染源識別

營運期各站場工作人員日常生活用水、設備設施沖洗廢水等經污水處理系統(tǒng)處理后達標排放或用于站場地面沖洗及綠化回用；首站罐區(qū)內的含油污水排入含油污水調節(jié)池，依托工程含油污水處理站處理達標后排放；輸油管道采用外防腐層與強制電流陰極保護相結合的防腐方式，不會滲（泄）漏。因此，正常工況下站場和管道不會對地下水造成污染。

事故風險狀態(tài)下，（1）首站儲油罐在火災、爆炸、地震等事故狀態(tài)下，可能導致儲油罐破裂，發(fā)生原油泄漏，進而污染地下水。（2）輸油管道由于地震、人為等因素發(fā)生破裂，導致原油泄漏滲入地下，造成地下水污染。

4.3 源強計算

（1）事故風險狀態(tài)下，假設首站內一組油罐發(fā)生破裂，原油泄漏在防火堤內并迅速擴散，且因火災致使20%的硬化地面被破壞，則原油透過破壞地面滲入地下，造成污染。滲入到地下的原油量可以用公式(2)計算。進入地下水的滲漏速率可用下式計算：

式中，K吸附為包氣帶土壤對原油的吸附系數(shù)，油類物質在土壤中極易被吸附，遷移性弱。研究證明，粘性土對油的去除能力達90%以上[4]。在連續(xù)和間歇入滲條件下，在壤土中，柴油大部分集中在深度小于25 cm的土層中[5]；在砂土中，柴油絕大部分集中在35 cm的土層中。按最不利情況考慮，本次計算K吸附取0.8。

根據項目設計資料，原油密度ρ=0.887 t/m3，一個油罐區(qū)防火堤內總面積為67 600 m2，防火堤高度為2 m，除去該罐組占地20 096 m2，則防火堤內空地面積為47 504 m2，那么事故破壞的面積A破壞為9 500.8 m2。滲水試驗測得原地表Ka=1.27 m/d，地下水位埋深D=2.3 m，油深H=2 m，按達西公式計算滲油量Q=23 266 m3/d，進入地下水的原油滲透率 4 002 t/d。設泄漏6 h后，事故得到有效處理，則6 h內滲入到地下水的原油質量為1 000 t。

（2）事故風險下管道泄漏源強計算。根據設計一旦事故發(fā)生，安全監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出警報，自動閥門將在10 s之內關閉；手動閥門可在15 min之內關閉。按最不利情況考慮，設造成20 m管道被損壞，則原油泄漏速率可用下式計算：

式中，W管存為被損壞管道管存量，kg； W輸為泄漏時間內石油輸送量，kg；t為泄漏時間，s；d為輸油管道內徑，m；L為被損壞管道管長，m； ρ為原油密度，kg/ m3； Q輸為原油輸送流量，kg/ s。

本文假設2處泄漏點，一處位于首站－中間站之間處于地質斷裂帶附近的黃村，一處位于中間站－末站之間處于巖溶區(qū)的大王境村。原油密度最大值為0.887 t/m3，設手動閥門的響應時間為15 min。計算結果見表6。

表6 管道泄漏源強計算結果

5 結論

（1）由前述分析可見，由于污、廢水設施都有防滲性能，正常情況下，污染源大小可按工程誤差進行估計，一般取防滲區(qū)0.3%的破損面積較為適當。通過計算，正常情況下滲入地下的污染物強度很小，一般不會造成地下水污染；

（2）非正常和事故風險情況下，防滲區(qū)破損嚴重，對于火災、爆炸情景，破損面積可按20%計算。

（3）污染源源強計算要根據污染源的特點選用不同計算公式，而達西公式則是應用最廣的公式。

（4）由于地下水環(huán)境影響評價起步較晚，尚無系統(tǒng)的觀測資料，文中除水文地質參數(shù)、設計參數(shù)、設施尺寸和污染物濃度外，其他一些參數(shù)值來自于假設，其結果尚需斟酌，但污染源識別方法和源強計算公式可為同類建設項目地下水污染源計算提供參考或借鑒。

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A

2095-6444(2014)04-0042-05

2013-08-10

劉國東，四川大學水利水電學院教授，博士生導師；黃玲玲、邢冰、徐濤，四川大學水利水電學院。