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        地下水環(huán)境影響一級評價水文地質(zhì)調(diào)查的工作內(nèi)容和方法

        2013-06-28 15:08:34徐鐵兵
        中國環(huán)境管理 2013年2期
        關鍵詞:環(huán)境影響水文地質(zhì)含水層

        梁 靜 徐鐵兵

        (河北省環(huán)境科學研究院,石家莊 050037)

        1.引言

        地下水是水資源的重要組成部分。隨著城市規(guī)模的擴大、人口的增加和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,地下水供水比例越來越高,已成為生活和工農(nóng)業(yè)用水最主要的供水水源之一。因此,保護地下水水源不受污染、保證地下水資源的合理利用,引起了國家和整個社會的重視。2011年,國家環(huán)境保護部制定了《環(huán)境影響評價技術導則—地下水環(huán)境》(以下簡稱導則)[1],這表明今后的地下水環(huán)境影響評價將更加嚴格和規(guī)范。自導則實施以來,地下水環(huán)境影響評價就成為整個建設項目環(huán)境影響評價中的難點[2],其主要原因有:(1) 地下水環(huán)境影響的隱蔽性:由于地下水環(huán)境受污染隱于地下,人們不能直接觀察到,即使污染程度已經(jīng)很嚴重,還是很難被發(fā)現(xiàn);(2) 地下水環(huán)境影響的滯后性:從地下水環(huán)境污染發(fā)生到顯現(xiàn)危害需要經(jīng)歷漫長的歷程,有可能建設項目已經(jīng)結(jié)束,地下水的危害才突顯出來;(3) 地下水環(huán)境影響評價任務的艱巨性:查清地下水環(huán)境耗資大、專業(yè)性強、技術復雜,在項目論證階段實施難度大。

        《導則》將地下水環(huán)境影響評價劃分為三個工作等級。其中,一級評價對水文地質(zhì)調(diào)查的要求最高。本文詳細介紹地下水環(huán)境影響一級評價需要進行的工作,二級評價和三級評價可在此要求的基礎上簡化[1]。

        2.水文地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容及方法

        結(jié)合項目評價范圍,按1∶1萬開展調(diào)查工作,調(diào)查內(nèi)容包括: 收集評價區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等環(huán)境背景有關資料,調(diào)查評價區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量現(xiàn)狀和開發(fā)利用情況;詳查評價區(qū)水文地質(zhì)條件;調(diào)查環(huán)境水文地質(zhì)問題和地下水污染源特征;開展環(huán)境水文地質(zhì)鉆探,以了解工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)、含水層與隔水層分布、包氣帶巖性空間分布;進行抽水實驗、彌散實驗,確定地下水環(huán)境影響預測所需要的水文地質(zhì)參數(shù)。工作思路詳見圖 1。

        圖1 地下水污染預測與評價的一般步驟

        2.1 收集資料

        在工作開始階段,首先要收集現(xiàn)有的研究區(qū)相關資料,包括:該地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告及水文地質(zhì)圖;地下水資源評價報告;綜合水文地質(zhì)普查報告;供水水文地質(zhì)勘察報告;地下水資源普查報告;地下水資源量調(diào)查評價報告(也可收集項目周邊地區(qū)已有項目工程的水文地質(zhì)勘察報告);地下水水源保護區(qū)建立相關政府文件;第四系潛水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、曲線,動態(tài)報告,和同期大氣降水、蒸發(fā)資料:評價區(qū)河流、渠系及其支流上、下游斷面多年流量資料;區(qū)內(nèi)農(nóng)田分布面積與灌溉定額(均衡計算用);項目工程可行性研究報告和工程地質(zhì)勘察報告等。以上這些資料,對于了解和掌握研究區(qū)基本的水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)條件及建設項目的基本情況是有幫助的,要盡量收集。一般來說,在此階段收集的資料直接影響后面野外調(diào)查的工作量。

        2.2 野外調(diào)查

        為詳細掌握建設項目場地的環(huán)境水文地質(zhì)條件(給出的環(huán)境水文地質(zhì)資料的調(diào)查精度應大于或等于1∶1 萬)及評價區(qū)域的環(huán)境水文地質(zhì)條件(調(diào)查精度應大于或等于1∶5 萬),對評價區(qū)域(具體范圍根據(jù)《導則》確定)進行1∶1 萬水文地質(zhì)條件調(diào)查。調(diào)查的主要內(nèi)容包括:評價區(qū)分布的地下水類型,含水層和隔水層的巖性組成、厚度、滲透系數(shù)及含水層的富水程度;地下水的補給、徑流和排泄條件;地下水動態(tài),包括水位、水質(zhì)、水量、水溫等因素;地下水的開發(fā)利用現(xiàn)狀,包括供水水源地和水源井的分布情況(包括開采層的成井密度、水井結(jié)構(gòu)、深度及開采歷史);地下水的現(xiàn)狀監(jiān)測(要掌握現(xiàn)狀監(jiān)測井的深度、結(jié)構(gòu)、成井歷史及使用功能);原生環(huán)境水文地質(zhì)問題、地下水開采過程中水質(zhì)、水量、水位的變化情況及引起的環(huán)境水文地質(zhì)問題 ;與地下水有關的其他人類活動情況調(diào)查,入保護區(qū)劃分情況等。具體工作包括:

        2.2.1 野外試驗

        (1)水文地質(zhì)鉆探

        為查明工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)以及含水層的分布特征,對建設項目評價區(qū)開展水文地質(zhì)勘察鉆探工作,根據(jù)評價區(qū)鉆探所取得的地層、地下水位數(shù)據(jù),并結(jié)合該區(qū)域地形地貌條件,編制水文地質(zhì)鉆孔柱狀圖和評價區(qū)水文地質(zhì)剖面圖。基于此,能較清楚的認識評價區(qū)分布的地層巖性、地下水類型、含水層和隔水層的巖性組成、厚度。

        (2)抽水試驗

        水文地質(zhì)參數(shù)是研究地下水運動問題非常重要的參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗資料確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)是野外水文地質(zhì)工作中經(jīng)常采用的較為行之有效的方法之一[3]。根據(jù)試驗目的,選擇合適的抽水試驗類型,并選用相應的公式對涌水量、水位降深和時間進行相應的計算,得到水文地質(zhì)參數(shù),掌握評價區(qū)含水層和隔水層的滲透系數(shù)及含水層的富水程度。

        (3)滲水試驗

        滲水試驗用來測定包氣帶非飽和巖土層滲透系數(shù)。從滲水試驗結(jié)果可知,評價區(qū)包氣帶垂向滲透系數(shù),用于判斷建設場地的包氣帶的防污性能。

        2.2.2 地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測

        地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測主要通過對地下水水位、水質(zhì)的動態(tài)監(jiān)測,了解和查明地下水水流與地下水化學組分的空間分布現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,地下水與地表水、不同含水層之間的補給、排泄關系,為地下水環(huán)境現(xiàn)狀評價和環(huán)境影響預測提供基礎資料。

        (1)地下水水位監(jiān)測

        為查明評價區(qū)的地下水埋深地下水流向及開發(fā)利用情況,在滿足《導則》要求的情況下,盡量選擇評價區(qū)域現(xiàn)有的地下水水井(包括民用井、農(nóng)用井、泉等)進行水位監(jiān)測,若不滿足要求,在水文地質(zhì)鉆探階段要增設地下水水位觀測井。分別在評價區(qū)域的枯、平、豐三期進行一次測量。

        (2)水準測量

        水準測量目的在于確定各類水文地質(zhì)點、物探點、地表水監(jiān)測斷面的地面標高,據(jù)此確定地下水流場。測量對象包括全部水位統(tǒng)測點及河流監(jiān)測斷面。通過野外地下水水位和地面標高的監(jiān)測,采用計算機結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)、地形特點,繪制地下水等水位線及埋深圖。

        (3)地表水流量監(jiān)測

        其目的在于通過對研究區(qū)內(nèi)河流及其主要支渠上下游斷面流量監(jiān)測、水準測量,確定地下水與地表水補排關系,調(diào)查其地下水與地表水轉(zhuǎn)換量。

        (4)地下水均衡調(diào)查

        其目的在于通過地下水開采量調(diào)查、地表水流量監(jiān)測,對評價區(qū)地下水資源進行均衡計算。調(diào)查內(nèi)容包括地下水開采井數(shù)、日開采量、井深、開采層位(孔隙水、裂隙水)、地下水水位、井孔類型(大口井、機井);統(tǒng)計分散式農(nóng)戶自備水源井分布、井深、開采層位、地下水埋深、平均單井開采量及全區(qū)地下水總開采量;通過對區(qū)內(nèi)河流及其支渠上、下游河流斷面的監(jiān)測,分別了解各斷面間地表水的增、減量,地下水與地表水補排關系;調(diào)查了解評價區(qū)農(nóng)田灌溉定額,確定評價區(qū)邊界類型;計算評價區(qū)大氣降水入滲補給量、農(nóng)田灌溉補給量、河流(人工渠)入滲補給量、地下徑流補給量;地下水分散開采量、地下徑流流出量、河流(泉)排泄量、地面蒸發(fā)排泄量,據(jù)此編制地下水開采現(xiàn)狀圖、地下水開采強度分區(qū)圖。

        (5)地下水水質(zhì)監(jiān)測

        地下水水質(zhì)監(jiān)測的成果主要用于對評價區(qū)域的地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進行評價,并為建設項目的特征污染物的環(huán)境影響預測提供基礎數(shù)據(jù)。監(jiān)測頻率、樣品采集和測定的具體要求見《導則》和《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》[4]。

        2.2.3 地下水污染源調(diào)查

        目的在于了解評價區(qū)內(nèi)地下水污染源的基本情況,其中包括各廠污染源名稱、主要污染物的濃度、排放去向、等標污染負荷等內(nèi)容。一般可通過搜集現(xiàn)有資料解決,對于沒有污染源調(diào)查資料,或已有部分調(diào)查資料,尚需補充調(diào)查的地區(qū),可與環(huán)境水文地質(zhì)問題同步進行。

        2.3 地下水環(huán)境影響預測與評價

        一級評價要求對地下水水質(zhì)、水量采用數(shù)值法進行影響預測和評價。一般的步驟分為:建立地下水水流數(shù)值模型,識別和驗證該模型和地下水污染預測。

        2.3.1 地下水流數(shù)值模型建立

        水文地質(zhì)概念模型是把含水層實際的邊界性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性質(zhì)、水力特征和補給排泄等條件進行概化,便于進行數(shù)學與物理模擬。地下水流數(shù)值模型建立具體步驟如下:

        (1)模型概化

        ① 確定研究區(qū):必須包括敏感目標,盡可能選擇研究程度較高的地區(qū),選擇天然地下水邊界(河流、斷層、地層分界線等),盡量避免人為邊界(行政區(qū)等)。

        ② 含水層概化:通過分析現(xiàn)有資料(地質(zhì)、水文地質(zhì)以及水資源開發(fā)利用報告等),獲取含水層在均質(zhì)性、各向同性和水流動態(tài)等方面的特征,根據(jù)含水層特征,將模型概化為相應的滲流系統(tǒng)(例如具有非均質(zhì)、各向同性特點三維地下水非穩(wěn)定滲流系統(tǒng)),為選擇合適的地下水滲流模型提供基礎資料。

        ③ 邊界概化:包括垂向邊界和側(cè)向邊界。模型在確定邊界時遵循盡可能采用自然邊界的原則,最好以完整的水文地質(zhì)單元(一個流域:與其他流域沒有水量交換)為計算區(qū)。例如,河流就是自然邊界:當其與地下水有密切(聯(lián)動:河流與地下水水位一致)的水力聯(lián)系時,可作為水頭邊界;反之,可作為流量邊界。

        (2)建立地下水滲流數(shù)學模型

        根據(jù)含水層的水力特征(均質(zhì)性、各向同性、水流的穩(wěn)定性等),結(jié)合邊界條件,選擇合適的地下水滲流偏微分方程,并給出初始條件。

        (3)建立地下水滲流數(shù)值模型

        目前,數(shù)值模擬最常用的軟件有兩種, Waterloo公司開發(fā)的三維地下水流及污染物運移模擬軟件Visaul Modf low和由brigham yong university 的環(huán)境模型實驗室與美國軍工水道試驗站合作開發(fā)的地下水模型系統(tǒng)Groundwater Model System(簡稱GMS)。

        運行軟件,再依次將地面高程、地下水水位、含水層底板高程等基礎數(shù)據(jù)輸入模型,將邊界側(cè)向流量、地下水開采量、大氣降雨量邊界置入模型。根據(jù)模擬區(qū)已有的水文地質(zhì)資料,進行水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū),并將抽水試驗獲得的滲透系數(shù)以及不同巖性的滲透系數(shù)經(jīng)驗值,帶入各分區(qū),作為初始水文地質(zhì)參數(shù)。然后即可運行模型,得到各水位點的計算值,即為地下水水流數(shù)值模型。

        2.3.2 識別和驗證地下水流數(shù)值模型

        模型的識別和驗證是整個模擬中極為重要的一步工作,通常要進行反復地調(diào)整參數(shù)才能達到較為理想的擬合結(jié)果。通過各統(tǒng)測水位點的計算值與實測值進行比較,率定參數(shù),校正構(gòu)建的地下水滲流數(shù)值模型。經(jīng)校正后,即可認為構(gòu)建的模型能夠客觀反映研究區(qū)的水文地質(zhì)條件。模型的識別驗證主要遵循以下原則:① 模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致;② 從均衡的角度出發(fā),模擬的地下水均衡變化與實際要基本相符;③ 識別的水文地質(zhì)條件要符合實際水文地質(zhì)條件。

        2.3.3 地下水流場預測和地下水污染預測

        一般要預測正常工況和非正常工況兩種情況。以識別和校正后的模型為基礎,系統(tǒng)分析擬建工程在建設、生產(chǎn)運行和服務期滿后的各個過程中,可能造成地下水水質(zhì)污染的污染源和污染因子,聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運移方程就可得到污染質(zhì)的時空分布。

        3.小結(jié)

        由于建設項目中產(chǎn)生的廢、污水一般不直接排入地下水中,加上水文地質(zhì)條件的復雜性,地下水環(huán)境影響評價是整個環(huán)境影響評價中的薄弱環(huán)節(jié)。但是要保證地下水環(huán)境保護措施的有效性和可操作性,保護措施的選擇必然要依據(jù)地下水運動的基本原理,如何減緩攜帶污染物的地下水滲流速率,降低污染物遷移途徑中含水介質(zhì)的滲透系數(shù)和地下水的水力坡度等。地下水環(huán)評的重要性不言而喻。在此過程中需要注意以下問題:① 地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查應以收集現(xiàn)有資料為主, 必要時補充做些現(xiàn)場調(diào)查和試驗。② 地下水的污染源調(diào)查應注重那些能使污染物進入地下水中的源的位置。③ 在建立地下水水流模型階段,在確定邊界時,盡可能采用自然邊界的原則,最好以完整的水文地質(zhì)單元(一個流域:與其他流域沒有水量交換)為計算區(qū)。

        [1] 環(huán)境影響評價技術導則:地下水環(huán)境[S]. 北京:國家環(huán)境保護部,2011.

        [2] 朱學愚,錢孝星. 地下水環(huán)境影響評價的工作要點[J]. 水資源保護,1998(4) :48-53.

        [3] 薛禹群、朱學愚,地下水動力學[M].北京:地質(zhì)出版社,1979:207-240.

        [4] 地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范[S]. 北京:國家環(huán)境保護部,2004.

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