遵義市坪橋地下河系統(tǒng)污染源及污染通道研究

易世友,李 強(qiáng),高 峰,陳 濤,江 峰

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563000)

0 引言

研究區(qū)位處長江經(jīng)濟(jì)帶西南裸露型巖溶山區(qū),地表巖溶洼地、落水洞、天窗等個(gè)體形態(tài)密布,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,含水性極不均一,地下河系統(tǒng)發(fā)育,巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)內(nèi)坪橋地下河出口自2004年以來,水質(zhì)受到嚴(yán)重污染,最終受納水體湘江河水質(zhì)惡化,地下水污染問題十分突出,坪橋地下河系統(tǒng)內(nèi)污染源種類多、分布廣,具有地下水污染隱蔽性強(qiáng)、擴(kuò)散迅速、防治難度大、污染源復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。為此,查明該地下河系統(tǒng)污染來源及污染通道,并提出科學(xué)的防治措施是亟待解決的關(guān)鍵問題。

近年來,貴州省開展了一系列中央水污染防治資金項(xiàng)目,針對(duì)巖溶山區(qū)地下水污染成因、污染途徑及污染源追蹤等做了大量研究工作,總結(jié)提出了貴州省巖溶山區(qū)五種地下水污染模式[2],即間歇性降水淋濾入滲污染型、間歇性降水入滲淋濾污染型、間歇性污水灌入污染型、持續(xù)性泉水徑流入滲淋濾污染型、持續(xù)性污水灌入污染型。目前,地下水污染源追蹤主要依靠水文地球化學(xué)、多元統(tǒng)(如相關(guān)性分析、主成分分析)等技術(shù)方法,而巖溶山區(qū)地下水污染通道查證技術(shù)及體系構(gòu)建上相對(duì)較為缺乏。

針對(duì)上述問題,本文以遵義市坪橋地下河系統(tǒng)污染為例,運(yùn)用大比例尺環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查、水地球化學(xué)、充電法物探、鉆探及水質(zhì)分析等技術(shù),精準(zhǔn)識(shí)別和查證了坪橋地下河系統(tǒng)的污染來源、污染通道,為西南巖溶山區(qū)同類型地下水污染防治提供了可復(fù)制、可推廣的勘查技術(shù)模式。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)總體地勢(shì)南高北低,地貌組合類型為溶蝕成因類型,進(jìn)一步劃分為溶丘谷地和丘峰槽谷兩個(gè)亞類。

大地構(gòu)造位置位處羌塘-揚(yáng)子-華南板塊-上揚(yáng)子南緣-黔北隆起區(qū)-鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區(qū),地表大面積出露三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段(T2g2)灰?guī)r地層,關(guān)嶺組第一段(T2g1)頁巖、白云質(zhì)泥巖分布于永安向斜翼部。

區(qū)內(nèi)主要褶皺為永安向斜,受東西向和北北東向構(gòu)造線控制,南部軸向?yàn)楸北睎|,北側(cè)以90°拐彎折向東西。該向斜兩翼不對(duì)稱,北西翼地層產(chǎn)狀較陡,傾角53°～85°,部分區(qū)域地層直立或倒轉(zhuǎn),南東翼地層產(chǎn)狀較平緩,傾角5°～25°。

2 水文地質(zhì)條件及污染特征

研究區(qū)處于坪橋地下河系統(tǒng)近排泄區(qū)(圖1),含水巖組為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段(T2g2)灰?guī)r,巖溶極為發(fā)育且不均勻,補(bǔ)給區(qū)為南西側(cè)深溪鎮(zhèn)永安村徐家壩—石板水一帶,地下水總體由南西向北東徑流,局部(坪橋工業(yè)園一帶)由南東向北西徑流,受地形地貌及三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組第一段相對(duì)隔水層的阻隔,以地下河出口(S1)的形式排泄地表,偶側(cè)總流量16 L/s,枯季流量9.97 L/s。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)略圖及取樣點(diǎn)分布圖

S1坪橋地下河出口污染特征指標(biāo)中氨氮含量109.05～143.6 mg/L,超《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)III類限值218～286倍,錳含量8.838～21.31 mg/L,超限值88～213倍,NO3-含量97.34～98.89 mg/L,超限值約5倍,NO2-含量1.36～8.10 mg/L,超限值約1～8倍,硫酸鹽含量1 197.2～1 404.0 mg/L,超限值約5倍。

3 污染源精準(zhǔn)識(shí)別

3.1 環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查

以研究區(qū)所在巖溶地下水系統(tǒng)開展了大比例尺的環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查,排查了地下河出口補(bǔ)給區(qū)范圍所有企業(yè)產(chǎn)排污情況,污水去向,其中工業(yè)廢渣處置場始建于2002年,位于坪橋地下河系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū),其廢渣堆放方量達(dá)1 200 000 m3,2018年9月完成了封場閉庫,1#渣場底部未做防滲處理,先后被用于工業(yè)企業(yè)所產(chǎn)生的鐵合金渣、煉鋼廢渣、電解錳渣等的排放,處置場2#尾渣庫堆放電解錳渣,在靠近2#壩區(qū)域底部未做防滲(圖2),此外2#尾渣庫抽排豎井(ZDE040)內(nèi)抽水泵放置于豎井深度的二分之一位置,長期存在高水頭壓力,具有滲漏風(fēng)險(xiǎn),大氣降水淋濾渣體后,高污染濃度的滲濾液進(jìn)入地下水系統(tǒng)。

圖2 工業(yè)廢渣處置場防滲示意圖

3.2 特征污染指標(biāo)相關(guān)性對(duì)比

地下水系統(tǒng)內(nèi)污染源、地下河出口水質(zhì)分析結(jié)果表明(表1),取樣點(diǎn)位置見圖1所示,坪橋地下河出口(S1)與工業(yè)廢渣處置場滲濾液E6特征污染指標(biāo)具有明顯相關(guān)性,一是工業(yè)廢渣處置場滲濾液氨氮、錳、硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度分別為427.88、18.92、2 287.2、21.75、32 308 mg/L,分別高于地下河出口濃度3.9、2.1、23.5、27倍,而生活污水E4氨氮濃度均小于坪橋地下河出口(S1),表明工業(yè)廢渣處置場滲濾液是坪橋地下河出口主要污染源。

表1 地下河出口與污染源水質(zhì)特征對(duì)比統(tǒng)計(jì)表 mg/L

3.3 氮氧同位素分析

研究區(qū)分別采集氮氧同位素樣品9組,δ15N-NO3-和δ18O-NO3-測試結(jié)果見表2,并將其投射在不同硝酸鹽來源的典型范圍內(nèi)(圖3)。以此作為依據(jù)研究典型污染源對(duì)地下河出口硝酸鹽污染的影響。

表2 研究區(qū)各水體δ15N-NO3-和δ18O-NO3-測試結(jié)果

圖3 研究區(qū)各水體硝酸鹽來源識(shí)別

區(qū)內(nèi)各水體δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值波動(dòng)較小,變化范圍分別為1.99‰～9.85‰和2.74‰～2.41‰,平均值分別為6.33±0.31‰、0.64±1.10‰。其中,坪橋地下河出口S1位于“含NH4+肥料”、“土壤N”的交匯區(qū)域,揭示其NO3-主要受到“含NH4+肥料”、“土壤N”的影響。

選取Iso Source模型計(jì)算各污染源貢獻(xiàn)比例,計(jì)算結(jié)果表明坪橋地下河出口(S1)不同端元對(duì)地下水中NO3-貢獻(xiàn)大小為含NH4+肥料(53%)> 糞肥污水(31%)>土壤氮(16%),而含NH4+肥料中83.01%的氮素來源于工業(yè)廢渣處置場滲濾液。

綜上所述,通過環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查、特征污染指標(biāo)對(duì)比分析及氮氧同位素分析技術(shù)的綜合應(yīng)用,精準(zhǔn)識(shí)別了坪橋地下河系統(tǒng)地下水污染源主要為工業(yè)廢渣處置場滲濾液。

4 地下水污染通道精準(zhǔn)查證

在精準(zhǔn)識(shí)別坪橋地下河系統(tǒng)污染源基礎(chǔ)上,以工業(yè)廢渣處置場2#壩下游一帶為范圍,開展詳細(xì)的物探、鉆探、水質(zhì)分析、水文測井等工作手段,精準(zhǔn)查證地下水污染通道之一(圖4),即工業(yè)廢渣處置場2#壩東部抽排豎井—CK8—J02監(jiān)測井—CK6、CK11鉆孔一線。

圖4 研究區(qū)污染通道分布圖

4.1 物探精準(zhǔn)探測

以CK1、CK3勘察孔、J02監(jiān)測井為充電點(diǎn),并以物探4線和5線為充電方向,根據(jù)充電法電位梯度曲線,將充電零值點(diǎn)解釋為地下水主徑流帶。

物探4線在78 m點(diǎn)和105 m點(diǎn)均有零值點(diǎn)出現(xiàn)(圖5),推測為地下水主徑流帶;物探5線在126 m、178 m點(diǎn)上有零值點(diǎn)出現(xiàn),位于勘察區(qū)下游,在235 m點(diǎn)和251 m點(diǎn)上有零值點(diǎn)出現(xiàn),推測為地下水主徑流帶。推測地下水主徑流帶應(yīng)在4線在78 m點(diǎn)、105 m點(diǎn)和5線在235 m點(diǎn)、251 m點(diǎn)一線。

圖5 物探4線充電法成果圖

4.2 鉆探、水質(zhì)分析驗(yàn)證

在精準(zhǔn)探測研究區(qū)南側(cè)一帶地下水徑流帶基礎(chǔ)上,通過在徑流帶實(shí)施鉆探工程和水樣采集與測試,精準(zhǔn)查證地下水污染通道的空間展布。

鉆探揭露顯示,CK6鉆孔孔深56～58.97 m段巖溶裂隙發(fā)育,CK8鉆孔孔深56.48～64.40 m段巖溶裂隙發(fā)育。CK10鉆孔孔深69.46～71.08 m段巖溶裂隙發(fā)育。CK11鉆孔孔深59.54～61.74 m段巖溶裂隙發(fā)育,均為鉆孔出水段,出水段標(biāo)高相差不大。CK6、CK11、CK8和J02鉆孔污染物濃度較高,其中CK6氨氮含量186 mg/L,錳26.4 mg/L,CK11氨氮含量104 mg/L,錳12.8 mg/L,CK8氨氮含量68.2 mg/L,錳4.61 mg/L,J02氨氮含量204 mg/L,錳4.35 mg/L,其含量均高于坪橋地下河出口污染物濃度,在旁側(cè)CK4、CK1、CK3、CK5、CK9鉆孔氨氮含量0.09～21.5 mg/L,錳含量0.01～0.78 mg/L,遠(yuǎn)低于CK6和CK11鉆孔氨氮和錳的含量,證明了在坪橋工業(yè)園區(qū)工業(yè)廢渣處置場、CK8、J02監(jiān)測井、CK6和CK11鉆孔間是場區(qū)地下水污染通道之一。

4.3 水文測井進(jìn)一步核實(shí)

水文測井成果顯示,CK6號(hào)鉆孔在標(biāo)高815.73～814.97 m段(即孔深58.17～58.93)(圖6),厚度0.76 m,CK11鉆孔在標(biāo)高816.01～812.61 m(即孔深57.85～61.25 m)段,厚度3.4 m,自然伽馬較低,聲波時(shí)差增大,電阻率值減小,結(jié)合人工鹽化井液電阻率變化,推測為出水段,與鉆探揭露的巖溶裂隙發(fā)育段基本一致,在標(biāo)高812.61～816.01 m存在地下水徑流通道。此外,結(jié)合鉆孔自然井液電阻率值對(duì)比圖(圖7)可知,4個(gè)鉆孔的自然井液電阻率值從大到小依次為CK4、CK10、CK11和CK6,從自然井液電阻率的變化可以推斷,CK6孔的污染物濃度最高,受污染最嚴(yán)重,CK11孔次之,4個(gè)孔的自然井液電阻率變化趨勢(shì)都是從淺到深逐漸變小,此變化規(guī)律與污染物的類型一致。

圖6 CK6號(hào)鉆孔水文測井成果

圖7 井液電阻率值對(duì)比圖

5 污染通道地下水流量估算

研究區(qū)關(guān)嶺組第二段(T2g2)含水巖組枯季徑流模數(shù)為1.521～3.322 L/s·km2,豐水期徑流模數(shù)以坪橋地下河出口豐水期流量295.349 L/s,系統(tǒng)面積12.86 km2進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算出豐水期徑流模數(shù)為18.62 L/s·km2,污染通道上游地下水補(bǔ)給面積約0.83 km2,地下水徑流量按照徑流模數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式:

Q=86.4·M·F

(1)

式中:Q為地下水徑流量(m3/d);M為地下水徑流模數(shù)(L/s·km2);F為補(bǔ)給區(qū)面積(km2)。

按1式,計(jì)算出污染通道內(nèi)地下水枯季徑流量為109.07 m3/d,豐水期最大徑流量為1 335.27 m3/d。因關(guān)嶺組第二段灰?guī)r含水巖組含水性極不均一的,不排除小于估算流量的可能。

6 結(jié)語

(1)坪橋地下河系統(tǒng)地下水主要污染源為工業(yè)廢渣處置場,受大氣降水淋濾作用,高污染濃度滲濾液進(jìn)入地下水系統(tǒng)致使坪橋地下河出口污染。查明的污染通道之一為工業(yè)廢渣處置場2#壩東部抽排豎井—CK8—J02監(jiān)測井—CK6、CK11鉆孔一線,建議針對(duì)查明的污染通道實(shí)施“近源截排”治理技術(shù),減少地下河出口末端治理壓力。

(2)環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查+水文地球化學(xué)等技術(shù)綜合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)坪橋地下河系統(tǒng)主要污染源的精準(zhǔn)識(shí)別,綜合物探+鉆探+水文測井等技術(shù)組合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下水污染通道的精準(zhǔn)探測與驗(yàn)證,從而構(gòu)建了巖溶山區(qū)地下水污染源識(shí)別和污染通道精準(zhǔn)查證的勘查關(guān)鍵技術(shù)體系。