基于GMS模擬預(yù)測(cè)硫酸儲(chǔ)罐泄漏對(duì)地下水環(huán)境的污染
——以南寧某飼料添加劑廠為例

梁一敏,藍(lán)俊康

(桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541006)

硫酸在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要地位,它是化肥、醫(yī)藥、冶金、染料、化纖、精細(xì)化工、礦物加工、制藥、石油煉制和各類有機(jī)無機(jī)化工行業(yè)不可或缺的催化劑、溶劑和生產(chǎn)原料[1]。但硫酸具有強(qiáng)烈的腐蝕性和氧化性,屬于危險(xiǎn)性極大的8.1類酸性腐蝕品[2],硫酸儲(chǔ)罐一旦發(fā)生泄漏后可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等事故。資料顯示,引發(fā)硫酸儲(chǔ)罐泄漏的原因很多,主要有儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施缺乏維護(hù),罐體或管道開裂[3],地震、大風(fēng)等自然災(zāi)害使硫酸儲(chǔ)罐發(fā)生傾覆和滑移,制罐工藝技術(shù)不合格、設(shè)備(材料)固有缺陷[4]等。

1 研究區(qū)的水文地質(zhì)條件

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于廣西南寧市某工業(yè)區(qū)內(nèi),區(qū)內(nèi)為低山丘陵地貌,地面標(biāo)高65～120 m,項(xiàng)目西側(cè)為郁江,東為甘棠河,兩條河流地勢(shì)均較低(地面標(biāo)高65 m),河間的分水嶺處較高(圖1)。區(qū)內(nèi)為亞熱帶季風(fēng)氣候, 雨量較為充沛, 多年平均降雨量為1 427 mm,降雨主要集中在4—9月。

1.2 地層巖性

根據(jù)水文地質(zhì)測(cè)繪和區(qū)域地質(zhì)資料,研究區(qū)內(nèi)地下水類型主要有: 松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水兩大類,其巖性及富水性如下:

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.1 Regional hydrogeological map1—裸露型巖溶水,水量中等;2—裸露型巖溶水,水量貧乏;3—覆蓋型巖溶水,水量中等;4—覆蓋型巖溶水,紅層鈣質(zhì)礫巖裂隙巖溶水,水量貧乏;5—層狀基巖裂隙水,水量豐富;6—層狀基巖裂隙水,水量中等;7—分水嶺;8—居民區(qū);9—河流;10—地層界線;11—水文孔及其編號(hào);12—地表水水位、水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn);13—地下水位觀測(cè)點(diǎn);14—地下水流向;15—項(xiàng)目生產(chǎn)車間輪廓；16—樣號(hào)

(1)松散巖類含水巖組。其巖性主要包括填土(Qml)、 耕表土(Qh)及殘積土成因的粉質(zhì)粘土(Qel),厚度0.5～4.2 m,富水性弱-中等。

(2)孔隙裂隙含水巖組。具體包括:

① 古新統(tǒng)(E1):上部含礫粗砂巖,不等粒砂巖,含水中等,泉水流量1～50 L/s;

② 古近系始新統(tǒng)(E2):底部礫巖或礫狀砂巖,下部含礫粗砂巖、礫狀砂巖,上部泥巖、砂巖,富水性弱,泉水流量0.1～1.0 L/s。

③ 白堊系(K):粉砂巖;灰黃色、棕紅色,局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖或粉砂質(zhì)泥巖,富水性弱-中,泉水流量0.1～50 L/s。

④ 泥盆系(D):東崗嶺組(D2d)和榴江組(D3l)，中—厚層狀灰?guī)r,局部夾少量硅質(zhì)巖、白云巖、生物灰?guī)r,含水量中等,枯季泉水流量2.0～6.0 L/s。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

研究區(qū)在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上處于NEE向高峰-昆侖關(guān)復(fù)式背斜之高峰背斜南翼, 表現(xiàn)為向SSE 傾斜的單斜構(gòu)造,調(diào)查區(qū)內(nèi)無大的斷裂帶通過(圖1)。該地區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g。據(jù)歷史記載沒有4級(jí)及以上的地震發(fā)生。

1.4 地下水的補(bǔ)徑排特征

研究區(qū)內(nèi)的地下水主要靠大氣降雨的補(bǔ)給[5]。受地形的控制,區(qū)內(nèi)地下水流向由河間的分水嶺向兩側(cè)河流(即郁江和甘棠河)排泄。項(xiàng)目所在地的地下水流則向東排入甘棠河。因地層的透水性和富水性差,研究區(qū)內(nèi)沒有水井,地下水的排泄主要通過徑流向附近的江河排泄。

1.5 水文地球化學(xué)特征

2 水文地質(zhì)勘察

2.1 水文地質(zhì)測(cè)繪

在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)開展1∶10 000的區(qū)域地質(zhì)和水文地質(zhì)綜合調(diào)查,面積約18 km2,以查明調(diào)查區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件并劃分出項(xiàng)目區(qū)所在的水文地質(zhì)單元,獲得項(xiàng)目的區(qū)域水文地質(zhì)圖(圖1)。然后對(duì)項(xiàng)目所在水文地質(zhì)單元區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)詳查,重點(diǎn)調(diào)查該區(qū)域內(nèi)的企業(yè)分布特點(diǎn)、民井分布規(guī)律、含水介質(zhì)的富水性及滲透性、地下水的補(bǔ)排特征、地下水位及水質(zhì)情況。同時(shí)對(duì)地下水露頭處和河水位進(jìn)行統(tǒng)一的水位觀測(cè)。

2.2 鉆探

因項(xiàng)目區(qū)所在的水文地質(zhì)單元內(nèi)地下水的露頭過少(天然露頭僅4處), 需補(bǔ)鉆5個(gè)水文孔。 其位置分別為:廠區(qū)內(nèi)上游1個(gè)(ZK2)、 廠區(qū)1個(gè)(ZK1)、 廠區(qū)西側(cè)1個(gè)(ZK3)、 廠區(qū)下游2個(gè)(ZK4、 ZK5)。 這些水文孔的孔徑均為130 mm, 孔深10～30 m, 套管護(hù)壁, 鉆孔深度以鉆到地下水位之下10 m或深入到微風(fēng)化細(xì)砂巖或微風(fēng)化礫巖(以微風(fēng)化層為含水層的底板)為止。

2.3 水位監(jiān)測(cè)

在項(xiàng)目區(qū)所在的水文地質(zhì)單元內(nèi)設(shè)立9處地下水水位監(jiān)測(cè)點(diǎn),利用電測(cè)水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)在郁江和甘棠河也分別設(shè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)河水位。水位監(jiān)測(cè)頻率為每月1次,連續(xù)監(jiān)測(cè)9個(gè)月(跨越豐、 平、 枯水期)。

表1 2017年7月25日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位監(jiān)測(cè)值

2.4 水文地質(zhì)試驗(yàn)

由于研究區(qū)地層的透水性較差,抽水試驗(yàn)不適宜采用,改用注水試驗(yàn)求參。在勘察階段分別對(duì)ZK2、ZK3、ZK4孔的強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層分別作了鉆孔的注水試驗(yàn)。

對(duì)于常水頭注水試驗(yàn),當(dāng)試段位于地下水位以下時(shí),測(cè)試土層的滲透系數(shù),按《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 345—2007)推薦的公式計(jì)算。即[6]

(1)

式中:K為試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)(cm/s);Q為注入流量(L/min);H為試驗(yàn)水頭(cm), 為試驗(yàn)水位與地下水位之差;A為形狀系數(shù)(cm), 按下式求得。

(2)

對(duì)于降水頭注水試驗(yàn),巖土層的滲透系數(shù)也按《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 345—2007)推薦的公式計(jì)算。當(dāng)試段位于地下水位以下時(shí),有

(3)

式中：t1、t2為注水試驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻的試驗(yàn)時(shí)間(min);H1、H2分別為t1、t2時(shí)的試驗(yàn)水頭(cm)， 等于試驗(yàn)水位與地下水位之差。

注水試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著地層的含泥量的不同而差異很大,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的透水性為0.045～0.066 7 m/d,中風(fēng)化含礫粉砂巖為0.12 m/d;填土及表土的滲透系數(shù)為0.056 m/d。

3 地下水流數(shù)值模擬

3.1 地下水流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型

考慮地下水垂向流動(dòng),在預(yù)測(cè)時(shí)把地下水流視為三維的非穩(wěn)定流, 據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610—2016)[6]及文獻(xiàn)[7-9]推薦的公式

(4)

3.2 邊界條件

平面分界:模擬區(qū)北部、南部邊界均以地表分水嶺為第二類邊界(隔水邊界), 東側(cè)以甘棠河為定水頭邊界(已知水頭邊界, 或第一類邊界)。西側(cè)以郁江、班江為定水頭邊界。由于含水層底板為隔水性能良好的微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,因此可按照局部分水嶺劃分出2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。

垂向分界: 上界面為潛水, 為自由邊界， 其高度根據(jù)實(shí)測(cè)水位值及插值求得; 底部以厚層狀微風(fēng)化的砂巖或泥巖的頂面為隔水邊界, 即第二類邊界。

3.3 概化模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

把含水介質(zhì)概化為以下3層:① 松散的表土層(雜填土層+表土+殘積粉質(zhì)粘土層);② 強(qiáng)風(fēng)化砂巖層;③ 中風(fēng)化砂巖層。把微風(fēng)化砂巖層作為隔水層,其頂板作為含水層的隔水底板,即微風(fēng)化層不納入到計(jì)算單元網(wǎng)格中。此外,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,各含水介質(zhì)層均被概化為均質(zhì)各向同性介質(zhì)。

3.4 水文地質(zhì)參數(shù)

(1)初值的確定:① 包氣帶的入滲系數(shù)值:調(diào)查區(qū)內(nèi)表土主要為粉土、粉質(zhì)粘土,且很多地方被廠房和水泥路面所覆蓋,綜合取降雨入滲系數(shù)0.10；② 含水層的滲透系數(shù):根據(jù)鉆孔注水試驗(yàn)的結(jié)果[2],并結(jié)合《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610—2016)附錄B的經(jīng)驗(yàn)值取(填土及表土層0.75 m/d, 殘積粉質(zhì)粘土0.075 m/d, 強(qiáng)風(fēng)化砂巖0.65 m/d, 中風(fēng)化層0.03 m/d)。

(2)反求參數(shù):以注水試驗(yàn)等所得參數(shù)為基準(zhǔn),將孔水位、地下水露頭等共10處地下水位實(shí)測(cè)值及河水位的實(shí)測(cè)值輸入到模型中,降雨量則采用水位觀測(cè)前3日的降雨量,通過微調(diào)有關(guān)參數(shù),使計(jì)算所得的水位值與各觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)地下水位值吻合。當(dāng)模擬的水位值與實(shí)際觀測(cè)水位很接近時(shí)(擬合效果如圖2)就認(rèn)為,經(jīng)過調(diào)整過的水文地質(zhì)參數(shù)可信,能被用于后續(xù)的水質(zhì)預(yù)測(cè)之中[10-11]。

3.5 模型的離散化

研究范圍是一個(gè)不規(guī)則的區(qū)域,綜合考慮到網(wǎng)格密度對(duì)求解精度和計(jì)算時(shí)間的影響及垂向上避免疏干單元的出現(xiàn),需對(duì)研究區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行合理的剖分。本次模擬平面上共為50行、50列,共計(jì)2 500個(gè)矩形單元體。地形高程以散列點(diǎn)的形式輸入到模型中,然后運(yùn)用IDW插值法進(jìn)行賦值,結(jié)果得到的地形圖如圖3所示。本次模擬采用3 d作為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)[12]。

圖2 監(jiān)測(cè)孔的擬合效果圖Fig.2 Simulation effect for observation wells

圖3 模擬區(qū)的原始地貌圖Fig.3 Primitive landforms of the monitoring area

3.6 地下水流場(chǎng)的模擬結(jié)果

對(duì)地下水流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到的計(jì)算結(jié)果用來繪制研究區(qū)的地下水等水位線圖(圖4),可以了解地下水和地表水之間的水力聯(lián)系、流場(chǎng)內(nèi)各水質(zhì)點(diǎn)的地下水運(yùn)動(dòng)方向,以預(yù)測(cè)未來污染物的遷移方向。

4 硫酸儲(chǔ)罐泄漏事故對(duì)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

南寧某飼料添加劑生產(chǎn)企業(yè)為獲得純凈的硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸銅等成品的飼料添加劑,該廠以氧化鎂粉、氧化鋅粉、氧化銅粉為生產(chǎn)原料,用濃硫酸浸出,再經(jīng)除雜和凈化等工序,因此該廠在日常生產(chǎn)中需用大量的濃硫酸,這些純濃硫酸平時(shí)被儲(chǔ)存在兩個(gè)大的儲(chǔ)罐里。以下假設(shè)其中的一個(gè)儲(chǔ)罐突然發(fā)生泄露,對(duì)大量的濃硫酸滲入地下對(duì)地下水環(huán)境造成的污染作模擬預(yù)測(cè)。

4.1 溶質(zhì)運(yùn)移模型

三維水動(dòng)力彌散問題的數(shù)學(xué)模型為[6,13]

初始條件:

圖4 模擬區(qū)地下水等水位線圖Fig.4 Isopiestic line of groundwater table map for simulation area

C(x,y,z,t)=C0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,t=0 ;

(6)

第一類邊界條件(給定濃度邊界):

C(x,y,z,t)|Γ1=C(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ1,t≥0;

(7)

第三類邊界條件(給定溶質(zhì)通量邊界):

(8)

水動(dòng)力彌散系數(shù)的確定:根據(jù)於紅等在定邊東北部潛水含水層野外彌散試驗(yàn)測(cè)定,細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)粘土的縱向彌散度為0.005 8～0.006 4 m[14]。因此,本項(xiàng)目取縱向彌散度為0.006 m,橫向彌散度按縱向彌散度的1/8取經(jīng)驗(yàn)值[15]。

4.2 預(yù)測(cè)方法

硫酸儲(chǔ)罐的泄漏量估算:設(shè)儲(chǔ)罐的裂口面積為0.01 m2,并假設(shè)儲(chǔ)罐泄漏后,安全系統(tǒng)報(bào)警,操作人員在20 min內(nèi)使儲(chǔ)罐泄漏得到控制,并在泄漏物料上方噴灑泡沫,覆蓋泄漏物料阻止泄漏液體揮發(fā),同時(shí)采取有效的收集措施,將泄漏物料收集到備用儲(chǔ)罐。根據(jù)本項(xiàng)目硫酸儲(chǔ)罐的容積(總?cè)莘e22 m3),估算出在20 min泄漏量約為552 kg。以濃硫酸密度為1.84 t/m3,泄漏的體積=0.552 t/1.84=0.3 m3=300 L, 按地表的入滲系數(shù)為0.1計(jì)算,泄漏液向地下含水層泄漏量為30 L。

4.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

圖5 假設(shè)硫酸儲(chǔ)罐泄漏100、1 000和10 000 d后污染暈擴(kuò)散分布圖Fig.5 Diffusion distribution map of pollution halo after 100, 1 000 and 10 000 d

各污染物運(yùn)移時(shí)間/d污染暈前沿最大推移距離/m垂向運(yùn)移最大距離/m 10043.15到達(dá)底板 1 00083.5到達(dá)底板 10 000469.74到達(dá)底板

5 結(jié) 論

(1)由于研究區(qū)內(nèi)地層的富水性差,地下水資源匱乏,項(xiàng)目所在的水文地質(zhì)單元及鄰近單元內(nèi)沒有地下水井,企業(yè)和村民均使用自來水。因此即使硫酸儲(chǔ)罐泄漏事故發(fā)生造成當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境局部的嚴(yán)重污染,但所幸不會(huì)造成居民飲水中毒之類的嚴(yán)重后果。

6 建 議

(1)加強(qiáng)生產(chǎn)中對(duì)硫酸儲(chǔ)罐的管理,從儲(chǔ)存、生產(chǎn)、運(yùn)輸、污染處理設(shè)施等全過程控制硫酸的泄漏,采取行之有效的防止泄露液滲入地下含水層的各類措施。定期檢查污染源,確保硫酸儲(chǔ)罐安全運(yùn)行,每?jī)赡曛辽贆z測(cè)一次罐頂、罐壁和罐底的厚度,每三年至少一次內(nèi)部檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)有硫酸泄漏或滲漏,及時(shí)采取清理污染物和修補(bǔ)漏洞(縫)等補(bǔ)救措施。

(2)儲(chǔ)罐附近應(yīng)設(shè)置有沖洗、事故池等設(shè)施,此外儲(chǔ)罐外圍設(shè)置圍堰。用事故池收集泄漏的硫酸,以此來控制泄漏影響面積。

(3)制定完善的泄漏突發(fā)事故的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)報(bào)預(yù)案,以便能夠及時(shí)采取停產(chǎn)、封閉、截流、疏散、應(yīng)急性供水、地表廢水突發(fā)污染處理等措施,企業(yè)必須制定有安全系統(tǒng)報(bào)警和完善的事故應(yīng)急救援體系。當(dāng)出現(xiàn)儲(chǔ)罐泄漏事故征兆、險(xiǎn)情時(shí),現(xiàn)場(chǎng)值班人員應(yīng)立即向領(lǐng)導(dǎo)和應(yīng)急救援指揮中心匯報(bào)。企業(yè)還需備有應(yīng)急處置人員在泄漏時(shí)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)需要的防護(hù)用品和泄漏時(shí)用來覆蓋硫酸的砂土、石灰和沖洗用的自來水。