巖溶地下水有機污染特征分析
——以貴陽市某加油站為例

羅炳佳, 楊勝元, 羅 維, 楊秀麗

貴州省地質環境監測院, 貴州貴陽 550004

巖溶地下水有機污染特征分析
——以貴陽市某加油站為例

羅炳佳, 楊勝元, 羅 維, 楊秀麗

貴州省地質環境監測院, 貴州貴陽 550004

許多有機化合物對人體和生物有毒害作用, 其中一些具有“三致作用”。地下水有機污染研究開始于20世紀60—70年代, 經過半個世紀的發展, 國際上已把地下水污染研究的重點從無機污染物轉向有機污染物。在巖溶發育地區, 地質環境脆弱, 防污能力差, 地下水具有易污染性, 有機污染物在巖溶地區的分布有別于其他地區。本文以貴陽市某加油站15年前發生的油灌泄漏污染事件為例, 通過地面調查、地質雷達、鉆探、樣品分析和綜合研究等方法查明了地下有機污染物的運移規律、分布范圍以及地下有機污染物的組分特征。經分析對比1999年、2007年以及2012年的研究成果, 結果表明: (1)受巖溶發育形態的影響, 場地內有機污染物在地下具有富集與稀釋的雙重特性; (2)在巖溶管道發育、地下水水頭高度低于基巖面的地帶,有機污染物組分含量總體呈減少的趨勢; (3)在以溶蝕裂隙為主、地下水水頭高度高于基巖面的地帶, 有機污染物不斷富集, 年擴散速率僅為12 m。

巖溶; 地下水; 有機污染; 擴散

我國加油站數量不斷增大, 現全國加油站總數已超過11萬個(何煒等, 2012)。隨著時間的推移, 這些加油站以及油庫因地下儲油罐、輸油管等嚴重老化開始滲漏, 泄漏的油品污染土壤、地下水和有關的巖層。地下水有機污染在20世紀60—70年代在北美被發現(劉菲等, 2010), 從70年代末到80年代初, 北美、歐洲的發達國家地下水污染研究的重點從無機污染物轉向有機污染物。由于許多有機化合物對人體和生物有毒害作用, 其中一些具有“三致作用”(致癌、致畸、致突變), 有研究表明苯和甲苯百萬分之一致癌概率含量為0.671 μg/L(Mchammed et al., 1996), 這些物質一旦進入土壤和水環境, 可以通過生物鏈積累在動植物組織內, 并長期存在(劉征濤, 2005), 破壞或改變未來的遺傳物質。到20世紀90年代, 地下水中發現的有機污染物達到184 種, 包括鹵代烴類、芳烴類以及農藥類等, 有機污染物對環境和地下水資源的污染已成為當前國際上地下水污染防治與保護的焦點問題(Pettyjohn et al., 1983), 并引起了國內外許多學者和各級政府部門高度重視。2011年我國69個主要城市地下水有機污染檢出率較高, 主要檢出有機污染組分為氯仿、苯并[a]芘、總六六六、β-六六六、四氯乙烯、1,2-二氯乙烷、1,2-二氯丙烷、四氯化碳、三氯乙烯、二氯甲烷和苯(高存榮等, 2011), 隨著經濟社會的持續發展, 越來越多的有機化學污染物將進入土壤和地下水環境(孫劍鋒等, 2011; 劉榮芳等, 2007; 李政紅等, 2010; 周迅, 2007; 劉瑾等, 2014; 孔祥勝等, 2014), 從而對地下水系統造成有機污染。石油產品通常具有高毒性和低溶解性, 進入地下后往往成為地下水長期的污染源(劉玉蘭等, 2011; Yoon et al., 2009; 貝迪恩特等, 2010; Lu et al., 1999), 華北平原加油站抽樣調查結果顯示, 20%的加油站存在滲漏和安全隱患, 加油站附近的淺層地下水都受到不同程度的污染(謝云峰等, 2013; 環境保護部, 2011),有機污染對地下水的影響大(張兆吉, 2012)。開展有機污染物在地下水中的調查研究, 有助于對地下水中的有機污染物進行修復治理。

1 場地概況及污染事件

1.1 場地概況

場地位于貴陽市云巖區城市中心地帶(圖 1),市北路穿過整個場地中央, 將場地一分為二, 場地內建筑密集, 居民眾多, 道路四通八達, 地下管網、線網密布, 通視條件差, 環境條件復雜多變。地形上以加油站后山最高, 向北東、東、東南、南和南西方向地形逐漸降低, 場地巖溶發育, 主要巖溶形態為溶溝、溶槽、巖溶裂隙、溶洞等, 地貌類型屬于溶蝕峰叢谷地。

圖1 場地條件及污染點分布圖Fig. 1 Field conditions and distribution of pollution points

場地內斷裂構造發育, 主要為NE向斷裂(F1、F2斷裂)和近南南東向斷裂(F3斷裂)。其中F1斷裂屬區域性阻水斷裂, 呈北東向展布, 傾向南東, 為壓性斷裂; F2、F3斷裂屬導水斷裂。地層產狀受構造影響變化較大, 中部巖層傾向220°, 傾角10°～35°。場地出露巖石地層主要有三疊系下統安順組白云巖和分布在地勢低洼處以紅粘土為主的第四系松散層;紅粘土主要分布于南東側, 一般厚 3～8 m、局部超10 m, 北西側相對較薄, 厚0～2 m。

場地地下水類型主要為巖溶水, 受F1斷裂影響,場地地下水主要受大氣降水滲入補給, 主要由北北西向南逕流, 集中于下扁井以下降泉形式出露, 流量5～12 L/s, 地下水主要沿巖溶管道流動、逕流快,總體上地下水位低于基巖面; 場地東南部地下水總體上自北向南逕流, 遇阻水斷層 F1后, 地下水自南東向北西緩慢逕流(圖 2), 地下水水頭高度總體上高于基巖面。

1.2 污染事件

1998年9月9日至1999年7月10日間, 貴陽市加油站儲油罐發生三次較大規模的 70號汽油滲漏事件, 且均發生在當天或前幾天大雨過后, 某單位宿舍化糞池間以及公路東側堡坎腳出現汽油滲出,共清除油水混和物約 4 t; 同期位于加油站以東320 m處的下扁井受到污染, 當時貴陽市消防隊在此抽出約20 t油水混和物; 2000年, 場地內樓1西側基礎人工挖孔樁施工期間, 樁孔中也發現有較濃的汽油味, 施工人員用火柴即可點燃孔中氣體; 2003—2004年間, 樓2、樓 3、樓4住宅樓基礎施工時也發現有汽油味, 但未能夠用明火點燃; 2007 年2月, 樓5、樓6在基礎人工挖孔樁施工期間, 樁孔中發現有較濃的汽油味, 用火柴可點燃孔中氣體,同時開挖后的土體暴露在空氣中后很快變為黑色(圖3)。

圖2 研究區地下水流場圖Fig. 2 Map of groundwater flow field in the study area

圖3 樁孔中開挖出的土體在空氣中變為黑色Fig. 3 Soil that turns black in the pile hole

2 地下有機污染調查

2.1 有機污染調查方法

野外有機污染調查采用地面調查、物探與鉆探結合的綜合調查方法。地面調查主要是調查地層巖性、構造、污染源以及已知污染點; 物探調查確定地層異常區, 圈定污染范圍; 鉆探用于確定地層縱深污染。

常見的地下水有機污染, 污染源一般在地面。污染物經在地表泄漏后, 首先進入地表土壤或地表水體。有機污染物從地表或地表水體進入淺層地下水必然要經過包氣帶。在巖溶發育區, 地質環境脆弱, 巖溶水系統的防污性能差, 使得污染物容易進入地下含水層, 并在巖溶管道中快速地運移(陳立華等, 2012; 高贊東等, 2008), 致使巖溶地下水容易遭受不同程度的污染, 其防污性能主要取決于上覆土層的厚度。研究場地內巖溶發育, 紅粘土層分布不均, 厚度0～8.5 m, 加油站處厚度小于3 m, 而且泄漏點(地下儲油罐及其附屬管道)位于地下, 污染源直接與碳酸鹽巖地層接觸, 有機污染物沿巖溶管道直接進入地下水中, 因此選用恰當的物探方法對地下有機污染物進行探測極為關鍵。我國地下水污染物探技術方法主要采用地質雷達、磁法、電法、地震折射、地磁測量和核磁共振等(中國地質調查局, 2008), 在場地地下水污染調查中, 選用的物探方法為地質雷達。

地質雷達是利用高頻電磁波束的反射來探測地下目標的一種高分辨率電磁方法, 也指利用地表以下的電磁波反射圖形斷面進行分析工作的方法(Moffat et al., 1976), 具有無損性和可連續探測的特點。自20世紀80年代以來, 地質雷達在技術裝備上有了突破性的進展, 抗干擾性、采樣率和數據處理技術都有很大提高, 在地下水及土壤有機污染探測方面的應用越來越多, 地質雷達探測能有效地解決油氣污染的范圍和油氣污染的強度(曾昭發等, 1998; 劉海生等, 2003; 葛佳等, 2013; 康曉鈞等, 2013), 勘測工作采用250 MHz和100 MHz屏蔽天線進行重復作業。

場地處于人口密集區, 鉆探工作難于開展, 工作中鉆探的主要目的是用于對地質雷達探測結果的驗證和樣品采集, 鉆探結果(圖 4)表明地質雷達解譯結果是可信的。

圖4 巖芯顯示有機污染物被吸附在裂隙面上Fig. 4 Organic pollutants adsorbed on the fracture surface

2.2 運移模式

研究場地內石油類污染物進入地下后, 主要運移模式有三種(圖5): 第一種快速遷移, 污染物通過巖溶管道快速遷移, 大量污染物隨地下水一起集中排出地表, 本場地東側從加油站至下扁井一帶, 由于有相對集中泄漏通道(巖溶管道)存在, 大量的污染物沿該通道快速遷移, 從下扁井隨地下水排出地表(羅炳佳, 2011), 僅有部分污染物進入地下盲管被保留下來, 還有部分污染物被巖溶管道壁、裂隙面以及土巖結合面所吸附; 第二種運移方式為緩慢運移, 主要表現在場地西側, 地下沒有明顯的巖溶管道, 污染物隨地下水在溶蝕裂隙、構造裂隙中緩慢運移; 第三種運移模式為污染物沿土巖結合面向下擴散, 在場地南部, 由于受阻水斷層的影響, 地下水不能繼續向南運動, 受地下水的頂托作用和凸起的基巖面以及“紅粘土墻”的阻攔, 有機污染物被富集, 在土巖結合面上緩慢向下方擴散(圖6)。

圖5 有機污染分布及運移模式示意圖Fig. 5 Sketch map showing organic pollution distribution and migration mode

圖6 水文地質剖面圖(AA’剖面見圖5)Fig. 6 Hydrogeological section(for profile AA’, see Fig. 5)

2.3 場地有機污染分布

2007年地質雷達探測結果表明, 地下石油類污染物分布不均, 總體上地下有機污染物以加油站為頂點, 沿著土巖結合面及溶洞、溶隙和裂隙向北東、東、東南、南和南西方向呈扇形大范圍迅速擴散, 污染范圍南北長約350 m, 東西長約410 m, 污染總范圍約9.6萬m2。

研究場地內進入西側的有機污染物相對較東側要少, 但進入西側的地下有機污染物無法直接排出地表, 除少部分污染物在建筑施工過程中因樁基及基坑開挖時被挖出外, 其余的有機污染物長期存在于地下; 雖然污染事件發生時, 進入場地東側的污染物相對較多, 但在經過人工抽排和自然排泄后,現存于地下的有機污染物東側明顯少于西側, 這也是地質雷達探測出的污染暈西側多、東側少的主要原因。

3 有機污染特征

3.1 有機污染組分濃度

天然狀態下地下水中一般不存在有機組分, 因此, 一旦地下水中出現一種或多種有機組分即可認定為外來污染物。經2007年、2009年、2010年和2011年對下扁井水取樣做有機分析(表 1), 其地下水中有機污染物組分濃度變化明顯(圖 7), 受取樣時間與檢測單位檢測限不一的影響, 除二氯甲烷和溴二氯甲烷組分含量變化不穩定外, 其余有機組分如三氯甲烷、苯、甲苯、鄰二甲苯、萘等含量呈下降趨勢, 表明下扁井石油類有機污染物被地下水不斷稀釋排出地表, 組分含量呈減少趨勢。

3.2 有機污染組分變化特征

從分析結果來看, 地下水中的主要污染物來源于加油站泄露的汽油, 檢出組分都是汽油的組成成分。由質譜儀獲得的定性污染相關信息也指示了地下水中的污染物質恰恰是汽油的主要組分, 含有大量C5-C8的烷烴、烯烴類化合物、苯、苯的烷烴、烯烴類取代物、硝基苯類取代物、苯的甲基、乙基等烷烴類取代物(姜月華等, 2011)。監測結果表明,污染事件發生 15年后, 地下水中仍然存在石油類有機污染物, 污染組分濃度受地下水不斷稀釋, 總體上在逐漸減少。2010年和2011年檢測結果表明,水中石油類污染物檢出組分有所減少, 檢出濃度也有一定程度降低。

4 地下有機污染變化特征

4.1 污染范圍變化

1998年污染事件發生后, 原貴州省地質環境監測總站曾對該區域進行了調查評價工作, 主要工作方法是地面調查、鉆探以及采樣分析, 由于受測試分析所限, 當時未做有機樣品測試, 主要是通過肉眼觀察水、土樣品有無懸浮油和鼻嗅有無汽油味,并結合測試水中鉛元素含量的異常來探測污染分布,圈定了當時的污染范圍約7.9萬m2(圖8)。根據2007年探測和 1998年探測結果進行對比, 場地內地下有機污染范圍進一步擴大, 擴大面積約 1.7萬 m2,擴大范圍主要位于場地南西側。

表1 下扁井水樣石油類污染物檢出濃度表(單位: μg/L)Table 1 Detectable concentrations of oil pollutants in Xiabianjing water sample (unit: μg/L)

圖7 下扁井有機污染組分變化圖Fig. 7 Variation histogram of organic pollutant components in Xiabianjing water sample

圖8 場地有機污染范圍變化圖Fig. 8 Variation of organic pollution range

4.2 污染范圍擴大原因分析

場地地下有機污染范圍的變化, 是與所處地質環境條件密切相關的, 地下有機污染物擴大范圍的地段紅粘土層較厚, 地下水水頭高度高于基巖面,地下水流速相對緩慢, LNAPL的特性決定了來源于汽油的地下有機污染物被頂托, 隨著時間的推移,不斷在土巖結合面處富集, 在靜水壓力作用下, 污染物向下方的土巖結合面緩慢擴散。經計算, 有機污染物向下方土巖結合面擴散的速率約為12 m/a。

5 結論

1)巖溶地區地下有機污染物受巖溶發育與地下水位的影響, 出現了不斷稀釋與相對富集的兩種截然不同的情況。

2)在巖溶管道發育, 地下水水頭高度低于基巖面的北東側, 地下有機污染物逐漸被稀釋, 組分含量總體上在減少的趨勢。

3)在以溶蝕裂隙為主, 沒有巖溶管道, 地下水水頭高度高于基巖面的南西側, 地下有機污染物不斷富集于土巖結合面上, 并在靜水壓力作用下, 緩慢向下方擴散, 年擴散速率僅為12 m。

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Analysis of Organic Pollution Characteristics of Karst Groundwater: A Case Study of a Gas Station in Guiyang

LUO Bing-jia, YANG Sheng-yuan, LUO Wei, YANG Xiu-li
Guizhou Institute of Geo-environmental Monitoring, Guiyang, Guizhou 550004

Many organic compounds are toxic to humans and living things, and some of them have a “three-induction effects”. Groundwater organic pollution studies began in the 1960s and 1970s. After half a century’s development, the international groundwater contamination study has turned its focus from inorganic contaminants to organic contaminants. The geological environment is fragile and the antifouling capability is poor in karst regions, where the organic pollutant distribution and migration are different from things of other regions. Exemplified by the case of the leakage of the tank at a gas station in Guiyang 15 years ago, the authors investigated the migration regularity of the underground organic pollutants, the pollution distribution and the characteristics of the organic pollutants by means of field survey, GPR, drilling and sample analysis. Through a comparative study of the results obtained in 1999, 2007 and 2012, the authors have reached some conclusions: (1) The organic pollutants have dual characteristics of enrichment and dilution in the underground affected by the karst morphology; (2) In the area where karst channel is developed and the groundwater level is lower than the bedrock surface, the underground organic pollutants content tends to decrease generally; (3) In the area where the fissures are dominant and the groundwater level is above the bedrock surface, the organic pollutants are accumulated and diffused downward slowly, and the diffusion rate can reach 12 m per year.

karst; groundwater; organic pollutants; diffusion

P642.25; X523

A

10.3975/cagsb.2014.02.19

本文由貴州省地勘基金項目(編號: [2007]172號; [2009]94號)和貴州省地礦局科研項目(編號: [2009]20號)聯合資助。

2013-09-26; 改回日期: 2014-02-12。責任編輯: 張改俠。

羅炳佳, 男, 1967年生。高級工程師。主要從事水文地質工程地質環境地質研究。通訊地址: 550004, 貴州省貴陽市中華北路164號五礦大廈15樓。電話: 0851-6829078。E-mail: 76942006@qq.com。