含巨厚非飽和帶巖溶含水層地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析

王仁敏 梅向陽 覃榮高 曹廣祝

摘要：西南巖溶區(qū)固廢填埋場選址問題成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，而在項(xiàng)目選址過程中，如何平衡項(xiàng)目建設(shè)成本及地下水環(huán)境保護(hù)成本是項(xiàng)目選址的關(guān)鍵。因此，本文以云南巖溶區(qū)某垃圾填埋場項(xiàng)目選址地下水污染評估為例，通過詳細(xì)開展水文地質(zhì)調(diào)查及勘察，在查明擬建項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用解析法開展地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及預(yù)測。研究結(jié)果表明，上覆紅粘土及巨厚非飽和帶巖溶含水層對特征污染物遷移擴(kuò)散具有較大的阻滯及延遲作用。

Abstract： The site selection of solid waste landfill in southwest karst region has become a key factor that restricting the regional economic development. How to balance the costs between the project construction and the groundwater environmental protection is the key to the site selection of project. Therefore， this study takes the groundwater contamination assessment of a landfill site in karst area of Yunnan province as an example， we carries out risk analysis and prediction of groundwater contamination using analytical method on the basis of detailed hydrogeological investigation. The study results show that the overlying red clay and the thick unsaturated zone of karst aquifer layer have significant retarding and delaying the transport and diffusion of the contaminants.

關(guān)鍵詞：非飽和帶;巖溶含水層;地下水污染;風(fēng)險(xiǎn)分析

Key words： unsaturated zone;karst aquifer;groundwater contamination;risk analysis

中圖分類號：X523 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0135-05

0 ?引言

開展巖溶區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析與評估對這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及工程建設(shè)環(huán)境影響評價(jià)至關(guān)重要。近年來，隨著西南地區(qū)工業(yè)及旅游業(yè)的快速發(fā)展，如何平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系成為了制約西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。尤其是近年來，由于水電鋁項(xiàng)目在云南的大力發(fā)展，加上云南旅游業(yè)的快速發(fā)展，固廢填埋場選址問題成為了當(dāng)?shù)卣块T棘手問題之一。尤其是巖溶區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估對整個(gè)項(xiàng)目選址是否合理的關(guān)鍵因素之一。地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)受到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]及環(huán)境管理部門的重視[5]。而開展固廢填埋場項(xiàng)目地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及評價(jià)，首先需要對項(xiàng)目場地所屬的含水層介質(zhì)類型進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查分析及判定，在此基礎(chǔ)上才能準(zhǔn)確開展地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析與評價(jià)。文獻(xiàn)調(diào)研表明對于平原區(qū)孔隙含水層地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及評估方面的研究相對較多[3，6-8]，而對于水源地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估也有相關(guān)研究[9]。而影響場地地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及評價(jià)的關(guān)鍵是含水層介質(zhì)參數(shù)的不確定性，因此，近年來國內(nèi)外學(xué)者對含水層參數(shù)不確定性開展了大量研究[10-12]，如前所示，非飽和帶是污染物與地下水之間的重要紐帶，人類工程活動所排放的污染物往往通過降雨入滲補(bǔ)給等方式穿過不同厚度非飽和帶才能最終到達(dá)地下水中，因此，對非飽和帶地下水污染遷移機(jī)理研究又成為了當(dāng)前地下水科學(xué)與工程研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[13-15]。

基巖山區(qū)固廢填埋場選址問題成為了制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，尤其是對于類似云南省以山地為主的地區(qū)，固廢填埋場選址問題尤為關(guān)鍵，如何平衡固廢填埋場選址與地下水環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系至關(guān)重要。如上所述，對于基巖山區(qū)，固廢污染源及滲濾液發(fā)生意外滲漏之后主要隨降雨入滲補(bǔ)給地下水，從而造成地下水污染，而從目前文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)對于上覆覆蓋巨厚非飽和基巖裂隙-巖溶含水層的場地研究很少。為此，本文以云南某生活垃圾填埋場建設(shè)項(xiàng)目選址為例，探討此類特殊場地水文地質(zhì)條件下項(xiàng)目建設(shè)對地下水環(huán)境造成污染的影響，開展非飽和帶-巖溶非均質(zhì)含水層地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析，為類似場地水文地質(zhì)條件下地下水污染評估及健康風(fēng)險(xiǎn)分析提供參考。

1 ?擬建項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件特征

1.1 項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)概況

根據(jù)本文水文地質(zhì)調(diào)查研究表明項(xiàng)目區(qū)正好位于泥盆系上統(tǒng)（D3）白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r碳酸鹽巖巖溶含水層，而調(diào)查區(qū)為一個(gè)相對獨(dú)立完整的水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)單元范圍內(nèi)巖溶含水層主要為泥盆系中上統(tǒng)（D2～3）碳酸鹽巖巖溶含水層（見圖1）。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目區(qū)北側(cè)以斷層為隔水邊界，西側(cè)以泥盆系中統(tǒng)?？诮M（D2h）砂巖、頁巖隔水層為隔水邊界，東側(cè)以觀音山河為邊界，南側(cè)以曲江為邊界，由此，整個(gè)項(xiàng)目區(qū)及周邊較小范圍區(qū)域構(gòu)成一個(gè)相對獨(dú)立完整的水文地質(zhì)單元。

1.2 評價(jià)區(qū)構(gòu)造水文地質(zhì)特征

從上述區(qū)域水文地質(zhì)圖1和剖面圖2中可以看出，評價(jià)區(qū)范圍內(nèi)出露的斷層主要為F1、F2、F3、F4和F5。評價(jià)區(qū)主要受這5條斷層的控制。其中與項(xiàng)目場地水文地質(zhì)單元關(guān)系較為密切的主要為F1、F4和F5斷層，斷層地質(zhì)特征如下：

1.2.1 F1和F5南北向斷層

這兩條斷層在評價(jià)區(qū)范圍內(nèi)走向近南北向，F(xiàn)1斷層距離項(xiàng)目區(qū)較近，直線距離約550m，如圖3所示，斷層?xùn)|側(cè)出露地層為泥盆系中統(tǒng)?？诮M（D2h）粉砂巖及頁巖隔水層，而東側(cè)出露地層則為石炭系中統(tǒng)威寧群（C2w）石灰?guī)r夾白云巖巖溶含水層。擬建項(xiàng)目西側(cè)出露的?？诮M薄層狀粉砂巖及頁巖隔水層產(chǎn)狀為76°∠50°，巖層傾斜向東，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)圖和剖面圖（圖1、2）可以看出，F(xiàn)1斷層?xùn)|側(cè)的海口組粉砂巖及頁巖隔水層構(gòu)成了擬建項(xiàng)目區(qū)場地西側(cè)的隔水邊界，同時(shí)海口組的粉砂巖及頁巖隔水層也構(gòu)成了F1以西大片泥盆系和石炭系巖溶含水層的隔水邊界，F(xiàn)1和F5之間夾的大片泥盆系和石炭系碳酸鹽巖巖溶含水層，在受F1導(dǎo)水?dāng)嗔鸭皷|側(cè)海口組粉砂巖及頁巖隔水層的共同作用下，地下水沿著F1斷層向南側(cè)曲江徑流，最終以泉（GW4大龍?zhí)度c(diǎn)）的形式排泄于曲江。整體上F1和F5具有一定的左行走滑特征，這兩條斷層的及泥盆系中統(tǒng)?？诮M粉砂巖及頁巖隔水層共同作用構(gòu)成了本文項(xiàng)目區(qū)的西側(cè)隔水邊界。

1.2.2 F4斷層

受區(qū)域北西南東向區(qū)域斷裂的控制，F(xiàn)4斷層整體走向近北西南東向，如圖4所示，斷層南西側(cè)主要出露地層為泥盆系上統(tǒng)（D3）灰白色白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r，為擬建填埋場出露巖層，而斷層北東側(cè)主要出露巖層為震旦系陡山沱組（Zbd）粉砂巖、板巖夾白云巖，該斷層構(gòu)成了項(xiàng)目區(qū)北側(cè)隔水邊界。

1.2.3 F2和F3斷層

如圖1所示，F(xiàn)2和F3斷層位于本文調(diào)查范圍南側(cè)及東側(cè)，受區(qū)域斷層的控制，F(xiàn)2斷層主要出露于評價(jià)區(qū)南側(cè)曲江一帶，走向北東南西，該斷層切斷曲江南側(cè)出露的大片泥盆系和石炭系巖溶含水層，而F3則位于調(diào)查區(qū)東側(cè)，斷層走向近南北向，與F1近于平行，F(xiàn)3東側(cè)為泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r巖溶含水層，而西側(cè)為泥盆系中統(tǒng)海口組（D2h）粉砂巖及頁巖隔水層，從圖2區(qū)域水文地質(zhì)剖面圖可以看出，F(xiàn)3斷層與F1斷層與?？诮M粉砂巖及頁巖隔水層共同作用構(gòu)造項(xiàng)目區(qū)向斜盆地兩側(cè)的隔水邊界。

1.3 地下水補(bǔ)徑排條件

區(qū)域地下水類型以碳酸鹽巖巖溶水、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖成夾層型的巖溶水（如圖1所示）。結(jié)合圖1和2和區(qū)域地質(zhì)資料，根據(jù)鉆孔勘察資料顯示項(xiàng)目場地所處泥盆系上統(tǒng)（D3）碳酸鹽巖巖溶水含水層較為豐富，地下水徑流運(yùn)移多集中于巖溶裂隙及溶蝕裂隙中，而碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖成夾層型的巖溶水主要賦存于震旦系陡山沱組（Zbd）粉砂巖、板巖夾白云巖中，富水性相對較弱，評價(jià)區(qū)范圍內(nèi)主要受近南北向斷層構(gòu)造的控制，地下水主要受大氣降水入滲補(bǔ)給，順著溶蝕裂隙及層間裂隙徑流，最終以巖溶泉（GW4大龍?zhí)度c(diǎn)）及地表徑流（觀音山河）的形式排泄于南側(cè)的曲江，曲江為評價(jià)區(qū)最低侵蝕基準(zhǔn)面。整體上評價(jià)區(qū)地下水補(bǔ)徑排條件較為清晰，地下水整體上由北向南徑流，最終以泉及側(cè)向補(bǔ)給河流的形式排泄于南側(cè)曲江。

2 ?地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)前述對擬建項(xiàng)目場地水文地質(zhì)條件分析顯示，項(xiàng)目場地全部分布于泥盆系上統(tǒng)（D3）碳酸鹽巖巖溶水含水層，根據(jù)2個(gè)水文地質(zhì)勘察深鉆發(fā)現(xiàn)場地地下水位埋深很深，大于300m，且填埋區(qū)上覆覆蓋厚度不等的紅粘土層。因此，本文地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及預(yù)測主要針對非正常情況下，垃圾填埋場的填埋區(qū)及滲濾液調(diào)節(jié)池發(fā)生意外滲漏條件下對地下水環(huán)境的影響進(jìn)行預(yù)測和分析。鑒于本文項(xiàng)目場地水文地質(zhì)條件比較特殊，本文地下水環(huán)境影響預(yù)測采用解析法進(jìn)行預(yù)測分析，由于擬建項(xiàng)目區(qū)地下水位埋深較深，雨季埋深約為314m，而旱季埋深約為340m，因此，本文地下水環(huán)境影響預(yù)測采用一維滲流模型，通過解析法預(yù)測填埋區(qū)及滲濾液調(diào)節(jié)池防滲膜破損導(dǎo)致滲濾液下滲到下伏泥盆系巖溶含水層地下水的濃度，從而分析其對周邊地下水環(huán)境造成的影響。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)非飽和帶厚度約為300m，本文預(yù)測先選用一維無限長多孔介質(zhì)柱體模型計(jì)算瞬時(shí)泄露條件下，污染物能否穿透300m厚包氣帶到達(dá)地下水。本文選擇滲濾液作為源強(qiáng)進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，假設(shè)防滲膜破損導(dǎo)致滲濾液意外泄露100kg進(jìn)入到下伏巨厚泥盆系灰?guī)r包氣帶中，根據(jù)《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ610-2016）[5]附錄F.3.2.1一維半無限長多孔介質(zhì)模型，污染物瞬時(shí)注入：

從圖5可以看出，擬建垃圾填埋區(qū)及滲濾液調(diào)節(jié)池發(fā)生意外滲漏下滲到下伏泥盆系上統(tǒng)（D3）巖溶含水層，約在600天后到達(dá)地下水中的氨氮濃度達(dá)到峰值，濃度為121mg/L，高于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0.5mg/L。

3 ?結(jié)果與討論

從圖5可以看出，垃圾填埋場瞬時(shí)泄漏100天處理完畢條件下，約在600天后特征泄漏的特征污染物到達(dá)含水層中的峰值濃度高達(dá)121mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于擬建項(xiàng)目區(qū)滲濾液氨氮濃度1050mg/L，但高于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0.5mg/L。而結(jié)合本文場地的水文地質(zhì)條件可以看出，鑒于項(xiàng)目區(qū)場地水文地質(zhì)條件比較特殊，本文應(yīng)用導(dǎo)則[5]公式（D.1）進(jìn)行定量計(jì)算預(yù)測分析過程中還簡化了2點(diǎn)，第一，項(xiàng)目區(qū)所處的巖溶含水層，上覆覆蓋厚度不等的紅粘土風(fēng)化層，防滲膜系統(tǒng)破損條件下，填埋場下伏厚度不等的紅粘土層對特征污染物還有很大的阻滯及吸附作用，而本文解析法預(yù)測忽略了這部分的影響，如果考慮這部分阻滯及吸附作用，到達(dá)下伏巖溶含水層的濃度將遠(yuǎn)低于121mg/L，且到達(dá)時(shí)間也將大于600天;第二，本文選用導(dǎo)則[5]中垂向一維半無限長多孔介質(zhì)模型（D.1）進(jìn)行預(yù)測時(shí)，本身模型已經(jīng)概化為飽和滲流模型進(jìn)行計(jì)算，因此，如果采用非飽和模型進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，則到達(dá)巖溶含水層中的特征污染物濃度將進(jìn)一步減小，同時(shí)到達(dá)時(shí)間將進(jìn)一步延遲。

基于上述2點(diǎn)可以看出，目前對地下水污染定量評價(jià)模型中，導(dǎo)則[5]中的解析模型均只考慮了特征污染物直接進(jìn)入含水層的情景，而未考慮特征污染物到達(dá)含水層之前非飽和帶和人工填土及第四系覆蓋的粘土層的阻滯作用，因此，預(yù)測結(jié)果往往偏大，即風(fēng)險(xiǎn)偏大。當(dāng)然，由于不同地區(qū)不同地質(zhì)及水文地質(zhì)條件差異較大，尤其是在我國西南基巖山區(qū)非飽和帶厚度差異較大，因此進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及評價(jià)過程中，必須考慮非飽和帶及粘土層的阻滯作用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估，才有可能更為合理的評價(jià)項(xiàng)目對地下水環(huán)境的影響。

綜上所述，目前對于地下水環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程中，對于污染物從人類活動密切的表層進(jìn)入到下伏潛水或承壓水含水層過程中穿透非飽和帶和粘土層所需要的時(shí)間考慮較少，對于非飽和帶的滲流和場地試驗(yàn)研究雖然較多[15-17]，但對于定量化應(yīng)用于地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評估的應(yīng)用研究較少，因此，對于開展第四系粘土覆蓋層和基巖山區(qū)非飽和帶厚度較厚的含水層地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程中，應(yīng)考慮這部分對特征污染物的阻滯作用，從而減少評估結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)偏大，從而造成對項(xiàng)目選址結(jié)論的影響。此外，鑒于類似本文舉例的此類項(xiàng)目場地，雖然非飽和帶和紅粘土層對特征污染物阻滯及吸附作用明顯，但此類項(xiàng)目場地建設(shè)過程中，仍需嚴(yán)格做好防滲工作，因?yàn)橐坏┌l(fā)生意外滲漏，特征污染物進(jìn)入巨厚非飽和帶碳酸鹽巖裂隙中，想要開展地下水污染修復(fù)等補(bǔ)救措施的難度極大，因此，在項(xiàng)目區(qū)建設(shè)過程中應(yīng)采取嚴(yán)格的防滲措施，同時(shí)做好下游分散式飲用水源的替代方案，一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)采取替代措施。

4 ?結(jié)論

本文以云南某垃圾填埋場項(xiàng)目區(qū)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析為例，通過水文地質(zhì)調(diào)查及勘察，在查明擬建項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上進(jìn)行地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及預(yù)測，通過研究主要獲得以下認(rèn)識：

①擬建垃圾填埋場處于巨厚巖溶非飽和帶（>300m）巖溶含水層，垂向一維滲流及污染物遷移預(yù)測結(jié)果表明巨厚非飽和帶對高濃度特征污染物具有明顯阻滯及延遲作用。

②通過地下水環(huán)境影響預(yù)測及風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果顯示，擬建項(xiàng)目在風(fēng)險(xiǎn)條件下對周邊地下水環(huán)境造成污染風(fēng)險(xiǎn)概率較小，主要與上覆紅粘土層滲透系數(shù)較小及非飽和帶碳酸鹽巖介質(zhì)厚度較大密切相關(guān)。

③雖然項(xiàng)目對地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較小，但一旦泄露造成碳酸鹽巖非飽和帶污染，修復(fù)難度極大，此外，對于下游潛在飲用水源地應(yīng)做好水源替代方案。

④對于紅粘土-非飽和帶巖溶含水層地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析及評估問題十分復(fù)雜，目前沒有成熟模型可以借鑒，因此，粘土非飽和帶-非均質(zhì)含水層地下水污染遷移機(jī)理及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測數(shù)學(xué)模型有待進(jìn)一步研究。

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