赤泥堆場污染物對地下水環(huán)境的影響研究

(合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009)

隨著現(xiàn)代社會的進步和發(fā)展，地下水污染的防治成為環(huán)境污染防治的重點之一。氧化鋁廠產(chǎn)生的赤泥，由于其特殊性，需要進行堆填處理，而赤泥具有強堿性，如果處理不當，其滲濾液將對地下水環(huán)境產(chǎn)生很大影響。本文結(jié)合遵義氧化鋁廠實例對赤泥堆場所在區(qū)域的地下水環(huán)境影響進行研究，并得出相關(guān)結(jié)論，可為相似條件的地下水環(huán)境影響評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

遵義氧化鋁廠赤泥堆場場區(qū)為低山溶丘槽谷地貌，總體呈西高東低之勢，地勢較平緩。場區(qū)內(nèi)最高點位于東側(cè)山頂，海拔高程885.3m，最低點位于西側(cè)洼地處，海拔高程789.8m。谷地相對高差約15.0m。

區(qū)域地層分區(qū)為揚子地層區(qū)黔北地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)分布有第四系及中下三疊統(tǒng)、二疊系、中上寒武統(tǒng)，缺失石炭系、泥盆系、志留系。構(gòu)造處于黔北鳳風北東“S”形構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)背斜、向斜多作等勢發(fā)育，背斜軸部常出露寒武系，向斜核部多保存三疊系。褶皺一般長10～100km，寬10km，與褶皺配套的走向斷層較發(fā)育。

播州區(qū)屬于亞熱帶季風濕潤氣候類型，具有氣候溫和、多云寡照、四季分明、雨水集中，冬無嚴寒、夏無酷暑等氣候特征。地下水主要受大氣降水補給，次為溪溝、水庫等地表水補給。降水和地表水通過溶隙、溶洞、落水洞等補給地下水。

區(qū)域上廣泛分布三疊紀、二疊紀及寒武紀可溶巖地層，其間夾多層諸如龍?zhí)督M泥頁巖、粉砂巖等碎屑巖巖層，受構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)地層呈北東—南西方向延伸?？扇軒r地層巖性硬脆，裂隙發(fā)育，場地所在的云貴高原烏江中游新構(gòu)造運動強烈上升區(qū)，地形起伏大，第四系僅分布于局部的谷地、巖溶洼地、山地的斜坡，分布零星，厚度薄。區(qū)域氣候溫暖濕潤，降水充沛，烏江河流深切，地下水交替強烈，巖溶發(fā)育。三疊系中下統(tǒng)、二疊系中統(tǒng)厚層塊狀質(zhì)純灰?guī)r巖溶發(fā)育以管道狀、地下暗河為主，寒武系中上統(tǒng)白云巖巖溶發(fā)育以溶隙、溶洞為主，地下水分布極不均勻，主要集中于可溶巖地層的溶洞、巖溶管道、碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水巖組，包括寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)組，二疊系中統(tǒng)茅口組、棲霞組，三疊系下統(tǒng)夜郎組第一、二段、茅草鋪組，中統(tǒng)獅子山組。巖性以灰?guī)r、白云巖為主，地表落水洞、巖溶洼地，地下巖溶管道、地下溶洞發(fā)育，地下水主要賦存于巖溶裂隙、溶洞、巖溶管道中，富水性中至強。

地質(zhì)構(gòu)造控制著地層巖性與地貌分布，從而控制著地下水徑流、排泄。區(qū)域上褶皺軸向呈北東向，碳酸鹽巖地層與碎屑巖地層相間部分布，碳酸鹽巖裂隙巖溶發(fā)育，含較豐富的裂隙溶洞水，碎屑巖裂隙不發(fā)育，起到隔水層作用，裂隙巖溶含水層各自形成基本獨立的巖溶地下水系統(tǒng)。地下水徑流通道為溶隙、溶洞和巖溶管道。巖溶水呈階梯狀向谷地進行集中排泄，地下暗河等大水量地下水排泄點，多在烏江峽谷排泄，烏江是區(qū)域上的最低排泄基準面。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型準備

2.1.1 監(jiān)測孔布設(shè)

根據(jù)地下水流場以及研究區(qū)的地形地貌和周圍環(huán)境，布設(shè)地下水水質(zhì)監(jiān)測點共17個，其中6個水質(zhì)點兼做水位點(1、2、3、4、5、6號)，監(jiān)測點分布于研究區(qū)的上中下游，詳細位置見圖1。

2.1.2 水質(zhì)樣品采集

按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164—2004)要求，現(xiàn)場采樣，枯水期采用普通瓶取樣，平水期、豐水期通過純凈水塑料瓶采集水樣，采集完水樣立即送回實驗室檢測。

2.1.3 監(jiān)測因子

根據(jù)《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)、《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 164—2004)，結(jié)合《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)和項目污染特征因子考慮，地下水現(xiàn)狀監(jiān)測因子選取pH值、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發(fā)酚類、氰化物、砷、汞、六價鉻、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、大腸菌群、細菌總數(shù)、高錳酸鹽指數(shù)共21項。

2.1.4 環(huán)境水文地質(zhì)勘察與試驗

通過現(xiàn)場水文地質(zhì)勘察抽水試驗，可以確定相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，為地下水環(huán)境影響評價數(shù)值模擬計算提供背景資料和輸入?yún)?shù)等。

赤泥堆場第四系土層均較薄，僅在洼地內(nèi)存在 0～10m土層，在廠區(qū)西北側(cè)漏斗內(nèi)選取3個點，赤泥

圖1 水質(zhì)監(jiān)測點及泄漏點位置圖

堆場的西側(cè)洼地內(nèi)選取3個點做滲水試驗，得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 滲水試驗及土樣分析結(jié)果統(tǒng)計

2.2 建立模型

2.2.1 模型參數(shù)

赤泥堆場內(nèi)廢液總堿度高，且含有鋁、砷、氟化物、硫酸鹽等多種污染因子，一旦庫底發(fā)生泄漏，庫內(nèi)赤泥及其廢液將泄露至地下水中，進而影響庫區(qū)及其下游地下水環(huán)境。赤泥堆場內(nèi)滲濾液滲漏，可能造成下游地下水中懸浮物、氟化物、pH值等超標。由于氟化物對于污染響應最明顯，故本次模擬的預測因子選擇氟化物。

結(jié)合項目工程場地水文地質(zhì)條件和潛在污染源的特征，地下水影響預測采用一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散解析解方程——平面連續(xù)點源模型。其解析解為

(1)

2.2.2 泄漏場景

a.模擬情景設(shè)置為在有防滲條件下，赤泥沉降區(qū)圍堰底部破損5%發(fā)生泄漏情景下污染物運移，根據(jù)赤泥堆場平面布置圖確定泄漏點位置,見圖1。

b.根據(jù)同類赤泥堆場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，污水中選擇的污染物指標氟化物指數(shù)濃度為14mg/L，赤泥含水率為41.7%。

在項目廠區(qū)四周均設(shè)置了觀測井，每季度手動監(jiān)測1次，通過地下水質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測污染物濃度變化以及及時發(fā)現(xiàn)污染物泄漏。在防滲層底部破損的情況下，根據(jù)每天通過防滲層流失最大庫容含水量的5%進行模擬，赤泥堆場最大庫容2699.44萬m3，故污染物泄露濃度為2699.44萬m3×5%×14mg/L×41.7%=78.7967kg/d。

c.溶質(zhì)運移模型參數(shù)設(shè)置。M：根據(jù)水文地質(zhì)資料，項目含水層厚度約為20m；水流速度u：根據(jù)經(jīng)驗值，滲透系數(shù)為0.6m/d。地下水實際流速計算參數(shù)見表2。

表2 地下水實際流速計算參數(shù)

縱向x方向的彌散系數(shù)DL，參考關(guān)于縱向彌散度與觀測尺度關(guān)系理論的相關(guān)研究，根據(jù)本次場地的研究尺度，模型計算中縱向彌散度選用20m。由此估算含水層中的縱向彌散系數(shù)DL=0.18m2/d。

橫向y方向的彌散系數(shù)DT，根據(jù)經(jīng)驗一般DT/DL=0.1，因此，DT取0.0018。

d.預測結(jié)果及分析。將相關(guān)參數(shù)帶入水質(zhì)模型，利用Matlab軟件運行得到氟化物在水平方向的運移結(jié)果(見圖2～圖6)，分別給出了在廢水貯存池泄露100d、365d、1000d、3650d(10年)、7300d(20年)后污染物在水平方向上的運移范圍。

圖2 氟化物污染物泄漏100d濃度-運移曲線

圖3 氟化物污染物泄漏365d濃度-運移曲線

圖4 氟化物污染物泄漏1000d濃度-運移曲線

圖5 氟化物污染物泄漏3650d濃度-運移曲線

圖6 氟化物污染物泄漏7300d濃度-運移曲線

泄漏發(fā)生后，污染物對地下水的影響范圍在逐漸增加；在徑流方向上，地下水中污染物的濃度在逐漸減小，當氟化物濃度降低為0時，其距離下游保護目標仍有一段距離。因此，在天然流場中，在不考慮地下水大量開采的情況下，赤泥堆場圍堰底部破損，對地下水產(chǎn)生的環(huán)境影響是可以接受的。

3 結(jié) 論

a.赤泥堆場周圍的地下水易受污染，需要對可能發(fā)生的污染狀況進行預測。

b.地下水影響預測采用一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散解析解方程——平面連續(xù)點源模型。項目選擇赤泥堆場圍堰底部破損5%的情景，選取氟化物作為預測因子，利用Matlab軟件運行得到氟化物在水平方向的運移結(jié)果，溶質(zhì)運移距離小于100m，距下游保護目標仍有一段距離。

c.赤泥堆場的滲濾液對地下水環(huán)境的影響較大，建設(shè)單位在加強管理、提高環(huán)保意識并嚴格執(zhí)行設(shè)施防滲設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，應對重點區(qū)域加強防滲監(jiān)測管理，制定應急預案。