趙鑫宇,藍(lán)俊康,姚承余

(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.中國有色金屬長(zhǎng)沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣西 南寧,510022)

廣西平果市擬建的隆黎赤泥堆場(chǎng)位于巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi),堆場(chǎng)面積約1.38 km2,受場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造的影響,堆場(chǎng)及周邊巖溶十分發(fā)育。赤泥是一種堿性的工業(yè)固體廢物,含有NaOH、F、Al等多種污染物[1],一旦發(fā)生泄漏(如庫底防滲膜老化破裂或庫底因發(fā)生地面塌陷導(dǎo)致防滲膜破裂),庫內(nèi)的赤泥及其廢液將泄露到地下水中,通過巖溶管道污染到下游的飲用水源,且后續(xù)污染治理也將十分困難[2-4]。為了進(jìn)行選址的可行性論證以及為了探明本赤泥堆場(chǎng)地基中的巖溶管道與四周的哪些飲用水源點(diǎn)有水力聯(lián)系,必須進(jìn)行示蹤試驗(yàn)。本次示蹤試驗(yàn)開展的是一點(diǎn)投放、多點(diǎn)接收的連通試驗(yàn),即在堆場(chǎng)中部溶潭內(nèi)投放示蹤劑,在投放點(diǎn)下游的各個(gè)水源點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)的地貌為峰叢—洼地地貌,山峰標(biāo)高266.90～526.6 m,洼地標(biāo)高213.65～264.92 m,最高山體位于場(chǎng)地的西北方向與紅甫屯之間山峰,最低山體位于場(chǎng)地東南方向山體,場(chǎng)地洼地地勢(shì)整體上由西北向東南方向呈階梯遞減狀。洼地大部分被第四系粘性土層覆蓋,偶見基巖露頭,地面種植有玉米、花生、板藍(lán)根等經(jīng)濟(jì)耕作物。

本場(chǎng)地所在區(qū)域位于華南加里東褶皺系右江印支、燕山褶皺帶靖西—田東隆起區(qū)的東端。本區(qū)位于右江復(fù)向斜西南部,歷次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了一系列總體方向?yàn)楸蔽鳌蠔|的褶皺和斷裂構(gòu)造。褶皺構(gòu)造主要有新安背斜(亦稱大隆背斜)、局祥復(fù)式背斜、龍味背斜、果化向斜等,基本上屬于對(duì)稱型的褶皺構(gòu)造。斷裂構(gòu)造多發(fā)育于褶皺的軸部和兩翼,性質(zhì)以逆斷層為主,傾向多為南西,傾角較陡,規(guī)模較大。還有與上述構(gòu)造相伴相生的北東～南西和北西西～東西向延伸的次級(jí)斷裂構(gòu)造。堆場(chǎng)位于新安背斜NE翼。構(gòu)造主體呈NW-SE向。受右江斷裂的活動(dòng)性的影響,本區(qū)為微震多發(fā)區(qū)。

堆場(chǎng)范圍分布的地層主要有:第四系坡殘積層(Qdl+el),下伏基巖為三迭系下統(tǒng)羅樓組(T1l)、二迭系上統(tǒng)合山組(P2h)、二迭系下統(tǒng)茅口階(P1m)灰?guī)r,除第四系之外其余全部為海相碳酸鹽建造。

從區(qū)域水文地質(zhì)條件上分析,堆場(chǎng)主要處于地下水的補(bǔ)給-徑流區(qū),地下水類型為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水兩種類型。松散巖類孔隙水主要賦存在坡殘積土層內(nèi),為包氣帶中過路水。下覆的巖溶裂隙水主要賦存于基巖中,其含水層由三迭系下統(tǒng)羅樓組(T1l)、二迭系上統(tǒng)合山組(P2h)、二迭系下統(tǒng)茅口階(P1m)灰?guī)r地層組成。該類型的地下水以溶洞裂隙為徑流通道,巖溶水坡降較大,地下水沿網(wǎng)格狀裂隙或管道運(yùn)動(dòng),豐水期降雨后徑流量較大,受氣候影響變化明顯。場(chǎng)地內(nèi)耕植層屬弱透水性地層,為上層滯水的主要含水層;表層的殘積黏土層屬相對(duì)隔水層,灰?guī)r、溶蝕裂隙、溶洞為巖溶裂隙水的主要含水層,含水量為中等-豐富。

因研究區(qū)巖溶十分發(fā)育,地表水系基本未見,堆場(chǎng)地下水主要靠大氣降雨補(bǔ)給,研究區(qū)地處區(qū)域地下水的補(bǔ)給、徑流區(qū)內(nèi),地下水徑流通過網(wǎng)絡(luò)狀裂隙或管道運(yùn)動(dòng),徑流趨勢(shì)向東、東南方向呈網(wǎng)絡(luò)狀運(yùn)動(dòng),最終向右江排泄。擬建的堆場(chǎng)中部有一含水溶潭S20,作為本次示蹤試驗(yàn)的投放點(diǎn)。

2 示蹤試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

2.1 示蹤劑種類的選擇

選用示蹤劑時(shí)要考慮兩個(gè)方面因素: 首先,使用的示蹤劑必須是安全無毒的,對(duì)環(huán)境沒有污染,能在自然環(huán)境中自然衰減;其次,示蹤劑又要具有足夠的穩(wěn)定性,受環(huán)境影響較小,可以溶于水,但又不改變流場(chǎng)中各種水文參數(shù)[6]。

示蹤劑的種類很多,最早為浮標(biāo)法,即采用谷糠、鋸木屑、油料、黃泥水等做指示劑,現(xiàn)均改為可以定量測(cè)定濃度的鹽類( 如氯化鈉、氯化鉀等) 、熒光染料類( 食品紅、熒光素鈉、曙紅、羅丹明、鉬酸銨) 、放射性同位素( 如氚H3、碘I131等)[6]。雖然目前常用的很多熒光染料示蹤劑也易溶于水、廉價(jià)、無毒、吸附性很低、有很低的檢測(cè)限和低背景值等諸多優(yōu)點(diǎn),但它們?nèi)苡谒髸?huì)顯示出異色及異味,如果在本地區(qū)這種下游有很多水源點(diǎn)的情況,會(huì)引起下游居民的恐慌和不安。針對(duì)本研究區(qū)的這一特點(diǎn),最后選擇采用氯化鈉(工業(yè)鹽)作為試劑。試驗(yàn)前,需要在測(cè)區(qū)先對(duì)各個(gè)接收點(diǎn)分別進(jìn)行Cl-濃度的本底值監(jiān)測(cè)。

2.2 示蹤劑投放量的確定

示蹤劑投放量按下列因素考慮:(1)示蹤劑投放后,經(jīng)擴(kuò)散、運(yùn)移到達(dá)接收水點(diǎn)及飲用水源點(diǎn)時(shí),其示蹤劑濃度不應(yīng)超過我國飲用水標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定;(2)易于被所選用的檢測(cè)方法檢測(cè)含量不低于儀器的檢測(cè)靈敏度;綜合考慮上述因素,并考慮測(cè)區(qū)的地下水量、水力坡度、示蹤距離及巖溶的發(fā)育程度,結(jié)合堆場(chǎng)可研勘察資料,采用下述方法估算示蹤劑投放量[5]:

M=Kω/j

(1)

式中:M為示蹤劑投放量;K為巖溶率系數(shù);ω為示蹤區(qū)段總水量,L·s-1;j為檢測(cè)方法靈敏度,μg·L-1。

考慮到地質(zhì)效果和確保足夠的檢測(cè)靈敏度,在實(shí)際野外工作中投放量略高于計(jì)算量。經(jīng)計(jì)算,本次地下水示蹤試驗(yàn)氯化鈉(工業(yè)鹽)示蹤劑的投放量為4.0 t。

2.3 投放點(diǎn)和接收點(diǎn)的選擇及分布

本次示蹤試驗(yàn)按試驗(yàn)?zāi)康囊?選擇堆場(chǎng)中部一個(gè)含水溶潭 S20(水面標(biāo)高 220.7 m)作為投放點(diǎn),以堆場(chǎng)外圍的監(jiān)測(cè)孔及所有的天然水源點(diǎn)和一些重要的露頭點(diǎn)(編號(hào) ZK1、S06、S08、S09、S11、S14、S16、S17、S23、S26、S29、S30、S32、S34、S42、S44、S45、S49、S52、S53、S61)共21個(gè)點(diǎn)作為接收點(diǎn)。地下水示蹤試驗(yàn)投放點(diǎn)和接收點(diǎn)分布的位置詳見圖1。

圖1 堆場(chǎng)水文地質(zhì)圖及示蹤試驗(yàn)成果圖

3 試驗(yàn)過程

3.1 示蹤劑的投放技術(shù)和取樣

(1)示蹤劑的投放方法:先在投放點(diǎn)附近挖個(gè)大坑,用彩條布鋪于坑底防滲,然后用抽水機(jī)把清水把坑充滿,一邊攪拌一邊往坑內(nèi)撒入工業(yè)鹽,人工攪拌試劑使之充分溶解后,再用抽水泵把溶液抽進(jìn)有水溶井(S20)之中。投放時(shí)間2021年5月7日下午15時(shí)45分,歷時(shí)13 d。

(2)示蹤劑取樣和檢測(cè)取樣:投放開始后,立即安排在投放點(diǎn)下游各接收點(diǎn)取水樣回室內(nèi)進(jìn)行氯離子含量測(cè)定。根據(jù)研究區(qū)的具體情況,選擇取樣時(shí)間間隔為每次4 h,部分一次/3h。每個(gè)取樣點(diǎn)派專人負(fù)責(zé),按取樣時(shí)間要求、樣瓶清洗、取樣、貼標(biāo)簽、裝入黑色包裝袋避光保存的取樣流程程序進(jìn)行取樣,再由專車及時(shí)運(yùn)至工地實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)。

3.2 示蹤樣品的檢測(cè)技術(shù)

水樣中的Cl_濃度值采用CIS-10型精密氯度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。為了準(zhǔn)確起見,檢測(cè)過程中對(duì)有疑點(diǎn)或檢測(cè)異常的樣品作重復(fù)檢測(cè)(復(fù)檢樣品累計(jì)占20%),確保分析數(shù)據(jù)的可靠性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 確定異常點(diǎn)和地下水流向

據(jù)投放點(diǎn)對(duì)取樣點(diǎn)Cl_濃度進(jìn)行的本底值調(diào)查,確定出氯離子濃度超過本底值5 mg/L即認(rèn)為是異常值。以投放時(shí)間為零時(shí)刻點(diǎn),繪制出各接收點(diǎn)根據(jù)濃度值隨時(shí)間的變化曲線(簡(jiǎn)稱時(shí)濃關(guān)系曲線)。最后發(fā)現(xiàn)21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中有5個(gè)未出現(xiàn)異常(S06、S0、S09、S16、S17),這說明這5個(gè)接收點(diǎn)與堆場(chǎng)投放點(diǎn)S20之間沒有水力聯(lián)系,而其余的16個(gè)均出現(xiàn)不同程度的異常,此試驗(yàn)結(jié)果顯示投放點(diǎn)處的巖溶管道與下游多個(gè)方向都能連通,示蹤劑投放后的走向情況詳見圖1。對(duì)于各個(gè)異常點(diǎn)再根據(jù)其時(shí)濃曲線中峰值的出現(xiàn)時(shí)間,以及投放點(diǎn)與接收點(diǎn)的直線距離,計(jì)算試劑在各個(gè)巖溶管道中的平均流速和地下水流向(主次通道)。

4.2 管道流速的估算

根據(jù)時(shí)濃曲線和流速分析(見表1),可推斷本研究區(qū)存在3種流速不同的地下水巖溶管道流,分別為:(1)第一種為快流速巖溶管道流,出現(xiàn)在投放點(diǎn)S20至S23、S26、S29、S42、S52等接收點(diǎn),其管道水流速為204.2～305.2 m/h;(2)第二種為中等流速的巖溶管道流,出現(xiàn)在投放點(diǎn)S20至S32、S34、S44、S45、S53、S61等各接收點(diǎn),其管道水流速為62.9～124.6 m/h。(3)第三種為慢速(滲流)巖溶管道流,出現(xiàn)在投放點(diǎn)S20至S11、S14、S30、S49、S86等接收點(diǎn),其管道水流速為30.0～42.4 m/h。

4.3 巖溶管道結(jié)構(gòu)分析

投放示蹤劑后,通過10 d的連續(xù)取樣分析,在示蹤區(qū)段內(nèi)21個(gè)取樣點(diǎn),其中除了S06、S08、S09、S16、S17接收點(diǎn)外均接收到氯化鈉示蹤劑。由于溶質(zhì)在含水介質(zhì)中存在彌散,因此在理論上,接收點(diǎn)觀測(cè)到的示蹤劑的時(shí)濃曲線為平滑的、大致對(duì)稱的單峰曲線。本次試驗(yàn)所有接收點(diǎn)的時(shí)濃曲線圖均為不對(duì)稱的帶有鋸齒狀的單峰曲線圖(如圖2、圖3),這說明從投投點(diǎn)到各接收點(diǎn)之間只有一條徑流通道,且下降段沒有平臺(tái)出現(xiàn)和拖延現(xiàn)象,這說明管道水在流動(dòng)過程中,沒有遇到地下湖的稀釋[6-7]。

表1 在各接收點(diǎn)監(jiān)測(cè)的示蹤劑結(jié)果表

圖2 接收點(diǎn) S11的氯離子濃度-時(shí)間關(guān)系曲線(注:本接收點(diǎn)的Cl-濃度背景值為5.4mg/L)

圖3 S30接收點(diǎn)的氯離子濃度-時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié)語

(1)此次地下水示蹤試驗(yàn)結(jié)果表明,赤泥堆場(chǎng)內(nèi)、外之間水力聯(lián)系緊密,未來堆場(chǎng)赤泥建成后,堆場(chǎng)內(nèi)的赤泥一旦被雨水淋濾,其淋濾液將會(huì)下滲到下方的巖溶管道中,進(jìn)而通過巖溶管道污染到下游的很多飲用水源點(diǎn)。因此,本堆場(chǎng)的選址不是很適宜,若非要建設(shè),必須對(duì)堆場(chǎng)內(nèi)可能存在的巖溶管道進(jìn)行封堵治理。

(2)示蹤試驗(yàn)表明,場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)巖溶管道水流向局部向東,但總體流向?yàn)闁|南方向。此結(jié)果顯示了場(chǎng)地的地下水總徑流方向與本地區(qū)的斷裂構(gòu)造發(fā)育的方向基本吻合。

(3)本次試驗(yàn)表明,本研究區(qū)存在3種流速不同的地下水巖溶管道流,第一種為快流速巖溶管道流,水流速為204.2～305.2 m/h,第二種為中等流速的巖溶管道流,水流速為62.9～124.6 m/h,第三種為慢速(滲流)巖溶管道流,水流速為30.0～42.4 m/h。

(4)接收到氯化鈉示蹤劑的接收點(diǎn)的時(shí)濃關(guān)系曲線圖均為單峰曲線,且下降段沒有拖延和平臺(tái)出現(xiàn),這說明這說明從投放點(diǎn)S20到各接收點(diǎn)之間只有一條徑流通道,且管道水在流動(dòng)過程中,沒有遇到地下湖的稀釋。