基于解析法的地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)研究
——以國粵韶關(guān)燃煤電廠灰場為例

金云龍，邱錦安，邱耿彪，周安存，李　明，陳海玲

(1.廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東 廣州 510510；2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

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基于解析法的地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)研究
——以國粵韶關(guān)燃煤電廠灰場為例

金云龍1，邱錦安2，邱耿彪1，周安存1，李明1，陳海玲1

(1.廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)，廣東 廣州 510510；2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

地下水污染防治是當(dāng)前環(huán)境污染防治中的重點(diǎn)課題之一，進(jìn)行地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是解決地下水污染防治問題的重要途徑之一。采用解析法，選取灰渣溶濾后產(chǎn)生的SO42-和F-作為污染因子，預(yù)測在事故工況條件下污染物的運(yùn)移過程及影響范圍。結(jié)果顯示，解析法的模型可靠、預(yù)測結(jié)果合理實(shí)用，為建設(shè)燃煤電廠灰場后可能引起的地下水污染提供科學(xué)的預(yù)測手段。

地下水污染；地下水環(huán)境質(zhì)量；解析法；預(yù)測手段

燃煤火力發(fā)電在電力工業(yè)中占有很重要的地位，其產(chǎn)生的大量飛灰及爐渣的堆放將對地下水環(huán)境產(chǎn)生不可忽視的影響。在大氣降水及水流淋濾作用下，灰渣中的污染物通過包氣帶入滲到地下水，引起區(qū)域地下水水質(zhì)惡化甚至污染，威脅周邊居民身體健康及生產(chǎn)、生活用水[1]。地下水污染具有過程緩慢、不易發(fā)現(xiàn)和難以治理的特點(diǎn)[2]。解決地下水污染問題的重要途徑之一就是對地下水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，然后提出有效的污染防治措施。地下水環(huán)境影響評價(jià)主要有數(shù)值法、解析法、水均衡法、回歸分析法 、趨勢外推法、類比預(yù)測法等方法。數(shù)值法能夠較好地模擬地下水污染物運(yùn)移，解決當(dāng)今嚴(yán)重的地下水污染問題[3]。但當(dāng)相關(guān)評價(jià)資料有限時(shí)，數(shù)值法、回歸分析法、趨勢外推法不太適用，而解析法、類比預(yù)測法對資料的要求相對較低，可以滿足水文地質(zhì)條件簡單或中等的地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)要求[4]。解析法能夠較好地避免人為因素產(chǎn)生的誤差，可用于確定天然狀態(tài)下地下水流向與水力坡度[5]，也可用于預(yù)測地下水涌水量[6]，近年也常用于預(yù)測地下水溶質(zhì)運(yùn)移的研究[7]。本文根據(jù)《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則-地下水環(huán)境》(HJ610-2011)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際的地質(zhì)條件以及地下水污染源及環(huán)境水文地質(zhì)問題，采用解析法選取灰渣溶濾后產(chǎn)生的硫酸鹽SO42-和氟化物F-作為污染因子，對研究區(qū)在項(xiàng)目運(yùn)營期對地下水環(huán)境造成的影響和危害作出了預(yù)測評價(jià)，為地下水環(huán)境預(yù)防與控制、地下水資源保護(hù)提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

1.1自然地理特征

擬建國粵韶關(guān)燃煤電廠位于韶關(guān)市湞江區(qū)犁市鎮(zhèn)北面約4.5 km龍?zhí)吝叴宓谋眰?cè)，其灰場位于廠址東北面約1.5 km的茶山山谷，與犁市鎮(zhèn)最近直線距離約8 km，與韶關(guān)市區(qū)邊緣直線距離約19.0 km，灰場東側(cè)緊鄰曲仁鐵路，西距S246公路約1.5 km，交通便利，所在地中心地理坐標(biāo)(WGS84坐標(biāo))為：東經(jīng)113° 32' 50.71"，北緯24°56' 34.57″。

灰場位于構(gòu)造-剝蝕丘陵地區(qū)，周邊高程180～225 m，山坡陡峻，植被以雜草和灌木從為主，灰場原用于堆放煤矸石；設(shè)計(jì)灰場東西長約420 m，南北長約380m，總占地面積約12.9 hm2，設(shè)計(jì)堆灰高程為188 m，庫容約219萬 m3，可供堆放1年以上的灰渣和石膏。根據(jù)山谷地形，擬分別在灰場東、北面二個(gè)埡口處建二座灰壩，即東壩和北壩。

1.2環(huán)境水文地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)碎屑巖類分布較廣，地下水賦存于風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙帶中，呈不連續(xù)的含水體，多以泉的形式排泄于溝谷中，富水程度為貧乏?；覉鑫挥谕訋r組、格頂組、九陂組、金雞、橋源組地層之上。巖性以砂、頁巖為主，夾煤層，裂隙不發(fā)育，且多被充填或呈閉合狀。水位埋深3.20～19.80 m，高程為140.88～166.78 m。泉流量一般<0.10 L/s，枯季地下逕流模數(shù)<3 L/(s·km2)，單井涌水量<100 m3/d。

灰場區(qū)內(nèi)包氣帶巖土層以殘坡積粉質(zhì)粘土為主，夾強(qiáng)風(fēng)化泥巖碎石、塊石，單層厚度>1m且連續(xù)分布，滲透系數(shù)為1.66～5.31×10-5cm/s；區(qū)內(nèi)地下水含水層屬于由孔隙水和基巖裂隙水共同組成的弱透水含水層，由于灰場地形坡度相對較陡，水力坡度較大，徑流途徑較短，徑流速度較快，具有就地補(bǔ)給就地排泄特點(diǎn)。地下水在獲得降雨入滲補(bǔ)給后，順坡潛流至谷地邊緣或坡腳處，以分散形式排泄，是溝谷水的主要補(bǔ)給來源；灰場下游影響范圍內(nèi)為大嶺村分散式居民用水，地下水環(huán)境敏感程度較為敏感；區(qū)內(nèi)多年最大降雨量為2 132.1 mm，在不考慮蒸發(fā)、回用等極端情況下，灰場區(qū)所有降雨都轉(zhuǎn)化為廢水，即污水排放量為642.52 m3/d，污水排放強(qiáng)度較??；灰場內(nèi)主要填埋的灰渣和石膏渣屬于第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物，根據(jù)灰場浸出試驗(yàn)結(jié)果，確定灰場區(qū)污染物類型有2類，即常規(guī)指標(biāo)、重金屬；其中重金屬檢出結(jié)果低于地下水質(zhì)量三類標(biāo)準(zhǔn)，因此需預(yù)測的具體污染物指標(biāo)有2個(gè)(的硫酸鹽SO42-和氟化物F-)，污水水質(zhì)復(fù)雜程度為中等。

1.3評價(jià)范圍及等級劃分

擬建灰場的評價(jià)范圍以灰場所在位置周圍地表分水嶺為邊界，隨溝谷方向向東南方向延伸，至下游大嶺村，面積2.56 km2。灰場在建設(shè)、生產(chǎn)運(yùn)行和服務(wù)期滿后的各過程中，可能會對周圍地下水水質(zhì)造成污染；但擬建電廠項(xiàng)目供水系統(tǒng)補(bǔ)給水源均以武江地表水作為水源，不開采地下水；因而，擬建項(xiàng)目屬Ⅰ類環(huán)境影響特征的建設(shè)項(xiàng)目。依據(jù)《導(dǎo)則》(HJ610-2011)I類建設(shè)項(xiàng)目場地地下水環(huán)境影響評價(jià)工作等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)灰場的包氣帶防污性能、含水層易污染特征、地下水的敏感程度、建設(shè)項(xiàng)目污水排放總量和污水水質(zhì)復(fù)雜程度等指標(biāo)綜合判定，擬建茶山灰場區(qū)地下水環(huán)境影響評價(jià)工作等級為二級。

2　地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查與評價(jià)

2.1地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀監(jiān)測

依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164-2004)中對地下水監(jiān)測的相關(guān)要求，結(jié)合灰場區(qū)水文地質(zhì)特征，兼顧灰場及其下游環(huán)境敏感點(diǎn)，在灰場區(qū)布設(shè)10個(gè)包含民井和機(jī)井的水位和水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，以上各監(jiān)測點(diǎn)主要監(jiān)測碎屑巖類裂隙水。

在豐水期(2012月7～8月)、平水期(2012年10月)、枯水期(2013年1月)三期內(nèi)進(jìn)行灰場地下水水質(zhì)監(jiān)測，現(xiàn)狀監(jiān)測因子選取以下17項(xiàng)：pH值、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、六價(jià)鉻、氟化物、鐵、錳、鎘、砷、汞、揮發(fā)性酚、石油類、總硬度、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)。取樣時(shí)間依據(jù)地下水長期水位動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行確定，在現(xiàn)場采集完水樣立即送回實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測；嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行樣品處理和化學(xué)分析。

2.2地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價(jià)方法

本次地下水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)采用單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法。水樣單項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)i在樣點(diǎn)j的單因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)為：

(1)

對于具有雙向閾值的pH參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)為：

當(dāng)pH≤7.0時(shí)，

(2)

當(dāng)pH>7.0時(shí)，

(3)

式中：Si,j為單項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)i在監(jiān)測樣點(diǎn)j的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)值(無量綱)；Ci,j為水質(zhì)參數(shù)i在監(jiān)測樣點(diǎn)j的監(jiān)測濃度值(mg/L)；Cs,i為地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的水質(zhì)參數(shù)i的三類濃度限值(mg/L)；pHj為監(jiān)測樣點(diǎn)j的pH值；pHsd為地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH值下限；pHsu為地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH值上限。

水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)大于1，則表明該水質(zhì)參數(shù)超過了規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，水質(zhì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)越大，表明該水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)越嚴(yán)重。

2.3地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價(jià)

茶山灰場現(xiàn)為煤矸石歷史堆場，在灰場建設(shè)前，擬將煤矸石全部轉(zhuǎn)運(yùn)至電廠區(qū)存放。受煤矸石堆放影響，灰場區(qū)地下水質(zhì)量局部較差?，F(xiàn)狀監(jiān)測結(jié)果表明，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)因子為總硬度、鐵。其中，D15監(jiān)測點(diǎn)鐵超標(biāo)，最大超標(biāo)倍數(shù)為7.266 7； D17監(jiān)測點(diǎn)總硬度超標(biāo)，最大超標(biāo)倍數(shù)為0.073 3。總硬度和鐵超標(biāo)應(yīng)為煤矸石堆放后其淋濾液下滲污染地下水所致。煤矸石中普遍含有硫、鐵等物質(zhì)，大氣降水淋慮煤矸石，淋濾液中鐵和總硬度偏高，因矸石堆底部無防滲措施，淋濾液會直接入滲地下導(dǎo)致地下水中鐵和總硬度超標(biāo)。

3　地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)

3.1預(yù)測模型

根據(jù)研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及污染源的產(chǎn)生量、源強(qiáng)等情況，按照導(dǎo)則(HJ610-2011)的地下水環(huán)境影響評價(jià)工作類型及工作等級劃分依據(jù)，確定灰場地下水環(huán)境影響評價(jià)工作為Ⅰ類二級，宜采用解析法對灰場地下水環(huán)境影響作出預(yù)測。本次預(yù)測選取了以下模型：

(4)

同時(shí)，根據(jù)水文地質(zhì)相關(guān)公式：

u=K×I/n

(5)

DL=Dm+αL×u

(6)

以上公式相關(guān)參數(shù)含義詳見表1。

表1　模型參數(shù)含義表

3.2預(yù)測參數(shù)的選取

根據(jù)廣東省工程勘察院提供的《國電粵華韶關(guān)綜合利用發(fā)電項(xiàng)目一期(2×330 MW)環(huán)境影響評價(jià)地下水環(huán)境水文地質(zhì)勘查報(bào)告》，相關(guān)污染預(yù)測參數(shù)選取如下：(1)滲透系數(shù)K=0.04 m/d；(2)水力坡度I=0.016；(3)有效孔隙度n=0.11；(4)彌散度αL=10；(5)水流速度u= K×I/n=4.218×10-5×0.016/0.11=0.005 8 m/d；(6)縱向彌散系數(shù)DL=α1×u=10×0.005 8=0.058 m2/d。

圖1　孔隙介質(zhì)數(shù)值模型的lgαL—lgLs關(guān)系

縱向彌散度αL可以由圖1確定。圖1為根據(jù)世界范圍內(nèi)所收集到的百余個(gè)水質(zhì)模型中所計(jì)算出的孔隙介質(zhì)的縱向彌散度αL及有關(guān)資料與參數(shù)作出的lgαL—lgLs。基準(zhǔn)尺度Ls是指研究區(qū)大小的度量，一般用溶質(zhì)運(yùn)移到觀測孔的最大距離表示。本項(xiàng)目從保守角度考慮Ls選1 000 m，則αL=10。

3.3源強(qiáng)的設(shè)定

通過對項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容的分析，灰場對地下水環(huán)境產(chǎn)生明顯污染的主要因素為在事故工況下，灰場內(nèi)的灰水(淋濾液)會通過防滲層滲流進(jìn)入下游沖溝內(nèi)，污染淺層地下水。通過灰渣、石膏渣的浸溶試驗(yàn)以及事故灰場灰水成份分析，確定灰水的特征污染物主要包括硫酸鹽SO42-(最大濃度1 693 mg/L)和F-(最大濃度1.58 mg/L)。見表2。

表2　灰場運(yùn)營期事故工況影響預(yù)測因子

根據(jù)統(tǒng)計(jì)此類事故，灰場地面防滲層發(fā)生破裂，假定每平方千米滲漏孔40個(gè)，泄漏孔徑按照1 mm進(jìn)行計(jì)算，泄露出來的物質(zhì)一般有10%滲入地下水系統(tǒng)污染物通過被破壞的位置進(jìn)入到潛水含水層。

SO42-滲漏量計(jì)算公式：1 693 mg/L×210 d×0.129 m2×3.14×(0.5×10-3)×(0.5×10-3)×40×0.04 m/d×10% =5.75 g/d

F-滲漏量計(jì)算公式：1.58 mg/L×210 d×0.129 m2×3.14×(0.5×10-3)×(0.5×10-3)×40×0.04 m/d×10%=5.37 mg/d

3.4地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價(jià)

3.4.1正常工況下

即對灰場底部及圍壩內(nèi)側(cè)全部采取土工膜防滲處理，滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s，大氣降雨及灰渣淋濾液很難通過地表面滲入地下。降雨時(shí)，周邊山坡上的降雨沿坡面徑流，流至山腰時(shí)，由截洪溝截獲，排出灰場外，從而可有效地減少灰場庫區(qū)內(nèi)淋濾液的產(chǎn)生。根據(jù)可行性研究設(shè)計(jì)，灰場庫區(qū)內(nèi)設(shè)淋濾液收集池和處理池，淋濾液集中回收后大部分回用于灰場的淋噴，雨期少量灰水經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后排放，排入灰場壩下游沖溝內(nèi)。因此，在正常工況下，灰場庫區(qū)灰水不會對評價(jià)區(qū)地下水產(chǎn)生明顯影響，其影響程度是可接受的。

圖2　100 dSO42-與距離關(guān)系曲線

3.4.2事故工況下

事故工況下，灰場底部防滲層發(fā)生破裂，灰場內(nèi)的灰水(淋濾液)會通過防滲層滲流進(jìn)入下游沖溝內(nèi)，污染淺層地下水。該工況下對SO42-離子影響進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示特征因子SO42-離子最大超標(biāo)距離為6 m，最大影響距離為7 m；1 000 d后超標(biāo)范圍消失，影響距離最大為27 m；10 a后最大影響距離為40 m；30 a后最大影響范圍消失；在模擬期內(nèi)并未達(dá)到下游距離2 550 m敏感點(diǎn)村莊處。見表3及圖2～圖5。

表3　不同時(shí)間點(diǎn)SO42-離子預(yù)測結(jié)果

圖3　1 000 dSO42-與濃度關(guān)系曲線

圖4　10 aSO42-濃度與距離關(guān)系曲線

圖5　30 aSO42-與距離關(guān)系曲線

此外，灰場底部防滲層發(fā)生破裂時(shí)，對F-進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示特征因子F-最大超標(biāo)距離為2 m，最大影響距離為9 m；1 000 d后超標(biāo)范圍消失，影響距離最大為31 m；10 a后最大影響距離為58 m；30 a后最大影響距離為101 m；在模擬期內(nèi)并未達(dá)到下游距離2 550 m敏感點(diǎn)村莊處。見表4及圖6～圖9。

表4　不同時(shí)間點(diǎn)F-預(yù)測結(jié)果

圖6　100 dF-濃度與距離關(guān)系曲線

4　結(jié)語

本次地下水環(huán)境影響評價(jià)研究工作，綜合分析了擬建燃煤電廠灰場區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件等資料，對其地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀采用了解析法進(jìn)行預(yù)測評價(jià)，主要針對灰場底部防滲層發(fā)生破裂的事故工況下，對SO42-和F-對地下水的影響進(jìn)行模擬預(yù)測，結(jié)論如下：

圖7　1 000 dF-濃度與距離關(guān)系曲線

圖8　10 aF-濃度與距離關(guān)系曲線

圖9　30 aF-濃度與距離關(guān)系曲線

(1) SO42-離子最大超標(biāo)距離為6 m，最大影響距離為7 m；1 000 d后超標(biāo)范圍消失，影響距離最大為27 m；10 a后最大影響距離為40 m；30 a后最大影響范圍消失。

(2)F-最大超標(biāo)距離為2 m，最大影響距離為9 m；1 000 d后超標(biāo)范圍消失，影響距離最大為31 m；10 a后最大影響距離為58 m；30 a后最大影響距離為101 m。

(3)在模擬期內(nèi)并未對下游距離2 550 m敏感點(diǎn)村莊處產(chǎn)生影響。

在灰場采取防滲措施、布設(shè)監(jiān)測井等措施的情況下，可將灰場對周邊地下水環(huán)境的影響風(fēng)險(xiǎn)降至最小。通過本次地下水環(huán)境影響評價(jià)，為擬建燃煤電廠灰場區(qū)內(nèi)的地下水污染防治、水資源管理提供了科學(xué)的依據(jù)。

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Research on Groundwater Environment Quality Evaluation Basing on the Analytical Method——Take Ash Pond of the coal-fired power plant in Guoyueshaoguan for example

JIN Yun-long1，QIU Jin-an2，QIU Geng-biao1，ZHOU An-cun1，LIMing1，CHEN Hai-ling1

(1.Guangdong Hydrogeology Battalion,Guangzhou 510510,Guangdong；2.School of Geography and Planning,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,Guangdong)

Prevention and control of groundwater pollution is one of the most important topics in the current environmental pollution prevention and control and groundwater environment quality evaluation is one of the important ways to solve the problem of groundwater pollution prevention and control.Taking SO42-and F-as pollution factors after the ash had lixiviated,the analytical method was used to predict the migration process and scope of influence of the pollutants in the accident under operating conditions.The results showed that the model of the analytical method was reliable and the predicted result was reasonable and practical.It provided a scientific forecasting method for groundwater pollution causing by the construction of ash pond of the coal-fired power plant.

Groundwater pollution；groundwater environment quality evaluation；analytical method and forecasting methods

2016-03-14

廣東省水文地質(zhì)大隊(duì)科研基金項(xiàng)目(2014A30402004)

金云龍(1982-)，男，河北秦皇島人，工程師，主要從事地下水污染及地質(zhì)災(zāi)害防治研究。

邱錦安(1985-)，男，廣東廣州人，博士研究生，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害與地下水污染防治研究。

P641.8

A

1004-1184(2016)05-0083-04