某再生鉛項目地下水環(huán)境影響評價

王 帥

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,再生鉛工業(yè)生產(chǎn)的需求日益增多,隨之而來的是日益嚴(yán)重的地下水污染問題,尤其是再生鉛企業(yè)在其運(yùn)營期會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，工業(yè)廢水中含有多種高濃度污染物質(zhì)，一旦發(fā)生滲漏，各種污染物就會隨滲濾液通過破裂的防滲膜和包氣帶進(jìn)入地下水含水層，對地下水環(huán)境造成不同程度的污染,從而嚴(yán)重威脅人體健康。因此，通過研究廢水中污染物在地下水環(huán)境中的運(yùn)移規(guī)律，從而判定重金屬生產(chǎn)項目的地下水環(huán)境可行性，對于評價重金屬生產(chǎn)項目建設(shè)對區(qū)域地下水環(huán)境的影響程度有著重要意義。

本文以某擬建再生鉛企業(yè)為研究對象,通過項目地下水環(huán)評專題報告，進(jìn)行了水文地質(zhì)勘察和地下水水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測評價?；谘芯繀^(qū)的水文地質(zhì)條件和污染源調(diào)查結(jié)果,建立地下水流數(shù)值模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，并基于預(yù)測結(jié)果提出地下水污染的防控措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 擬建項目概況

本項目現(xiàn)有工程為無害化年處理10萬 t廢舊鉛蓄電池再生鉛與鉛合金項目，于2018年投產(chǎn)生產(chǎn)，本次改擴(kuò)建項目擬對現(xiàn)有工程的進(jìn)行技術(shù)升級改造并擴(kuò)產(chǎn)，產(chǎn)能提升至年無害化處理廢舊電池25萬 t及相關(guān)附屬產(chǎn)品。采用全自動機(jī)械破碎和水力分選拆解工藝，通過富氧側(cè)吹爐工藝還原、火法冶煉生產(chǎn)精鉛，對冶煉煙氣進(jìn)行凈化后采用離子液法制酸，同時對破碎后的塑殼進(jìn)行水力色差自動分選后進(jìn)行造粒，并配套建設(shè)純氧制備、余熱回收等公輔工程。

1.2 水文地質(zhì)條件概述

1.2.1 項目區(qū)地層概況

該再生鉛企業(yè)位于豫北某工業(yè)園區(qū)，地處黃河下游沖積平原，地形較為平坦。根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，企業(yè)附近70 m以淺范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積物，地表巖性多為粉土和粉質(zhì)粘土。

1.2.2 地下水類型及富水性

評價區(qū)地下水類型為松散巖類孔隙水。根據(jù)含水層的埋藏深度、補(bǔ)給條件及水力性質(zhì)，將本區(qū)地下水分為兩種類型：即埋藏于地表下70 m以淺的淺層潛水及70以下的中深層承壓水。

淺層含水層組底板埋深一般為40～70 m，為黃河沖積層，以粉砂、細(xì)砂為主，局部見有中、粗砂，屬潛水或微承壓水。為本次調(diào)查評價的目的含水層。

中層含水層組底板埋深280～309 m，含水層巖性多為粉砂、細(xì)砂，局部見中砂，砂層頂板以上有4～40 m的粘性土，分布較穩(wěn)定，隔水性能好，與上覆淺層含水層組水力聯(lián)系微弱。

評價區(qū)內(nèi)淺層松散巖類孔隙水的富水性劃分為強(qiáng)富水區(qū)和中等富水區(qū)兩部分，強(qiáng)富水區(qū)分布于調(diào)查評價區(qū)的西北和東南兩塊區(qū)域，面積33.91 km2。該部分地區(qū)水位埋深較大，一般15～20 m；含水層組厚度35～45 m，含水層組巖性為細(xì)砂、局部中粗砂。單井抽水降深一般2.5～3.5 m，出水量大于1 000 m3/d，單位涌水量一般10～20 m3/h·m，滲透系數(shù)一般大于10 m/d，屬于強(qiáng)徑流、強(qiáng)富水區(qū)。

中等富水區(qū)分布在調(diào)查區(qū)中部，呈西南到東北帶狀分布，擬建項目位于該區(qū)域，面積44.18 km2。含水層厚度差異不大，西南地區(qū)水位埋深10～15 m，含水層組厚度25～30 m，東北地區(qū)水位埋深15～20 m，含水層組厚度30～35 m，含水層組巖性為細(xì)砂、局部中粗砂。單井抽水降深4～6 m，單井出水量小于1 000 m3/d，單位涌水量一般小于10 m3/h·m，滲透系數(shù)小于10 m/d，屬中等富水區(qū)(圖1)。

圖1 評價區(qū)水文地質(zhì)略圖 圖2 評價區(qū)地下水流場圖

1.2.3 地下水補(bǔ)徑排、流場及動態(tài)特征

本區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給來源主要為：大氣降水入滲補(bǔ)給，灌溉回滲補(bǔ)給，河渠滲漏補(bǔ)給，地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給等。

徑流：從本區(qū)淺層地下水等水位線圖(見圖2)可以看出，本區(qū)淺層地下水總體流向與地形傾向一致，除局部受開采影響外，淺層地下水大致沿地形傾向東北方向徑流。

排泄：區(qū)內(nèi)淺層地下水的排泄方式主要有：開采排泄、越流下滲排泄、徑流排泄等。

地下水流場特征：依據(jù)《導(dǎo)則》要求需在評價期內(nèi)開展枯豐兩期水位監(jiān)測。由淺層地下水流場圖可知，調(diào)查評價區(qū)內(nèi)淺層地下水豐水期流向與枯水期流向基本一致，即整體由西南向東北方向徑流。地下水水位埋深 8.65～21.25 m，年變幅 0.93～2.39 m，平均變幅1.33 m。

1.2.4 場地水文地質(zhì)特征

依據(jù)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)勘察資料，場地及附近區(qū)域淺層地下水含水巖組埋藏深度在水位以下14.5～45 m。14.5 m以上以粉土、粉質(zhì)粘土互層為主，局部夾有粉細(xì)砂。14.5 m以下為厚層的粉砂，中細(xì)砂為主，總體上看具有“上細(xì)下粗”的二元結(jié)構(gòu)特征。含水層主要以下部粉砂、中細(xì)砂為主。

根據(jù)抽水試驗，場地所在區(qū)淺層地下水富水性屬中等富水區(qū)，單井涌水量609 m3/d。淺層地下水來源主要靠大氣降水、農(nóng)田灌溉入滲補(bǔ)給、徑流補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)淺層地下水由西南向東北徑流，水位埋深在14.58 m，水位標(biāo)高36m左右，平均水力坡度為0.9‰左右。場地地下水動態(tài)受大氣降水、人工開采等因素影響，屬“氣象—開采型”，其特點(diǎn)是水位動態(tài)變化較大，除受氣象因素制約外，尚受人工開采影響。高水位期位于豐水期，與降水時間相吻合，低水位期出現(xiàn)于3-5 月份，枯水期與豐水期水位變幅1.36 m。

根據(jù)滲水試驗垂向滲透系數(shù)K在1.99×10-4～2.36×10-4cm/s之間，平均值2.18×10-4cm/s，確定表層包氣帶地基土的天然防污性能為“弱”。

1.3 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測及評價

依據(jù)《導(dǎo)則》要求需在評價期內(nèi)開展枯水期水質(zhì)監(jiān)測。結(jié)合調(diào)查評價區(qū)水文地質(zhì)條件、項目場地位置及周邊敏感點(diǎn)分布等基本情況，本次工作在擬建項目場地、場地兩側(cè)及其地下水徑流方向上游和下游共選取10個地下水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)狀監(jiān)測。其中，淺層松散巖類孔隙水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)7個，中深層松散巖類孔隙水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)3個。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，評價區(qū)內(nèi)7組淺層松散巖類孔隙水 pH 值 7.22～7.30，總硬度172.1～386.3 mg/L，溶解性總固體476～998 mg/L，硫酸鹽4.02～242.5 mg/L，氟化物0.29～1.82 mg/L，地下水水化類型主要為HCO3-·SO42--Na+·Mg2+、HCO3--Na+·Mg2+型水。7組淺層地下水水樣中2組氟化物超標(biāo)，其他監(jiān)測因子均滿足《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

3組中深層地下水中，pH 值 7.31～7.33，總硬度312.2～376.3 mg/L，溶解性總固體573～960 mg/L，硫酸鹽25.7～182.3 mg/L，氟化物1.45～1.74 mg/L，地下水水化類型主要為HCO3--Na+·Mg2+型水。3組中深層地下水水樣中氟化物全部超標(biāo)，其他監(jiān)測因子均滿足《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料表明：區(qū)內(nèi)淺層、中深層地下水水質(zhì)中氟化物超標(biāo)為普遍現(xiàn)象，超標(biāo)原因也為原生地質(zhì)環(huán)境所致。由監(jiān)測結(jié)果表明，目前項目運(yùn)行未對地下水環(huán)境造成影響。

2 地下水環(huán)境預(yù)測與評價

2.1 地下水系統(tǒng)概念模型

在水文地質(zhì)條件勘查和地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測的基礎(chǔ)上，本次評價采取數(shù)值法預(yù)測項目建設(shè)對地下水環(huán)境的影響。主要工作包括水文地質(zhì)條件概化、數(shù)值模型的建立、模型識別與校正和模型預(yù)測等幾個部分。

本次模擬范圍是選南邊界基本上平行于地下水等水位線的河流，作為補(bǔ)給邊界；東邊界和西邊界垂直于地下水等水位線，作為零流量邊界；北邊界為地下水排泄邊界。

本次評價的目的含水層為淺層松散巖類孔隙水，該含水層組底板埋深一般為40～70 m，淺層含水層組之間無穩(wěn)定隔水層存在，故將其概化為具有水力聯(lián)系的同一潛水含水層。淺層含水巖組底界為下更新統(tǒng)-上第三系粘土層，粉質(zhì)粘土層，厚度大，層位穩(wěn)定，隔水性能良好，上部淺層松散巖類孔隙潛水與下部中深層松散巖類孔隙潛水水量交換微弱，故可視為隔水底板。

水文地質(zhì)參數(shù)主要為滲透系數(shù)K、重力給水度μ值和降雨入滲參數(shù)α等，綜合抽水實(shí)驗、滲水試驗、巖性特征、參考經(jīng)驗值等給定初始值，通過模型模擬調(diào)試，最終獲得模擬所需的水文地質(zhì)參數(shù)。

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.2.1 水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，本研究區(qū)的地下水流可概化為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)中的三維非穩(wěn)定流問題，確立各變量之間的數(shù)量關(guān)系，建立了該研究區(qū)的數(shù)學(xué)模型如下，其微分方程為：

(1)

式中： K為滲透系數(shù)張量，坐標(biāo)軸方向的主滲透系數(shù)分別為Kx、Ky、Kz，[LT-1]；T為時間，[T]；M為水頭，[M]；Ss為貯水率或給水度，貯水率量綱[L-1]；w為源泄項，即單位體積排除和吸收的水量，[T-1]；Ω為計算區(qū)域；H0為初始水頭，[L]；φ(x，y，z，t)為第一類邊界上的水頭，[L]；q為第二類邊界上的單位面積流量，[LT-1]。

2.2.2 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(2)

式中：Vm，Vn分別為m和n方向上的速度分量；∣v∣為速度模；C為模擬污染質(zhì)的濃度；ne為有效孔隙度；Cˊ為模擬污染質(zhì)的源匯濃度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度；C’為源匯的污染質(zhì)濃度；

聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程即可獲得污染物空間分布關(guān)系。

在驗證后的水流模型基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬區(qū)巖性，參照已有研究中對水動力彌散系數(shù)的研究，并以確保安全為原則，取模擬區(qū)縱向彌散度為1 m，橫向彌散度為0.1 m，對污染質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行模擬。

2.2.3 模型識別和參數(shù)確定

(1)模擬流場及初始條件

模型的識別與驗證主要遵循以下原則：(1)模擬的地下水流場要與實(shí)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(shí)際要基本相符；(3)模擬的水位動態(tài)與統(tǒng)測的水位動態(tài)要一致；(4)識別的水文地質(zhì)條件要符合實(shí)際水文地質(zhì)條件。根據(jù)以上四個原則，對模擬區(qū)地下水系統(tǒng)進(jìn)行了識別和驗證。通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)和均衡量，識別水文地質(zhì)條件，確定了模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和均衡要素。模擬時期每個時間段內(nèi)包括若干時間步長，時間步長為模型自動控制，嚴(yán)格控制每次迭代的誤差。

(2)地下水模型中參數(shù)的應(yīng)用

圖3 模擬區(qū)剖分單元格圖 圖4 模擬區(qū)流場擬合圖

(3)模型的識別驗證

模型的識別與驗證過程是整個模擬中極為重要的一步工作，通常要在反復(fù)修改參數(shù)和調(diào)整某些源匯項基礎(chǔ)上才能達(dá)到較為理想的擬合結(jié)果。此模型的識別與檢驗過程采用的方法稱為試估—校正法，屬于反求參數(shù)的間接方法之一。

將第一期水位監(jiān)測成果繪制成地下水等水位線圖，作為模型的初始流場輸入模型，然后再輸入各參數(shù)和均衡項，將模型編譯運(yùn)行后，計算結(jié)果與第二期水位監(jiān)測成果進(jìn)行比對，根據(jù)比對結(jié)果調(diào)整模型參數(shù)。然后不斷重復(fù)上述步驟，通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)，對模型進(jìn)行不斷的識別和優(yōu)化，使之能夠更接近于實(shí)際情況且能夠穩(wěn)定的運(yùn)行(圖4)。

根據(jù)流場擬合結(jié)果表明，所建立模型的計算水位與實(shí)測水位擬合程度較好，基本上反映了區(qū)內(nèi)地下水流的變化規(guī)律，且預(yù)測各要素運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到模型精度要求，可用于預(yù)測計算。

2.2.4 工況設(shè)計及源強(qiáng)

(1)地下水水流的預(yù)測

地下水水流的預(yù)測模型所運(yùn)用的參數(shù)是通過模型識別確定的。預(yù)測模型的補(bǔ)給量或排泄量采用現(xiàn)狀年的資料。模型中的降雨入滲量、灌溉回滲量也是采用現(xiàn)狀年的資料。預(yù)測模型進(jìn)行了100 d、1 000 d、10 a和30 a四個時間段的地下水水流預(yù)測。

(2)非正常工況

根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況分析，如果是裝置區(qū)或罐區(qū)等可視場所發(fā)生硬化面破損，即使有物料或污水等泄漏，按目前企業(yè)的管理規(guī)范，必須及時采取措施，不可能任由物料或污水漫流滲漏，而對于泄漏初期短時間物料暴露而污染的少量土壤，則會盡快通過挖出進(jìn)行處置，不會任其滲入地下水。因此，只在污水處理站、沉淀池等這些半地下非可視部位發(fā)生小面積滲漏時，才可能有少量污染物通過漏點(diǎn)，逐步滲入土壤并可能進(jìn)入地下水。

綜合考慮擬建項目物料、工藝流程、裝置設(shè)施、廢水排放等情況以及項目區(qū)水文地質(zhì)條件，本次評價非正常工況泄漏點(diǎn)設(shè)定為污水處理站池底滲漏。

(3)預(yù)測源強(qiáng)設(shè)定

根據(jù)項目工程分析，采用標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法確定預(yù)測因子，選擇標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)大的污染物作為預(yù)測因子，并優(yōu)先選擇第一類水污染物。經(jīng)計算各污染物的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，選取鉛為預(yù)測因子，濃度為248.8 mg/L。

假定廢水處理站池底出現(xiàn)長5 m，寬2 cm 的裂縫，池底天然基礎(chǔ)層透系數(shù)取值0.188 m/d，滲漏量約為5×0.02×0.188×1 000=18.8 kg/d。

(4)預(yù)測時段

根據(jù)導(dǎo)則要求及本項目特點(diǎn)，本項目的預(yù)測時段選擇100 d、1 000 d、10 a、30 a。

(5)預(yù)測因子的標(biāo)準(zhǔn)限值

污染物對地下水污染程度以檢出范圍、超標(biāo)范圍、最大檢出距離和最大超標(biāo)距離來衡量。地下水環(huán)境影響預(yù)測結(jié)果中，污染物濃度高出檢出限的范圍稱為檢出范圍，對應(yīng)的下游最遠(yuǎn)影響距離稱為最大檢出距離；污染物濃度高出標(biāo)準(zhǔn)限值的范圍稱為超標(biāo)范圍，對應(yīng)的下游最遠(yuǎn)污染距離稱為最大超標(biāo)距離。

鉛超標(biāo)范圍依據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。污染物的檢出下限值參照常規(guī)儀器檢測下限。鉛特征污染物的標(biāo)準(zhǔn)限值和檢出限值如表1所示。

表1 模型特征污染物污染標(biāo)準(zhǔn)和檢出限值

2.2.5 地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價

根據(jù)上述預(yù)測時段和各污染物的初始濃度輸入模型，預(yù)測不同時段污染物的遷移過程，生成不同時間的污染暈遷移分布圖，下圖中紅色范圍表示地下水污染物濃度超過水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，藍(lán)色范圍表示污染物濃度可檢出。以下根據(jù)設(shè)定的污染源位置和源強(qiáng)大小進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如下：

不同預(yù)測時段鉛污染物的超標(biāo)距離、檢出距離、超標(biāo)面積和檢出面積見表2，污染暈遷移分布圖見圖5。

表2 鉛污染物預(yù)測結(jié)果表

圖5 污染暈遷移分布圖(鉛)

在模型中在滲漏點(diǎn)下游180 m擬建項目廠區(qū)邊界處設(shè)置濃度觀測點(diǎn)，其計算輸出結(jié)果表明：在滲漏點(diǎn)下游廠區(qū)邊界(180 m)處，第4.32年(1 577 d)污染物開始檢出，后濃度呈逐漸上升狀態(tài)，至預(yù)測期滿時(30 a)達(dá)到0.009 3 mg/L，未達(dá)到超標(biāo)限值。

2.2.6 污染物預(yù)測評價結(jié)果

非正常工況擬建項目污水處理站防滲層破裂發(fā)生泄漏，污染物鉛在模擬預(yù)測期內(nèi)在擬建廠區(qū)邊界未檢測到超標(biāo)。鉛在30 a運(yùn)移距離最大為619 m，最大超標(biāo)距離107 m。鉛在 30 a運(yùn)移距離與最近敏感點(diǎn)集中供水井最近距離為2 681 m。

3 結(jié)語

根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀,設(shè)定廢水處理池池底滲漏情景,模擬和預(yù)測地下水的污染情況,通過以上研究,得出以下結(jié)論：

(1)在非正常工況下,廢水處理池池底滲漏，鉛均對地下水造成污染。

(2)在非正常工況下,鉛的最大超標(biāo)范圍為3 675 m2，事故發(fā)生10 950 d后最大運(yùn)移距離約619 m。

(3)經(jīng)預(yù)測、分析，本項目在非正常工況下對地下水環(huán)境有一定的影響。但從泄漏概率、地面破損概率綜合考慮，廢水處理池底部滲入地下是概率很小的事件，同時其超標(biāo)區(qū)域未超出廠界，對區(qū)域地下水環(huán)境敏感目標(biāo)的影響較小，在采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施和應(yīng)急處理措施后，可以把對地下水環(huán)境的影響控制在可接受程度。

(4)本項目為重金屬再生項目，主要污染為重金屬，地下水一旦污染,需要很長時間才恢復(fù)。因此針對裝置區(qū)可能發(fā)生的地下水污染，地下水污染防治措施按照“源頭控制、末端防治、污染監(jiān)控、應(yīng)急響應(yīng)”相結(jié)合的原則，從污染物的產(chǎn)生、入滲、擴(kuò)散、應(yīng)急應(yīng)全階段進(jìn)行控制。對原料庫和產(chǎn)生危廢的生產(chǎn)車間應(yīng)按《危險廢物儲存污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18597-2001)(2013修訂)進(jìn)行嚴(yán)格防滲，其他主要建筑物嚴(yán)格做好防滲措施，防止生產(chǎn)過程中的跑、冒、漏、滴等情況產(chǎn)生的污染物污染包氣帶，進(jìn)而影響地下水水質(zhì)。