新疆天池能源電廠地下水環境影響評價

居馬·吐爾遜

（新疆地礦局第二水文工程地質大隊，新疆昌吉831100）

新疆天池能源電廠地下水環境影響評價

居馬·吐爾遜*

（新疆地礦局第二水文工程地質大隊，新疆昌吉831100）

為了正確評價新疆天池能源電廠擬建項目的建設運行對地下水環境的影響，在詳細研究電廠區水文地質條件的基礎上，采用數值模擬方法對電廠評價區包氣帶水分運移進行模擬研究，并針對廠區廢水可能進入承壓含水層的情景，開展了地下水流和溶質運移的模擬預測研究，由研究結果可預測廠區廢水可能進入廠區承壓含水層的情景和擴散范圍。結果表明，電廠事故工況下含有毒有害物質的廢水通過泄漏、溢流等途徑滲入含水層，可對地下水造成一定的污染。

地下水環境；污染；數值模擬；影響預測

《國家環境保護“十二五”規劃》明確提出“保護環境是我國的基本國策”，為了推進“十二五”期間環境保護事業的科學發展，加快資源節約型、環境友好型社會的建設，工程建設項目實施前必須進行地下水環境影響評價工作。

目前火力發電建設項目產生的工業廢水對地下水環境的影響日益嚴重。地下水正普遍受到由城市化、工業化、農業和礦業活動導致的污染威脅。因此，了解污染物在地下水中的遷移規律與運移范圍，對評價其對地下水環境的影響有重要意義。

1 評價區概況

新疆天池能源電廠系新建電廠，采用煤電一體化建設模式。燃煤采用電廠南側3.5km的天池能源有限責任公司大井礦區南露天煤礦原煤，燃煤由皮帶直接運輸進廠，可以實現資源就地轉化，變輸煤為輸電，是國家鼓勵發展的節能、環保項目。

本工程電廠擬建設2×660MW超臨界空冷燃煤發電機組，同步建設石灰石—石膏濕法脫硫設施及SCR脫硝裝置，并預留擴建條件。

電廠按照項目可行性研究報告并參照同類已建成的電廠工程，正常工況下無污水排放，全部回收利用，不會導致地下水污染。在非正常（事故）工況下，電廠廠區可能由于廢水池等含有毒有害物質通過泄漏、溢流等途徑滲入地下，對地下水環境造成影響。

2 水文地質概況

2.1 地下水類型及富水性

電廠評價區地下水類型為三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水，評價區內第四系較薄，為透水層。

電廠評價區內三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水按照富水性等級劃分為富水性差級（單井涌水量10～100t/d）。本次勘探深度內，單層含水層厚度在5.79～36.53m間，含水層巖性為含礫中粗砂巖、泥質礫巖、礫巖、粗砂巖，承壓水頭高度為15.33～16.9m。據勘探成果，單井涌水量69.81m3/d，滲透系數0.083m/d，導水系數4.34m2/d，含水層滲透性能較差，導水能力較弱。

2.2 地下水補給、徑流、排泄條件

評價區三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水主要接受北部山區地下水側向補給，由于評價區地下水存在穩定連續的相對隔水層，大氣降水對評價區承壓水補給微弱。評價區內地下水從北向南徑流，三疊系以泥巖、砂巖、礫巖互層的形式出現，且泥質充填，夾層較多，地層滲透性差，徑流條件不佳。從地下水的水質分析成果可看出，評價區地下水的礦化度均較高，ZK4、ZK5孔處的地下水礦化度均大于100.830g/L，說明地下水運移速度遲緩，甚至處于停滯狀態。含水層之間受相對隔水層—泥巖、砂質泥巖和含礫泥質粉砂巖層所阻隔，含水層間水力聯系微弱。三疊系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水主要以向南側流出方式排泄。

2.3 地下水化學特征

評價區地下水源補給貧乏，水流交替緩慢，根據ZK4孔水質化驗成果，水化學類型為Cl－Na·Ca型，礦化度102.892g/L。根據ZK5孔水質化驗成果，水化學類型為Cl－Na·Ca型，礦化度100.830g/L。

3 地下水環境影響預測與評價

3.1 包氣帶水流數值模擬與預測

3.1.1 評價目的

（1）設計符合該電廠區地下水條件和污染源特點的事故情景。

（2）應用包氣帶水分運移數值模擬方法預測不同事故情景下污染物在包氣帶中的入滲深度，確定污染物可能進入目的含水層的事故情景。

（3）針對污染物可能進入目的含水層的事故情景，進行地下水流與溶質運移的數值模擬，預測污染物在目的含水層中的運移范圍及濃度。

（4）依據包氣帶水分運移預測結果和地下水流溶質運移預測結果，對電廠建設對地下水環境的可能影響做出評價。

3.1.2 預測方法

地下水環境影響數值模擬分2步進行，即：第一步，進行評價區包氣帶水分運移模擬，確定不同情境下廠區廢水最大入滲深度，據此確定廠區廢水可以進入廠區承壓含水層的情景；第二步，針對廠區廢水可以進入承壓含水層的情景開展地下水流和溶質運移的模擬預測。

研究區電廠廠區無潛水，承壓含水層頂板埋深為20.0m。目的含水層（承壓含水層）上部地層巖性在垂向上變化較大，直接進行地下水流及溶質模擬難以刻畫電廠廠區廢水在包氣帶的運移狀況。

包氣帶水分運移數值模擬與預測采用HYDRUS-1D軟件，地下水流與溶質運移數值模擬與預測采用GMS軟件。

3.1.3 概念模型

排污池所在地區非飽和帶從上到下基本為含砂泥巖。綜合探井及鉆孔資料，該區未見潛水含水層。在20.00～31.22m深度處為承壓含水層（目的含水層），故本次非飽和帶數值模擬的地層深度取為20m。不同深度地層巖性為：0～0.75m為含礫亞砂土，0.75～1.15m為含礫泥巖，1.15～4.15m為風化泥巖，4.15～17.6m為含礫泥質粉砂巖，17.6～20.00m為泥質粉砂巖。

在本次評價中應用HYDRUS-1D軟件求解非飽和帶中的水分與溶質遷移方程，按10cm等間隔劃分為201個單元。結合電廠廠區污染源分布情況（主要來自電廠廢水池，截面積為700m2，廢水排放量為60m3/h）及地下水埋藏條件，包氣帶污染物運移模型主要考慮以下5種事故情形：污水池連續入滲1d、10d、30d、100d、365d，20m深度包氣帶污染物運移模擬。

3.2 包氣帶水流數值模型

HYDRUS-1D模型對飽和-非飽和帶土壤水分運移的模擬采用Richards方程，方程的數值求解采用Galerkin有限元法。其數學模型為：

式中：θ——土壤體積含水率，%；

h——土壤水分負壓，cm；

z——垂直坐標，取向下為正，表示土壤深度，cm；

K——非飽和水力傳導系數，cm/d；

初始條件：先使用插值的含水率、壓力水頭值進行100d的計算，以100d時的穩定計算結果作為初始條件。

邊界條件：上邊界為定通量邊界，電廠污水的排污強度為1440m3/d，排污池面積為700m2，通量值為0.143cm/min；下邊界為已知壓力水頭邊界，根據模型的具體情況，設定20m處為地下水面，壓力水頭為零。

3.3 溶質模型

模型中飽和—非飽和多孔介質中非穩定流溶質運移的一維對流—彌散方程為：

式中：c——土壤溶液中溶質濃度，mg/cm3；

s——吸附在土壤顆粒上的固態溶質濃度，mg/cm3；

ρ——土壤干容重，g/cm3；

q——流速，cm/d；

μw、μs——液態和固態溶質的一階反應速率常數；

γw、γs——液態和固態溶質的零階反應速率常數；

S——水流方程的源匯項，d-1；

cs——源匯項的溶質濃度，mg/cm3；

D——飽和-非飽和水動力彌散系數，cm2/d。

溶質模型的上邊界選擇為定濃度通量邊界，下邊界選擇為零濃度梯度邊界。由于電廠廠區之前未排過污水，所以初始土層剖面濃度為零。

3.4 模型參數設置

依據廠區彌散試驗結果，污水在土壤中的擴散系數DW取443.8 cm2/h，縱向彌散度DL取54.53cm。模型中所使用土壤水力特征參數見表1。

表1 電廠廠區土壤水力特征參數

3.5 模擬結果

不同情境下電廠廠區污染物運移模擬結果匯總見表2。

表2 不同情境下電廠廠區污染物運移模擬結果匯總

（1）連續排污1d，最大入滲深度8.4m，未到達承壓含水層。

（2）連續排污10d，最大入滲深度11.0m，未到達承壓含水層。

（3）連續排污30d，最大入滲深度16.4m，未到達承壓含水層。

（4）連續排污100d，污染物進入承壓含水層，但其最大濃度僅為0.025g/L（遠小于該區ZK4孔地下水的礦化度102.9g/L）。

連續排污365d，污染物進入承壓含水層，但其最大濃度僅為1.4g/L（遠小于該區ZK4孔地下水的礦化度102.9g/L）。

3.6 地下水環境影響評價數值模型

3.6.1 事故情景設定

根據模擬區地質和水文地質條件，結合上述模型模擬得到的模擬區地下水流場特征，應用Modflow軟件的MT3D模塊計算污染物可能遷移的距離，預測污染物在地下水中遷移的范圍和濃度值。電廠廠區廢水池只有連續排放100d和365d時污染物才能入滲到含水層。因此，地下水數值模擬預測情景設定為電廠廠區廢水池連續排放365d。假設生產廢水處理站某一設施發生連續性腐蝕泄漏，持續時間長達一年。泄漏量按日排放量計算，即1439.9m3/d，選取COD作為特征污染物，不考慮包氣帶的吸附、降解等作用，則進入地下水的COD污染物總量為42045.08kg/a(115.192kg/d)。根據預測結果，分析評價滲漏事故對模擬區地下水環境的影響范圍和程度。

本次溶質運移模擬預測采用準三維地下水流場中的對流—彌散方程和定解條件作為數學模型：

式中：c——飽和含水層中的污染物的濃度；

t——時間；

ux、uy——孔隙平均實際流速，ux=vx/n,uy=vy/n,其中vx、vy為滲流速度；

n——有效孔隙，無量綱；

Dx、Dy、Dz——坐標軸方向的主彌散系數，Dx=αL· u，Dy=αT·u，Dz=αV·u，其中αL、αT、αV分別為縱向、橫向彌散度、垂向彌散度；

I——單位時間單位面積含水層內由于源匯項流量W（包括污染源、抽水和降水入滲）引起的污染物濃度cs變化，I＝csW/n；c0(x,y)為初始時刻區域Ω上的溶質濃度分布；

B1——研究區給定溶質通量邊界。

3.6.2 模擬時段設定

具體的模擬時段設定為：自泄漏時間點起，由于地下水的流速較慢，選擇每60d為一時段，模型運行122個時段（共20年），預測泄漏發生后給定源強的污染物在地下水中的濃度時空分布，從而確定污染事故對本區地下水環境的影響范圍和程度。

3.7 情景預測分析

根據地下水流數值模擬結果，初步分析了廢水處理池處水質點的遷移方向，水質點的遷移方向基本按水位流動的方向由排泄點向南部邊界擴散，為此，本次模擬選擇在泄漏點和南部排泄邊界之間設定18個污染物監測點，觀測在模擬期20年內，COD污染物濃度隨時間的變化，從而判定污染物對本區地下水造成的污染。根據污染物運移模擬結果，Ob2和Ob5監測井能明顯觀測到污染物濃度（圖1、圖2）。選擇代表性的時間點（1年、5年、10年、20年），分別給出污染物的濃度和遷移范圍（見表3、圖3和圖4）。

圖1 Ob2監測點濃度隨時間變化曲線

圖2 Ob5監測點濃度隨時間變化曲線

表3 COD污染物遷移預測結果

圖3 COD污染物泄漏運移1年的污染范圍

4 結論

本文利用數值模擬方法建立了新疆天池能源電廠評價區域的地下水數值模型，利用數值模擬軟件模擬事故工況下污染物在地下水中的遷移規律，進而對電廠評價區域地下水環境影響進行預測與評價，結果顯示，電廠在正常工況下廢水循環使用，采用了嚴格的防滲、防溢流等措施，不會對地下水環境質量造成顯著影響，在非正常工況下，電廠區廢水連續排放365d以內，廢水排放不會對地下水產生明顯影響，連續排放365d，污染物可進入承壓含水層，對地下水有一定影響。

通過本次地下水環境影響預測和評價，為建設項目的決策、工程設計和環境管理、地下水環境保護措施與管理對策，提供科學依據。

X703

A

1004-5716(2015)10-0081-05

2015-06-29

2015-06-29

居馬·吐爾遜（1979-），男（維吾爾族），新疆莎車人，工程師，現從事水文地質、環境地質工作。