濟(jì)南某場地地下水污染控制技術(shù)研究

馬永躍，靖新艷，韓昱，劉玉想，魏善明

(1.濟(jì)南市生態(tài)環(huán)境局章丘分局，山東 濟(jì)南 250200；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；4.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程加速和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，由于工礦企業(yè)搬遷、突發(fā)環(huán)境污染事件、污染物或固廢的非法傾倒、填埋等因素引發(fā)的土壤和地下水污染[1-5],對我國緊缺的地下水資源造成威脅[6-8]。廢棄礦山的污染治理，受到國家宏觀政策等因素影響逐步受到重視，眾多存量問題和增量問題亟待解決。煤礦區(qū)的地下水污染問題，埋藏深度大、污染機理復(fù)雜、修復(fù)難度高[9-10]，在短時間內(nèi)無法溯源和控制風(fēng)險，成為困擾從業(yè)者的棘手問題。開展煤礦區(qū)地下水污染的控制技術(shù)研究具有重大的現(xiàn)實意義和良好的應(yīng)用前景[11]。

2015年濟(jì)南某地突發(fā)重大環(huán)境事件導(dǎo)致人員死亡，由于不法分子向廢棄礦井傾倒化學(xué)廢液導(dǎo)致土壤、地下水、巷道氣體受到污染(圖1)，污染深度為80～120m。事故井周邊5個自備井內(nèi)檢測出萘、1-甲基萘、2-甲基萘、鄰苯二甲酸二甲酯等微量有機物，位于場地下游3km左右的水源地遭受嚴(yán)重威脅。任由污染物隨著地下水在地下空間遷移和擴(kuò)散，將直接影響當(dāng)?shù)財?shù)十萬市民的用水安全。該污染事件的突發(fā)性、危害的嚴(yán)重性、污染的復(fù)雜性、處置的高風(fēng)險性和不確定性，對地下水污染進(jìn)行阻斷和控制是核心技術(shù)問題的重點難點。

圖1 場地污染模型

1 地質(zhì)背景

場地地處華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)泰山-濟(jì)南斷隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)的北部，呈NE傾向的單斜構(gòu)造。地層自下而上分別為奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭紀(jì)月門溝群本溪組、石炭-二疊紀(jì)月門溝群太原組以及第四系。場地所處煤礦于1990年建井，2005年12月閉坑，煤礦主要開采煤層為太原組下部的10-1、10-2，煤層傾向NNE，傾角10°～15°。本組地層中含石灰?guī)r五層(由下而上為一灰—五灰)，較穩(wěn)定，均為良好的標(biāo)志層。礦山資料及物探勘查顯示，場地中部有一條NE向斷層，該煤礦采用走向短壁后退式采煤法，人工打眼，放炮落煤，全部冒落法管理頂板，局部地段采用條帶式開采，礦層頂板垮落，地下空間支離破碎，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。斷裂構(gòu)造及陷落柱溝通礦坑水及奧灰水，存在“串層污染”的潛在風(fēng)險[12-13]。

2 地下水污染特征

事故井位于原煤礦工業(yè)廣場一處獨立院落的東南角(圖2)，事件發(fā)生后，事故井西北側(cè)填埋的危險廢棄物和受污染土壤被清挖和安全處置。

圖2 場地現(xiàn)狀圖(2015年)

通過對涉事3家化工企業(yè)產(chǎn)污情況進(jìn)行分析和檢測(表1)，A企業(yè)3個樣品的揮發(fā)性有機物定性分析，分別檢出15種、20種及18種有機物，共檢出15種相同的有機物，分別占3個樣品有機物檢出總量的100%、75%和 83.3%，腐蝕性pH檢驗結(jié)果顯示，3個樣品腐蝕性pH均大于14，呈強堿性；B企業(yè)廢酸儲罐中的廢硫酸樣品，呈強酸性(pH<0)，為危險廢液，具有強腐蝕性；C企業(yè)桶裝廢棄物樣品腐蝕性pH均小于0，呈強酸性，為危險廢物。

表1 涉事企業(yè)樣品pH、VOCs檢測結(jié)果

地下水應(yīng)急監(jiān)測選取12個生活飲用水監(jiān)測點，分別位于場地地下水上游、下游及周邊可能受到污染的點位，市環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測村1、村4、村5、村10、村11、村12點位檢出揮發(fā)酚、三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘等有機物，區(qū)疾控中心監(jiān)測村4、村5、村7、村9、村11、村12點位檢出萘、1-甲基萘、 2-甲基萘、鄰苯二甲酸二甲酯、苯丙醇、異丙苯、聯(lián)二苯等有機物(圖3，表2)。

表2 地下水監(jiān)測點監(jiān)測指標(biāo)及檢出情況(事件發(fā)生后)

圖3 監(jiān)測點分布示意圖

3 地下水污染阻斷設(shè)計及實施

3.1 地下空間結(jié)構(gòu)

場地地下空間結(jié)構(gòu)的刻畫，主要通過礦山地質(zhì)資料收集分析、地球物理勘探、地質(zhì)鉆探等綜合確定，基本查明污染深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)、巷道走向、發(fā)育深度以及斷層走向和破碎帶發(fā)育深度。以事故井為中心，東西向、南北向貫穿一條巷道，事故井北側(cè)發(fā)育一條斷層，傾向NNE，傾角10°～15°，斷裂帶寬約15m。巷道層坡度方向從西南往東北，事故井位置較高，局部位置下陷與塌陷有關(guān)。第四系松散層以下為巖層，含水層主要位于石炭二疊系裂隙巖溶含水層，巷道內(nèi)大部分區(qū)域處于充滿水的狀態(tài)。傾倒的化學(xué)廢液以強酸、VOCs為主，呈粘稠狀，以地下水為介質(zhì)，發(fā)生復(fù)雜的氣、液、固三相轉(zhuǎn)化，巷道、破碎帶成為優(yōu)勢徑流通道[14]，DNAPL附著、吸附于巷道底部或裂隙中，LNAPL則伴隨地下水遷移或轉(zhuǎn)化為氣態(tài)有機物在巷道和采空區(qū)擴(kuò)散(圖4、圖5)。

1—事故井；2—勘察孔；3—地下水監(jiān)測井；4—巷道；5—破碎帶；6—推測斷裂圖4 場地地下空間平面分布推斷示意圖

1—第四系；2—石炭系；3—奧陶系；4—粉質(zhì)黏土；5—泥巖；6—砂巖；7—頁巖；8—砂質(zhì)泥巖；9—灰?guī)r；10—鋁土巖；11—輝綠巖圖5 場地地質(zhì)剖面示意圖

3.2 技術(shù)比選

對于歷史遺留污染場地或者突發(fā)環(huán)境污染事件，根據(jù)緊急程度和識別的污染程度、分布和范圍，結(jié)合污染物的遷移特性，按暴露情景，可分為污染源處理模式、暴露途徑阻斷模式和制度控制措施模式等。

事件發(fā)生后，事故井被緊急封閉防止有毒氣體逸散，直接開挖事故井清除污染源造成二次污染和人員傷亡的可能性大。應(yīng)急監(jiān)測結(jié)果顯示事故井周邊及下游區(qū)域已檢出有機物，下游水源地供水安全遭受嚴(yán)重威脅。暴露途徑阻斷模式，是通過在污染源周圍構(gòu)筑低滲透性的屏障，來隔離污染物[15-18]，或通過人工干預(yù)控制地下水的流場，改變污染物的遷移途徑。

阻隔技術(shù)是指通過開挖溝槽或施工鉆孔，在污染物周圍形成一條帷幕狀的隔水帶，阻斷帷幕內(nèi)外的水力聯(lián)系，防止污染物進(jìn)一步遷移和擴(kuò)散。阻隔技術(shù)作為一種永久性的封閉方法，一般在污染事件發(fā)生初期作為應(yīng)急處置或風(fēng)險管控措施，適用于風(fēng)險大、危害高的地下水污染場地。常見的阻斷技術(shù)有泥漿阻截墻、注漿阻截墻、土工膜復(fù)合阻截墻、板樁阻截墻、可滲透反應(yīng)墻等[15]。對于深層土壤中地下水污染或者裂隙、巖溶地下水的污染，地下水的埋藏深度大，難以通過開挖來構(gòu)筑阻隔墻，而是視污染物的分布情況進(jìn)行有針對性的布點，根據(jù)地層的滲透性能，設(shè)置單排或雙排注漿孔，不斷通過壓力注入膨潤土泥漿或者水泥漿，直至形成連續(xù)均勻的墻體。

水動力控制法是利用井組抽水或注水，人工干預(yù)地下水流場，改變場地內(nèi)的水力梯度，進(jìn)而將污染水體與未污染的水體分隔[19-22]?？稍谖廴舅w的上游和下游分別布置井組，一是在上游布置注水井向目標(biāo)含水層注入清潔水，形成一個地下分水嶺阻止上游地下水補給污染水體；同時，在下游水井抽水對污染水進(jìn)行抽出處理。二是在下游布置注水井注入清潔水，形成一個分水嶺阻止污染物向下游擴(kuò)散；同時在上游抽水，將抽出的污染水體進(jìn)行處理。

本次污染事件的突出特點為地質(zhì)條件復(fù)雜、污染深度大、污染物種類多、成分復(fù)雜、污染情況重、污染分布不明、存在有毒氣體逸散風(fēng)險、對周邊地下水存在安全隱患，因此應(yīng)急處置風(fēng)險極高。地下空間支離破碎，含水層介質(zhì)水文地質(zhì)參數(shù)、污染物特性及其與地層介質(zhì)的作用機制復(fù)雜，采用帷幕注漿技術(shù)對污染區(qū)進(jìn)行永久性的封閉，并有相關(guān)礦山帷幕注漿技術(shù)規(guī)范可供借鑒，環(huán)境污染風(fēng)險可控。

3.3 阻斷設(shè)計方案

3.3.1 水文地質(zhì)條件分析

本次污染層位為石炭-二疊紀(jì)太原組10-1煤層，污染層之上33～55m的砂巖及薄層灰?guī)r具有一定的富水性，第四系粉質(zhì)黏土垂直滲透系數(shù)為6.68E-06cm/s，采用三角形井孔法確定地下水流向為西北向，煤系地層滲透系數(shù)為0.5～1.0m/d。 場區(qū)地下水以深層孔隙裂隙水混合巖溶裂隙水為主，主要接受大氣降水入滲補給，補給條件一般，但含水層透水性較差，以蒸發(fā)和人工開采為主要排泄方式。根據(jù)污染發(fā)生時間推算主要污染物的擴(kuò)散距離，在事故井周圍100m范圍，通過建立水泥漿止水帷幕來切斷污染物的擴(kuò)散途徑。

3.3.2 技術(shù)方法和工藝

通過三角布井以及重點區(qū)適當(dāng)加密，按照6～8m孔距布置兩排注漿孔(圖6)，開孔口徑Ф203mm，終孔口徑Ф152mm，下入無縫鋼管并用水泥漿固井封堵上部含水層，鉆進(jìn)至巷道/采空區(qū)底板2m終孔。先進(jìn)行Ⅰ區(qū)(圖7)注漿，待Ⅰ區(qū)注漿接頂后，然后進(jìn)行Ⅱ區(qū)注漿孔注漿，采用PO42.5普通硅酸鹽水泥密閉孔口壓力注漿，注漿流量60～160L/min，水灰比0.4～0.6，斷層北側(cè)單孔深度115～120m，斷層南側(cè)單孔深度為75～90m，共施工115個注漿孔。根據(jù)石料休止角估計填石料量和堆積高度，石料頂端沒過花管頂端0.5m開始緩慢注入高粘度水泥漿，水泥漿通過添加摻和劑提高粘度，注漿過程中不斷添加石料，持續(xù)注漿一段時間后根據(jù)需要改用雙液注漿。雙液注漿要使水玻璃和水泥漿在孔底混合，水玻璃采用間歇注入方式，石料在注漿管下入孔底后沿鉆孔投入，所需石料粒徑要求1～5cm，原則上要求不會積量卡在孔壁。若一次注漿無法做到接頂，可分多階段重復(fù)進(jìn)行，待注漿第一階段完成后，拔出注漿管，待水泥漿初凝后，下入Ф108mm鉆具鉆進(jìn)凝固體50cm，下入注漿管、投入石料繼續(xù)進(jìn)行注漿，直到充分接頂。注漿過程緩慢上拔注漿管，注漿過程結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為注漿接頂，接頂判斷依據(jù)為石料不消耗或者水泥漿難自流下滲。

1—場地紅線；2—帷幕范圍；3—巷道；4—事故井；5—注漿孔圖6 帷幕注漿竣工示意圖

圖7 注漿孔平面布置示意圖

4 結(jié)果與討論

帷幕注漿的效果從2個方面論述，一是帷幕外周邊及下游自備井中地下水的檢出情況，二是場地詳細(xì)調(diào)查階段檢測數(shù)據(jù)。從表3可以看出，2016年1月，帷幕注漿第一階段基本完成，除了村5點檢測出微量的萘之外，其他點位均未檢出有機物；2016年9月，帷幕注漿全部完成，進(jìn)入場地環(huán)境調(diào)查階段，選取4個點位進(jìn)行檢測，有3個點位檢測出微量有機物，但是濃度較低。

表3 地下水監(jiān)測點監(jiān)測指標(biāo)及檢出情況(帷幕注漿后)

為了更加客觀真實的評價帷幕注漿的效果，選取場地調(diào)查階段帷幕內(nèi)外地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。從圖8可以看出，帷幕范圍內(nèi)，巷道、破碎帶以及推測斷裂周邊的有機污染物濃度較高，符合關(guān)于優(yōu)勢徑流通道的基本判斷；帷幕范圍外地下水的上游，有機污染物均未檢出，下游地下水中有機污染物雖有檢出，但是總體含量較低，表明帷幕注漿對污染物的截留作用較明顯。

1—事故井；2—有機污染高濃度點；3—有機污染中濃度點；4—有機污染低濃度點；5—巷道；6—破碎帶；7—推測斷裂圖8 地下水有機污染物總濃度分布圖

綜上所述，采取帷幕注漿技術(shù)對深層地下水污染進(jìn)行阻斷，構(gòu)建了污染物應(yīng)急阻隔封堵技術(shù)體系，提出了一種新型巷道和采空區(qū)注漿孔布設(shè)系統(tǒng)，即“雙排—正三角形”布孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有使用水泥漿液、骨料少，可接頂，防滲性強等優(yōu)勢。但是需要注意的是，污染場地地層巖性、污染物分布高分辨率的刻畫是地下水污染阻斷技術(shù)的設(shè)計基礎(chǔ)，在污染擴(kuò)散風(fēng)險可控的前提下，應(yīng)通過現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗，求取含水介質(zhì)水文地質(zhì)參數(shù)，掌握污染場地地下水的水文地球化學(xué)特征，識別污染物的基本特性、與含水介質(zhì)的作用機理等，推斷污染物的遷移方式、路徑、速度等，更加有針對性地進(jìn)行污染物阻斷工程設(shè)計。設(shè)計要充分考慮屏障的幾何形狀、進(jìn)行地層應(yīng)力分析、優(yōu)選有效的阻截材料并保障與污染物的兼容性，確定高效可行的構(gòu)筑方法，建立構(gòu)筑質(zhì)量監(jiān)控體系，確保構(gòu)筑阻斷墻體的連續(xù)性。

5 結(jié)論

(1)通過對場地地質(zhì)背景的分析、地下水污染特征的分析，對地下空間平面分布、地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫，根據(jù)污染情況、事件的緊急程度，進(jìn)行技術(shù)比選和技術(shù)研發(fā)。面對此類污染，首先要對污染源進(jìn)行控制和清除，通過阻斷、吸附等手段，防止污染源進(jìn)一步擴(kuò)散，確保污染的風(fēng)險可控。

(2)本次采取帷幕注漿技術(shù)，并對注漿工藝、布井方式等進(jìn)行創(chuàng)新，“雙排—正三角形”布孔方法，優(yōu)化注漿方式、配比和流量等，注漿孔充分接頂并連接成屏障，既保障了污染物的阻斷效果，又提高了效率，節(jié)省了材料，具有極強的經(jīng)濟(jì)型、可操作性，可在類似工程中推廣應(yīng)用。

(3)面對該類復(fù)雜的地下水污染場地，要結(jié)合地質(zhì)結(jié)構(gòu)和污染物分布特征，從源頭出發(fā)采取管控措施，對現(xiàn)有治理技術(shù)進(jìn)行有機組合，并不斷在實踐中進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和升級，從而達(dá)到風(fēng)險管控的效果。