馬 冰,巴 黎,陳 勝,強天元

(江蘇省地質工程勘察院,江蘇 南京 211102)

0 引言

化工園區(qū)地下水環(huán)境調查對于區(qū)域水資源的保護和項目建設項目的設施有著重要的價值[1-3]。地下水環(huán)境調查評估方法主要為主成分分析法、邏輯回歸模型、多元回歸模型、遺傳算法、人工神經網(wǎng)絡、灰色關聯(lián)度法、灰色聚類法、模糊綜合評價法等,每種水質評價方法均具有相應的缺點和優(yōu)點。我國對于地下水環(huán)境研究發(fā)展尚不成熟,大部分學者均對地下水水質模擬、水質污染擴散系數(shù)和測量方法進行了研究,但是所給出的模型對于不同的工況并不具有普遍適用性。國外研究人員的成果相對更為突出,主要體現(xiàn)在地下水水質動態(tài)檢測、地下水污染數(shù)學模型的求解等。這些研究成果雖然在實際應用過程中考慮了污染物不同物理狀態(tài)的轉換和流動,同時也豐富了有關溶液和溶質的理論,還在實驗設計中取得了重大的貢獻?？紤]了污染物液相濃度和固相之間的轉換,且在地下水溶質運移的理論和實驗研究方面獲得了巨大的成就。然而,現(xiàn)目前在環(huán)境水文地質、地下水評估等方面仍然沒有合理和全面的闡述[4-6]。鑒于此,研究結合水文地質化工園區(qū)地下水環(huán)境進行評估分析,旨在為地下水資源的科學管理和全面監(jiān)測提供重要的參考價值。

1 水文地質的化工園區(qū)地下水環(huán)境評估

1.1 江蘇省某化工園區(qū)項目概況

研究以江蘇省某化工園區(qū)為例對該區(qū)域的地下水環(huán)境進行評估,該園區(qū)位于揚州、鎮(zhèn)江、南京三大城市的幾何中心,隸屬于省級化工園區(qū),主營業(yè)務為新材料產業(yè)和精細化工。園區(qū)內現(xiàn)存企業(yè)的數(shù)量為35家,其中有兩家企業(yè)已經被勒令關停,6家企業(yè)仍然處于在建狀態(tài),部分企業(yè)同屬于一家公司,在營企業(yè)的生產年限范圍為2～15 a。化工園區(qū)用水為員工日常生活用水和生產用水。運營時間內每天生產用水量、循環(huán)水量、補充水量分別約為600 m3、400 m3、200 m3,所有用水均循環(huán)利用不外排。生活用水來自園區(qū)自供水井,每人一天的最大用水量為200 L。員工以100人計算,每天生活用水量為10 m3。生活污水以用水量80%計算,其通過一體化污水處理技術處理后被用于場內灑水除塵和林地綠化。水井井管直徑為650 mm,水位埋深為12 m,單井每日涌水量為200～1 000 m3。正常生產期間水井每日抽水量為600 m3,經過加壓泵房和蓄水池后到達園區(qū)4處循環(huán)水池供生產使用。表1是指給排水過程相應的參數(shù)。園區(qū)每日總共用水量為610 m3,補充水量包括生活用水和生產冷卻用水蒸發(fā)消耗,生產用水補充頻次為每日一次。生產廢水主要是冶煉冷卻水,其在循環(huán)水池經過物理技術處理后可再次被利用,不外排。

表1 給排水過程相應的參數(shù)

該園區(qū)屬于亞熱帶季風候,盛行風向和季節(jié)有著直接的關聯(lián),日照充足,四季分明,冬季的風向以西北風和東北風居多,年平均降雨日為120 d,降水分布特征可理解為水熱同步。每年3、4月份的降水量會隨著氣溫的增加而逐漸增加,直至7、8月份達到最大降水量,之后的月份降水量會隨著氣溫的下降而逐漸下降。6-9月份的雨量較大,徑流量約為整年的70%,其余月份的降雨量均較小。地下水的主要類型為松散巖類孔隙水,具備的特點為水質復雜、水量豐富、層次多、分布廣等,同時有著較為突出的垂向分異性和水平分帶。依據(jù)埋藏條件、水力性質、地貌、地層結構可將松散巖類孔隙水進一步劃分為潛水、第一承壓水、第二承壓水、第三承壓水、第四承壓水。大氣降水、地面水、地下水之間的聯(lián)系密切,連接媒介為地表的潛水層,通過潛水層與淺層水產生物質流動。

1.2 監(jiān)測點布置和監(jiān)測指標

為了進一步對化工園區(qū)地下水環(huán)境進行評價,研究設置10個化工園區(qū)監(jiān)測位點進行分析(V1-V10)。監(jiān)測點分布類型可分為五種,分別是內部監(jiān)測點、地下水污染擴散點、園區(qū)內污染控制點、污染擴散監(jiān)測點、上游對照點。上游對照點位置設置在園區(qū)內地下水流向上游,該監(jiān)測點在距離允許的范圍內且不會受到污染源的影響,同時還能體現(xiàn)上游地下水環(huán)境質量狀況,監(jiān)測點用V1指代。地下水下游監(jiān)測點的方向垂直于地下水呈扇形鋪設,內部監(jiān)測點的位置布設在可能存在污染的地下水下游方向,位置應該處于企業(yè)占地紅色范圍以外且盡可能靠近污染源,同時需保障同類型化工企業(yè)僅布設1個監(jiān)測點,分別用V7、V8、V9、V10指代。鑒于園區(qū)內位置特殊,研究設置V9作為地下水下游水質監(jiān)測點,同時將設置V7和V8監(jiān)測園區(qū)下游,這兩個監(jiān)測點能體現(xiàn)園區(qū)地下水的水質情況。對于園區(qū)東南側下游區(qū)域的地下水情況,研究設置V10進行監(jiān)測。地下水污染擴散點用V2、V4、V6指代,位置分別位于園區(qū)的西側和北側。園區(qū)內污染控制點用V3和V5指代,位置為各個企業(yè)的地下水下游處,這兩個監(jiān)測點能監(jiān)測企業(yè)在生產過程中園區(qū)地下水的情況。圖1是指監(jiān)測點的布點情況。

V1-V10的10個監(jiān)測點的地下水監(jiān)測設置均通過購自山東飛揚機械有限公司的型號為XY-100型地質勘探鉆機,同時布設醒目的監(jiān)測井標志,標志組成部分為二維碼信息、護井鋼管、井臺、禁止牌[7-9]。為了確保所收集的水樣具有代表性,研究在采樣點通過經由美國環(huán)保署強烈推薦的慢速洗井技術處理[10-12]。同時為了保證地下水質的參數(shù)的可靠性,研究利用水位測量儀器測定地下水穩(wěn)定水位。對于水樣的保存,研究按照2009年出版的《水質采集樣品的保存和管理技術規(guī)定》進行保存,并在允許的時間內進行檢測分析。

圖1 監(jiān)測點的布點情況

1.3 地下水流數(shù)值模擬模型

依據(jù)化工園區(qū)年降雨量的數(shù)據(jù)顯示,年降雨量的頻率取值范圍為2%～95%,且數(shù)值分布最為集中的區(qū)間為14%～84%。以頻率75%為例,此時年平均降雨量為523.2 mm;以頻率為84%為例,該條件下年平均降雨量為412.5 mm。將2008-2022年的年降雨量和頻率關聯(lián)起來,擬合曲線較為平穩(wěn),這說明該區(qū)域近15 a的時間絕大多數(shù)年份均擁有較高的年平均降雨量,而少數(shù)時間年平均降雨量低于400 mm。圖2為近15年年降雨量-頻率變化曲線圖。

圖2 近15a年降雨量-頻率變化曲線圖

調查江蘇省化工園區(qū)所在區(qū)域的含水層情況可知,該區(qū)域的水質條件為松散巖類孔隙含水層。因此,研究設置該區(qū)域地下水水力坡度低于0.002°,水流的主體運動方式為平面二維流,水位運動均為非穩(wěn)定流運動,水力特征符合物理學相關定理。由于化工園區(qū)目前階段和后續(xù)部分企業(yè)發(fā)展建設階段的水位狀況,研究區(qū)域的邊界設置成二類邊界。據(jù)此,研究可建立應用于該區(qū)域的水流模擬數(shù)值模型。式(1)為孔隙潛水層數(shù)學模型的計算公式。

(1)

式中:地下水位、潛水水位用h和H0指代,水層底板標高和承壓水水頭分別用B和H指代。大井開采量和二類邊界單寬流量分別用Qi和q指代。區(qū)域的橫縱地理坐標可用x和y指代,初始水位用變量h0表示,一類邊界點的水位用h1指代。Qr和Qd是兩種評估水流流速強度的力學性指標, 分別為入滲補給強度和排泄強度。Γ1是指一類邊界,Γ1指二類邊界,潛水含水層的滲透系數(shù)和給水度分別用K和μ指代。n是指開采井總數(shù),t是指時間,D是指計算區(qū)域的規(guī)模。孔隙承壓水數(shù)學模型的計算表達式為式(2)。

(2)

式中:T分別表示承壓含水層導水系數(shù),μ*是指承壓含水層彈性釋水系數(shù)。對于上述數(shù)學模型的求解,研究可利用偏微分方程等數(shù)學知識進行處理。由于實驗所調查資料的年限截止為2022年,因此所給出的兩類數(shù)學模型并不能很好完成預測。實驗為了評估模型的性能和可靠性,提出源匯項的概念來實現(xiàn),設置模型的運行時間為10 a,應力期設置為1個月,總共包含120個應力期。源項包括側向徑流補給和降水入滲補給,匯項包括人工開采和蒸發(fā),蒸發(fā)排泄量和降水補給量均利用系數(shù)法,側向流入量的獲取方式為邊界條件,人工開采主要是在建設城市過程中的基坑降水,基坑降水量通過調查實驗獲得。在獲取源匯項各個參數(shù)的基礎上,地下水污染預測利用溶質運移模型來實現(xiàn)。

2 化工園區(qū)地下水環(huán)境調查評估結果及保護策略

地下水質量評價標準依據(jù)2002版國家標準3838《地表水質量標準》II類水質標準,監(jiān)測因子為類大腸菌群、總磷、氨氮、石油類、氟化物、五日生化耗氧量(5 day Biochemical Oxygen Demand,BOD5)、重鉻酸鉀為氧化劑測出的需氧量(dichromate oxidizability,CODcr)、溶解氧、pH、水溫。表2是指地下水環(huán)境監(jiān)測結果。10個監(jiān)測點監(jiān)測到的類大腸菌群和溶解氧均不滿足標準,超出標準值的比例約為30%和15%。

表2 化工園區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測結果 mg/L

研究利用單因子評價方法處理10個監(jiān)測因子得到圖3。從圖中可知,10個就監(jiān)測點除開糞大腸菌群不符合《地表水質量標準》中III類標準要求,取值范圍為1.10～1.50,其余因子均符合《地表水質量標準》中III類標準要求。

圖3 單因子評價方法處理10個監(jiān)測因子的結果

研究以氟化物和氰化物作為預測指標為例,探討模型預測污染物在5 a和10 a內的遷移過程,結果如圖4(a)和圖4(b)所示。10年內實地檢測出研究區(qū)域有32處污水管道滲漏。10年內氟化物最大污染范圍為0.29 km2,最大運移距離是1.88 km。10 a內氰化物最大污染范圍為0.14 km2,最大運移距離是0.99 km。

圖4 模型預測污染物在5年和10年內的遷移過程

圖5(a)和圖5(b)分別是指正常和非正常工況下的地下水環(huán)境影響。正常工況下項目總用量為720 t/a。正常工況下循環(huán)水池發(fā)生泄漏會對地下水造成污染。正常工況下,生產和生活用水均得到了可持續(xù)利用,地下水環(huán)境不會受到很大的影響。而在非正常工況下,1 a、2 a、3 a三個預測時間點氟化物和氰化物均超標,當預測時間增加到4年時兩種污染物才滿足要求,數(shù)值分別為0.96 mg/L和0.04 mg/L。針對化工園區(qū)地下水污染環(huán)境的現(xiàn)狀,研究給出了針對性的保護策略,以下為基本要求。(1)源頭控制措施。源頭治理主要包括各類廢物循環(huán)利用和清潔生產,最大程度降低污染物的排放量,降低污染物質的泄漏、流失等現(xiàn)象,使得出現(xiàn)安全事故時降低安全事故的等級。(2)分區(qū)防治措施。依據(jù)事故應急裝置、貯存和運輸裝置等布局,以及生產過程中有毒材料的毒性強度、排放規(guī)模、每天產生規(guī)模等數(shù)據(jù)在園區(qū)內部設置相應的污染防治區(qū),同時為了避免嚴重安全事故的發(fā)生和水資源的破壞,每個區(qū)域需設置適合的防滲設備。(3)采取相關的補救措施積極遏制地下水污染和蔓延。資源保護部門需構建園區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)控體系,具體包括提供先進的檢測儀器和設備、制定相應的監(jiān)測計劃、構建地下水污染監(jiān)控制度和環(huán)境管理體系。(4)針對生產運營過程中出現(xiàn)的風險事故需積極干預。資源保護和防控人員需確定在出現(xiàn)風險事故的情況下需做出截留、封閉措施,同時需制定受污染地下水和地下水擴散的具體執(zhí)行策略。對于水污染防治的具體措施,化工園區(qū)在運營期間內需嚴格管控生產和生活過程中所產生的污水,嚴令禁止將生活垃圾和工業(yè)廢渣傾倒到化工園區(qū)。循環(huán)設施和廢水處理階段需采用人工防滲措施,將生產污水通過處理后應用于生產環(huán)節(jié)。園區(qū)需配備污水排放池,同時定期安排循環(huán)管道維修服務人員進行安全性能的檢查,當出現(xiàn)滲漏、老化、破損等現(xiàn)象時,及時更換和處理問題。園區(qū)四周需修建防滲溝和排水溝,在開放式的原料堆場需修筑用于防滲處理的截水溝,適時收集雨水輸送到循環(huán)水系統(tǒng),避免將園區(qū)的雨水在不經處理的情況下直接外排。

圖5 正常和非正常工況下的地下水環(huán)境影響

3 結語

為了調查江蘇省某化工園區(qū)的水文地址情況,研究提出了一種地下水環(huán)境調查評估方法。10個監(jiān)測點監(jiān)測到的類大腸菌群和溶解氧均不滿足標準,超出標準值的比例約為30%和15%。10個就監(jiān)測點除開糞大腸菌群不符合《地表水質量標準》中III類標準要求,取值范圍為1.10～1.50,其余因子均符合。正常工況下循環(huán)水池發(fā)生泄漏會對地下水造成污染。而在非正常工況下,1 a、2 a、3 a三個預測時間點氟化物和氰化物均超標,當預測時間增加到4 a時兩種污染物才滿足要求,數(shù)值分別為0.96 mg/L和0.04 mg/L。化工園區(qū)地下水環(huán)境的科學評估對于水資源保護和管理有積極的意義。