新疆天池能源電廠地下水環(huán)境影響評價

居馬·吐爾遜

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊，新疆昌吉831100）

新疆天池能源電廠地下水環(huán)境影響評價

居馬·吐爾遜*

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊，新疆昌吉831100）

為了正確評價新疆天池能源電廠擬建項目的建設(shè)運行對地下水環(huán)境的影響，在詳細(xì)研究電廠區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法對電廠評價區(qū)包氣帶水分運移進(jìn)行模擬研究，并針對廠區(qū)廢水可能進(jìn)入承壓含水層的情景，開展了地下水流和溶質(zhì)運移的模擬預(yù)測研究，由研究結(jié)果可預(yù)測廠區(qū)廢水可能進(jìn)入廠區(qū)承壓含水層的情景和擴(kuò)散范圍。結(jié)果表明，電廠事故工況下含有毒有害物質(zhì)的廢水通過泄漏、溢流等途徑滲入含水層，可對地下水造成一定的污染。

地下水環(huán)境；污染；數(shù)值模擬；影響預(yù)測

《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》明確提出“保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策”，為了推進(jìn)“十二五”期間環(huán)境保護(hù)事業(yè)的科學(xué)發(fā)展，加快資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設(shè)，工程建設(shè)項目實施前必須進(jìn)行地下水環(huán)境影響評價工作。

目前火力發(fā)電建設(shè)項目產(chǎn)生的工業(yè)廢水對地下水環(huán)境的影響日益嚴(yán)重。地下水正普遍受到由城市化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)和礦業(yè)活動導(dǎo)致的污染威脅。因此，了解污染物在地下水中的遷移規(guī)律與運移范圍，對評價其對地下水環(huán)境的影響有重要意義。

1 評價區(qū)概況

新疆天池能源電廠系新建電廠，采用煤電一體化建設(shè)模式。燃煤采用電廠南側(cè)3.5km的天池能源有限責(zé)任公司大井礦區(qū)南露天煤礦原煤，燃煤由皮帶直接運輸進(jìn)廠，可以實現(xiàn)資源就地轉(zhuǎn)化，變輸煤為輸電，是國家鼓勵發(fā)展的節(jié)能、環(huán)保項目。

本工程電廠擬建設(shè)2×660MW超臨界空冷燃煤發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)石灰石—石膏濕法脫硫設(shè)施及SCR脫硝裝置，并預(yù)留擴(kuò)建條件。

電廠按照項目可行性研究報告并參照同類已建成的電廠工程，正常工況下無污水排放，全部回收利用，不會導(dǎo)致地下水污染。在非正常（事故）工況下，電廠廠區(qū)可能由于廢水池等含有毒有害物質(zhì)通過泄漏、溢流等途徑滲入地下，對地下水環(huán)境造成影響。

2 水文地質(zhì)概況

2.1 地下水類型及富水性

電廠評價區(qū)地下水類型為三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，評價區(qū)內(nèi)第四系較薄，為透水層。

電廠評價區(qū)內(nèi)三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水按照富水性等級劃分為富水性差級（單井涌水量10～100t/d）。本次勘探深度內(nèi)，單層含水層厚度在5.79～36.53m間，含水層巖性為含礫中粗砂巖、泥質(zhì)礫巖、礫巖、粗砂巖，承壓水頭高度為15.33～16.9m。據(jù)勘探成果，單井涌水量69.81m3/d，滲透系數(shù)0.083m/d，導(dǎo)水系數(shù)4.34m2/d，含水層滲透性能較差，導(dǎo)水能力較弱。

2.2 地下水補給、徑流、排泄條件

評價區(qū)三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水主要接受北部山區(qū)地下水側(cè)向補給，由于評價區(qū)地下水存在穩(wěn)定連續(xù)的相對隔水層，大氣降水對評價區(qū)承壓水補給微弱。評價區(qū)內(nèi)地下水從北向南徑流，三疊系以泥巖、砂巖、礫巖互層的形式出現(xiàn)，且泥質(zhì)充填，夾層較多，地層滲透性差，徑流條件不佳。從地下水的水質(zhì)分析成果可看出，評價區(qū)地下水的礦化度均較高，ZK4、ZK5孔處的地下水礦化度均大于100.830g/L，說明地下水運移速度遲緩，甚至處于停滯狀態(tài)。含水層之間受相對隔水層—泥巖、砂質(zhì)泥巖和含礫泥質(zhì)粉砂巖層所阻隔，含水層間水力聯(lián)系微弱。三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水主要以向南側(cè)流出方式排泄。

2.3 地下水化學(xué)特征

評價區(qū)地下水源補給貧乏，水流交替緩慢，根據(jù)ZK4孔水質(zhì)化驗成果，水化學(xué)類型為Cl－Na·Ca型，礦化度102.892g/L。根據(jù)ZK5孔水質(zhì)化驗成果，水化學(xué)類型為Cl－Na·Ca型，礦化度100.830g/L。

3 地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價

3.1 包氣帶水流數(shù)值模擬與預(yù)測

3.1.1 評價目的

（1）設(shè)計符合該電廠區(qū)地下水條件和污染源特點的事故情景。

（2）應(yīng)用包氣帶水分運移數(shù)值模擬方法預(yù)測不同事故情景下污染物在包氣帶中的入滲深度，確定污染物可能進(jìn)入目的含水層的事故情景。

（3）針對污染物可能進(jìn)入目的含水層的事故情景，進(jìn)行地下水流與溶質(zhì)運移的數(shù)值模擬，預(yù)測污染物在目的含水層中的運移范圍及濃度。

（4）依據(jù)包氣帶水分運移預(yù)測結(jié)果和地下水流溶質(zhì)運移預(yù)測結(jié)果，對電廠建設(shè)對地下水環(huán)境的可能影響做出評價。

3.1.2 預(yù)測方法

地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬分2步進(jìn)行，即：第一步，進(jìn)行評價區(qū)包氣帶水分運移模擬，確定不同情境下廠區(qū)廢水最大入滲深度，據(jù)此確定廠區(qū)廢水可以進(jìn)入廠區(qū)承壓含水層的情景；第二步，針對廠區(qū)廢水可以進(jìn)入承壓含水層的情景開展地下水流和溶質(zhì)運移的模擬預(yù)測。

研究區(qū)電廠廠區(qū)無潛水，承壓含水層頂板埋深為20.0m。目的含水層（承壓含水層）上部地層巖性在垂向上變化較大，直接進(jìn)行地下水流及溶質(zhì)模擬難以刻畫電廠廠區(qū)廢水在包氣帶的運移狀況。

包氣帶水分運移數(shù)值模擬與預(yù)測采用HYDRUS-1D軟件，地下水流與溶質(zhì)運移數(shù)值模擬與預(yù)測采用GMS軟件。

3.1.3 概念模型

排污池所在地區(qū)非飽和帶從上到下基本為含砂泥巖。綜合探井及鉆孔資料，該區(qū)未見潛水含水層。在20.00～31.22m深度處為承壓含水層（目的含水層），故本次非飽和帶數(shù)值模擬的地層深度取為20m。不同深度地層巖性為：0～0.75m為含礫亞砂土，0.75～1.15m為含礫泥巖，1.15～4.15m為風(fēng)化泥巖，4.15～17.6m為含礫泥質(zhì)粉砂巖，17.6～20.00m為泥質(zhì)粉砂巖。

在本次評價中應(yīng)用HYDRUS-1D軟件求解非飽和帶中的水分與溶質(zhì)遷移方程，按10cm等間隔劃分為201個單元。結(jié)合電廠廠區(qū)污染源分布情況（主要來自電廠廢水池，截面積為700m2，廢水排放量為60m3/h）及地下水埋藏條件，包氣帶污染物運移模型主要考慮以下5種事故情形：污水池連續(xù)入滲1d、10d、30d、100d、365d，20m深度包氣帶污染物運移模擬。

3.2 包氣帶水流數(shù)值模型

HYDRUS-1D模型對飽和-非飽和帶土壤水分運移的模擬采用Richards方程，方程的數(shù)值求解采用Galerkin有限元法。其數(shù)學(xué)模型為：

式中：θ——土壤體積含水率，%；

h——土壤水分負(fù)壓，cm；

z——垂直坐標(biāo)，取向下為正，表示土壤深度，cm；

K——非飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)，cm/d；

初始條件：先使用插值的含水率、壓力水頭值進(jìn)行100d的計算，以100d時的穩(wěn)定計算結(jié)果作為初始條件。

邊界條件：上邊界為定通量邊界，電廠污水的排污強(qiáng)度為1440m3/d，排污池面積為700m2，通量值為0.143cm/min；下邊界為已知壓力水頭邊界，根據(jù)模型的具體情況，設(shè)定20m處為地下水面，壓力水頭為零。

3.3 溶質(zhì)模型

模型中飽和—非飽和多孔介質(zhì)中非穩(wěn)定流溶質(zhì)運移的一維對流—彌散方程為：

式中：c——土壤溶液中溶質(zhì)濃度，mg/cm3；

s——吸附在土壤顆粒上的固態(tài)溶質(zhì)濃度，mg/cm3；

ρ——土壤干容重，g/cm3；

q——流速，cm/d；

μw、μs——液態(tài)和固態(tài)溶質(zhì)的一階反應(yīng)速率常數(shù)；

γw、γs——液態(tài)和固態(tài)溶質(zhì)的零階反應(yīng)速率常數(shù)；

S——水流方程的源匯項，d-1；

cs——源匯項的溶質(zhì)濃度，mg/cm3；

D——飽和-非飽和水動力彌散系數(shù)，cm2/d。

溶質(zhì)模型的上邊界選擇為定濃度通量邊界，下邊界選擇為零濃度梯度邊界。由于電廠廠區(qū)之前未排過污水，所以初始土層剖面濃度為零。

3.4 模型參數(shù)設(shè)置

依據(jù)廠區(qū)彌散試驗結(jié)果，污水在土壤中的擴(kuò)散系數(shù)DW取443.8 cm2/h，縱向彌散度DL取54.53cm。模型中所使用土壤水力特征參數(shù)見表1。

表1 電廠廠區(qū)土壤水力特征參數(shù)

3.5 模擬結(jié)果

不同情境下電廠廠區(qū)污染物運移模擬結(jié)果匯總見表2。

表2 不同情境下電廠廠區(qū)污染物運移模擬結(jié)果匯總

（1）連續(xù)排污1d，最大入滲深度8.4m，未到達(dá)承壓含水層。

（2）連續(xù)排污10d，最大入滲深度11.0m，未到達(dá)承壓含水層。

（3）連續(xù)排污30d，最大入滲深度16.4m，未到達(dá)承壓含水層。

（4）連續(xù)排污100d，污染物進(jìn)入承壓含水層，但其最大濃度僅為0.025g/L（遠(yuǎn)小于該區(qū)ZK4孔地下水的礦化度102.9g/L）。

連續(xù)排污365d，污染物進(jìn)入承壓含水層，但其最大濃度僅為1.4g/L（遠(yuǎn)小于該區(qū)ZK4孔地下水的礦化度102.9g/L）。

3.6 地下水環(huán)境影響評價數(shù)值模型

3.6.1 事故情景設(shè)定

根據(jù)模擬區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合上述模型模擬得到的模擬區(qū)地下水流場特征，應(yīng)用Modflow軟件的MT3D模塊計算污染物可能遷移的距離，預(yù)測污染物在地下水中遷移的范圍和濃度值。電廠廠區(qū)廢水池只有連續(xù)排放100d和365d時污染物才能入滲到含水層。因此，地下水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測情景設(shè)定為電廠廠區(qū)廢水池連續(xù)排放365d。假設(shè)生產(chǎn)廢水處理站某一設(shè)施發(fā)生連續(xù)性腐蝕泄漏，持續(xù)時間長達(dá)一年。泄漏量按日排放量計算，即1439.9m3/d，選取COD作為特征污染物，不考慮包氣帶的吸附、降解等作用，則進(jìn)入地下水的COD污染物總量為42045.08kg/a(115.192kg/d)。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，分析評價滲漏事故對模擬區(qū)地下水環(huán)境的影響范圍和程度。

本次溶質(zhì)運移模擬預(yù)測采用準(zhǔn)三維地下水流場中的對流—彌散方程和定解條件作為數(shù)學(xué)模型：

式中：c——飽和含水層中的污染物的濃度；

t——時間；

ux、uy——孔隙平均實際流速，ux=vx/n,uy=vy/n,其中vx、vy為滲流速度；

n——有效孔隙，無量綱；

Dx、Dy、Dz——坐標(biāo)軸方向的主彌散系數(shù)，Dx=αL· u，Dy=αT·u，Dz=αV·u，其中αL、αT、αV分別為縱向、橫向彌散度、垂向彌散度；

I——單位時間單位面積含水層內(nèi)由于源匯項流量W（包括污染源、抽水和降水入滲）引起的污染物濃度cs變化，I＝csW/n；c0(x,y)為初始時刻區(qū)域Ω上的溶質(zhì)濃度分布；

B1——研究區(qū)給定溶質(zhì)通量邊界。

3.6.2 模擬時段設(shè)定

具體的模擬時段設(shè)定為：自泄漏時間點起，由于地下水的流速較慢，選擇每60d為一時段，模型運行122個時段（共20年），預(yù)測泄漏發(fā)生后給定源強(qiáng)的污染物在地下水中的濃度時空分布，從而確定污染事故對本區(qū)地下水環(huán)境的影響范圍和程度。

3.7 情景預(yù)測分析

根據(jù)地下水流數(shù)值模擬結(jié)果，初步分析了廢水處理池處水質(zhì)點的遷移方向，水質(zhì)點的遷移方向基本按水位流動的方向由排泄點向南部邊界擴(kuò)散，為此，本次模擬選擇在泄漏點和南部排泄邊界之間設(shè)定18個污染物監(jiān)測點，觀測在模擬期20年內(nèi)，COD污染物濃度隨時間的變化，從而判定污染物對本區(qū)地下水造成的污染。根據(jù)污染物運移模擬結(jié)果，Ob2和Ob5監(jiān)測井能明顯觀測到污染物濃度（圖1、圖2）。選擇代表性的時間點（1年、5年、10年、20年），分別給出污染物的濃度和遷移范圍（見表3、圖3和圖4）。

圖1 Ob2監(jiān)測點濃度隨時間變化曲線

圖2 Ob5監(jiān)測點濃度隨時間變化曲線

表3 COD污染物遷移預(yù)測結(jié)果

圖3 COD污染物泄漏運移1年的污染范圍

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法建立了新疆天池能源電廠評價區(qū)域的地下水?dāng)?shù)值模型，利用數(shù)值模擬軟件模擬事故工況下污染物在地下水中的遷移規(guī)律，進(jìn)而對電廠評價區(qū)域地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測與評價，結(jié)果顯示，電廠在正常工況下廢水循環(huán)使用，采用了嚴(yán)格的防滲、防溢流等措施，不會對地下水環(huán)境質(zhì)量造成顯著影響，在非正常工況下，電廠區(qū)廢水連續(xù)排放365d以內(nèi)，廢水排放不會對地下水產(chǎn)生明顯影響，連續(xù)排放365d，污染物可進(jìn)入承壓含水層，對地下水有一定影響。

通過本次地下水環(huán)境影響預(yù)測和評價，為建設(shè)項目的決策、工程設(shè)計和環(huán)境管理、地下水環(huán)境保護(hù)措施與管理對策，提供科學(xué)依據(jù)。

X703

A

1004-5716(2015)10-0081-05

2015-06-29

2015-06-29

居馬·吐爾遜（1979-），男（維吾爾族），新疆莎車人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。