一孔多管監(jiān)測(cè)技術(shù)在雄安新區(qū)某污水庫(kù)污染治理與生態(tài)修復(fù)地下水污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張萬(wàn)河 和 新 郝國(guó)利 張慶宙 彭 飛 莊丁源

(1.河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心 石家莊 050081；2.河北地礦建設(shè)工程集團(tuán)公司 石家莊 050081)

雄安新區(qū)位于中國(guó)河北省保定市境內(nèi),地處北京、天津、保定腹地,是中國(guó)(河北)自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)組成部分。雄安新區(qū)定位為二類大城市,采用最先進(jìn)的理念和國(guó)際一流的水準(zhǔn)進(jìn)行城市設(shè)計(jì),建設(shè)標(biāo)桿工程,打造城市建設(shè)的典范。同時(shí),雄安新區(qū)也是“無(wú)廢城市”建設(shè)特例區(qū)。

某污水庫(kù)位于雄安新區(qū)境內(nèi)白洋淀流域洼淀區(qū),與白洋淀僅一閘之隔,地處白洋淀流域湖泊洼地地貌類型區(qū)。從白洋淀地下水流場(chǎng)來(lái)看,該污水庫(kù)受區(qū)域地下水流動(dòng)方向(西北到東南)以及自身和白洋淀地表水滲漏補(bǔ)給的影響,污水庫(kù)周邊地下水具有從北向南流動(dòng)的趨勢(shì),地下水流動(dòng)方向影響污染物的擴(kuò)散和遷移的方向。

該污水庫(kù)污染治理與生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)具有綜合效益和生態(tài)環(huán)境示范作用的環(huán)境工程,多水平監(jiān)測(cè)孔工程主要用于該污水庫(kù)地下水長(zhǎng)期監(jiān)管并開(kāi)展相關(guān)科學(xué)研究。該污水庫(kù)污染治理與生態(tài)修復(fù)一期工程多水平監(jiān)測(cè)井施工主要用于研究該污水庫(kù)典型污染物在污染源—底泥—地下水中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、地表水—地下水相互作用方式和程度,構(gòu)建基于數(shù)值模擬的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系,對(duì)區(qū)域污染高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)管,研發(fā)相應(yīng)的地下水原位和異位阻控與修復(fù)技術(shù)。在該工程施工過(guò)程中,為了高效、經(jīng)濟(jì)而采用了一孔多管監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 技術(shù)要求

1.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

本次多水平監(jiān)測(cè)孔的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)共26項(xiàng)： pH、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、揮發(fā)性酚類、氰化物、砷、汞、鉻(六價(jià))、總硬度、鉛、氟、鎘、鐵、錳、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、氯化物、大腸桿菌、鉀、鈉、鈣、鎂、碳酸根離子以及重碳酸根離子。樣品采集后保存避光處,在24小時(shí)內(nèi)送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。以后定期對(duì)所有26項(xiàng)指標(biāo)定期取樣化驗(yàn),進(jìn)行比對(duì)、監(jiān)測(cè)、分析,找出變化規(guī)律,確定污染物的運(yùn)移規(guī)律,判斷是否對(duì)白洋淀有所影響,對(duì)污水庫(kù)治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 監(jiān)測(cè)層位

對(duì)每層含水層分別取樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析、觀測(cè)記錄,要求每個(gè)含水層之間互不串通,互不影響。

2 解決方法

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法,每個(gè)鉆孔只針對(duì)一個(gè)含水層進(jìn)行監(jiān)測(cè),優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)鉆孔只取一層含水層的水樣,方法簡(jiǎn)便,施工簡(jiǎn)單,技術(shù)要求較低,比較容易做到,但是需要施工的鉆孔多,占用場(chǎng)地多,各項(xiàng)成本也相對(duì)較高。

本次監(jiān)測(cè)摒棄了傳統(tǒng)的方法,借鑒相似類型的水文地質(zhì)觀測(cè)鉆孔方法,采用了一孔多管的監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2.1 監(jiān)測(cè)孔布設(shè)

監(jiān)測(cè)井布設(shè)原則為一孔多用,同時(shí)監(jiān)測(cè)三層地下水,反映所在區(qū)域地下水系統(tǒng)的水位、水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化。監(jiān)測(cè)重點(diǎn)地下水重點(diǎn)污染區(qū)及可能產(chǎn)生污染的地區(qū),監(jiān)控污染源對(duì)地下水污染程度及動(dòng)態(tài)變化,反映所在區(qū)域地下水的污染特征,能反映地下水補(bǔ)給源和地下水與地表水的水力聯(lián)系,為下一步地下水修復(fù)工作提供可靠、準(zhǔn)確的水文地質(zhì)資料。

依據(jù)《污水庫(kù)治理與生態(tài)修復(fù)一期工程可行性研究》報(bào)告,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘實(shí)際和本工程的要求,依據(jù)《地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)規(guī)范》(DZ/T0270-2014),對(duì)原布設(shè)的點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)化,最終確定監(jiān)測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)孔位置。本次工作內(nèi)容主要為新建監(jiān)測(cè)孔22 眼,孔深40～150m,其中40m 的監(jiān)測(cè)孔19眼,150m 的監(jiān)測(cè)孔3眼(表1)。

表1 監(jiān)測(cè)孔具體位置坐標(biāo)

2.2 監(jiān)測(cè)孔設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)孔為鉛直多水平監(jiān)測(cè)孔(巢式監(jiān)測(cè)孔),為了保證監(jiān)測(cè)井濾水層環(huán)狀厚度不小于100 mm,滿足抽水試驗(yàn)、洗井維護(hù)的要求,設(shè)計(jì)井壁管外徑φ110mm,孔徑φ600 mm,一徑到底。監(jiān)測(cè)孔結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1,典型鉆孔A1孔剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 監(jiān)測(cè)孔結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 A1監(jiān)測(cè)孔剖面圖

2.3 監(jiān)測(cè)孔施工

22個(gè)監(jiān)測(cè)井位于該污水庫(kù)附近,根據(jù)實(shí)際工作調(diào)整,施工區(qū)地貌類型為山前沖洪傾斜平原區(qū)、沖積平原區(qū)、洼淀區(qū),監(jiān)測(cè)層均為第四系孔隙含水層,巖性為粉土、亞砂土、亞粘土、粘土、中粗砂、細(xì)砂層。

成井采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成井施工工藝。

(1)鉆探

井位選定： 監(jiān)測(cè)井位置,采用GPS對(duì)監(jiān)測(cè)井經(jīng)度、緯度和地面高程進(jìn)行定位。

設(shè)備安裝： 鉆機(jī)按照選定的孔位就位,機(jī)座安裝穩(wěn)固,天車輪、立軸、孔口在一條垂直線上。

成孔： 回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆進(jìn)成井,泥漿護(hù)壁,一次成孔,鉆孔口徑孔徑φ600mm。

(2)成井

成孔到設(shè)計(jì)深度第三層含水層位置以下(鉆至隔水層內(nèi))0.5m 后停鉆,先用稀泥漿頂換孔內(nèi)稠泥漿,再用清水頂換孔內(nèi)稀泥漿,使孔底無(wú)沉渣。

(3)第一順序井管下管

按照專項(xiàng)勘察編錄的第三層含水層位置(深度、厚度)排列井管順序下入井內(nèi)。井底留設(shè)長(zhǎng)度為0.5m 沉淀管,管底用堵頭密封。下管時(shí)設(shè)扶正器,保證井管與孔壁最小間隙不小于100 mm,同時(shí)預(yù)留上層井管下入空間。

(4)第一順序?yàn)V料投料

下管完成后采用動(dòng)水法(用泵向井管內(nèi)壓清水)投填濾料,達(dá)到進(jìn)一步?jīng)_洗濾料的目的并快速密實(shí),防止膨堵,投料過(guò)程中要時(shí)時(shí)測(cè)量投料高度,投料高度高于最下一層含水層頂板0.3～0.5m 時(shí)停止投料,濾料規(guī)格一般為φ2～3mm 的圓礫。

(5)第一順序粘土球止水

第一順序?yàn)V料投料結(jié)束后開(kāi)始投入隔水粘土球,投填高度為第二層含水層以下0.5 m,靜止30 min后測(cè)量粘土球高度,如有下沉進(jìn)行補(bǔ)填。粘土球投填過(guò)程要均勻從四周投填,嚴(yán)禁一次性大量投填,以免造成膨堵。濾料投料連續(xù)投入高度不許超過(guò)5m,如超過(guò)5m 應(yīng)停滯30min后再投。

(6)第二順序井管下管

按照專項(xiàng)勘察編錄的第二層含水層位置(深度、厚度)排列井管順序,下入井內(nèi)。井底留設(shè)長(zhǎng)度為0.5m 沉淀管,管底用堵頭密封。下管時(shí)設(shè)扶正器,保證井管與孔壁最小間隙不小于100 mm,同時(shí)預(yù)留上層井管下入空間。

(7)第二順序?yàn)V料投料

第二順序?yàn)V料投料前先投入0.5 m 高度粘土球,再進(jìn)行投料。

(8)剩余步驟

步驟如上描述,至第三順序粘土球止水完成。第三順序粘土球止水厚度為含水層位頂板2～10 m,防止地下水串層。以上孔段均用紅粘土封填。

(9)其他剩余步驟

洗井采用水泵抽水洗井及空壓機(jī)沖洗兩種方法,直至孔內(nèi)水清砂凈,每眼監(jiān)測(cè)井洗井需不少于1個(gè)臺(tái)班。

(10)抽水試驗(yàn)

監(jiān)測(cè)孔洗清后按抽水設(shè)備最大出水量進(jìn)行一次試抽水試驗(yàn),確定最大涌水量。按照定流量穩(wěn)定流抽水方法進(jìn)行不少于兩個(gè)落程抽水試驗(yàn)。第一個(gè)落程為大流量抽水,大流量抽水結(jié)束后測(cè)量恢復(fù)水位。當(dāng)水位恢復(fù)至抽水前水平或者已經(jīng)接近抽水前水平時(shí),進(jìn)行小流量抽水。大流量根據(jù)洗井所得涌水量為依據(jù),小流量的抽水量按大流量抽水量的1/3進(jìn)行。

(11)水樣采集

抽水結(jié)束前采取水質(zhì)分析樣品,每監(jiān)測(cè)孔取3組水樣,分別對(duì)應(yīng)3個(gè)含水層,共取66組水樣。

(12)輔助設(shè)施建設(shè)

井口地面封孔回填后,在孔口澆鑄φ650 mm、高1.0m 鋼筋混凝土臺(tái)墩(地下0.5 m,地上0.5 m),預(yù)埋固定螺桿,臺(tái)墩上安裝專用孔口保護(hù)器。澆鑄孔口鋼筋混凝土臺(tái)墩時(shí),在臺(tái)墩頂面埋置不銹鋼半球頂?shù)臉?biāo)志(漏出臺(tái)墩頂面1～2cm),作為監(jiān)測(cè)井(點(diǎn))高程水準(zhǔn)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)井(點(diǎn))統(tǒng)一制作標(biāo)識(shí)牌,監(jiān)測(cè)孔實(shí)物俯視圖見(jiàn)圖3。

本次工作所有新建監(jiān)測(cè)孔均安裝專用孔口保護(hù)器(裝置剖面圖見(jiàn)圖4)、埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)、制作標(biāo)識(shí)牌,共安裝專用孔口保護(hù)器22個(gè)、埋深水準(zhǔn)點(diǎn)22個(gè)、制作標(biāo)識(shí)牌22塊。

圖4 孔口保護(hù)裝置剖面圖

(13)工程測(cè)量

施工結(jié)束后進(jìn)行孔口坐標(biāo)測(cè)量,定位實(shí)測(cè)22點(diǎn)。

(14)所用材料技術(shù)質(zhì)量要求

井管滿足： 孔深40m 監(jiān)測(cè)井采用φ110mm 級(jí)管材《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材》(GB/T1002.1-2006),S10 或SDR21,PN1.25 Mpa,厚度5.3 mm；孔深150 m 監(jiān)測(cè)井井管采用直徑PE100級(jí)管材《給水用硬聚乙烯(PE)管材》(GB/T13663-2000),PN1.6 Mpa,壁厚10mm。連接方式熱熔焊接,按(GB/13663-2005)執(zhí)行。

濾水管滿足： 由于本次施工含水層厚度的不確定性,為施工方便,濾水管根據(jù)單井設(shè)計(jì)利用φ110 mm 給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材現(xiàn)場(chǎng)加工,鉆φ10mm 圓孔,孔距30mm,梅花形布置,外包裹100目尼龍紗網(wǎng)2～3層,用米絲捆扎固定牢固。

粘土球滿足： 要求φ≤20mm,純紅粘土含量大于95%,含砂量小于3%,可塑性大于17%,膨脹系數(shù)大于1.5。

鉆孔施工應(yīng)遵循單孔設(shè)計(jì)要求,開(kāi)鉆前由項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人向鉆機(jī)下達(dá)鉆孔施工任務(wù)書,明確施工目的、工作內(nèi)容與總體要求。

3 水樣采集、儲(chǔ)存與分析

采集水樣前,先要用井水沖洗采樣桶(瓶)三次,將采樣桶(瓶)裝滿后密封,瓶外標(biāo)記采樣日期時(shí)間、采樣地點(diǎn)、樣品編號(hào)和采樣人。

一組水樣采集三份： 一份為加堿玻璃瓶,一份為加酸塑料瓶,一份為5kg塑料桶盛裝原狀水,三份水樣一同送檢。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果的運(yùn)用及結(jié)論

根據(jù)所取得的化驗(yàn)結(jié)果,可以判斷污水庫(kù)對(duì)各含水層的影響程度,以及各含水層組之間是否有串通,是否對(duì)白洋淀水質(zhì)構(gòu)成影響。

采用這種施工方法所完成的監(jiān)測(cè)孔,節(jié)約了成本,達(dá)到了很好的監(jiān)測(cè)效果,對(duì)類似的監(jiān)測(cè)內(nèi)容也是一個(gè)借鑒,值得推廣。