含巨厚非飽和帶巖溶含水層地下水污染風險分析

王仁敏 梅向陽 覃榮高 曹廣祝

摘要：西南巖溶區固廢填埋場選址問題成為制約區域經濟發展的關鍵因素，而在項目選址過程中，如何平衡項目建設成本及地下水環境保護成本是項目選址的關鍵。因此，本文以云南巖溶區某垃圾填埋場項目選址地下水污染評估為例，通過詳細開展水文地質調查及勘察，在查明擬建項目區水文地質條件的基礎上，應用解析法開展地下水污染風險分析及預測。研究結果表明，上覆紅粘土及巨厚非飽和帶巖溶含水層對特征污染物遷移擴散具有較大的阻滯及延遲作用。

Abstract： The site selection of solid waste landfill in southwest karst region has become a key factor that restricting the regional economic development. How to balance the costs between the project construction and the groundwater environmental protection is the key to the site selection of project. Therefore， this study takes the groundwater contamination assessment of a landfill site in karst area of Yunnan province as an example， we carries out risk analysis and prediction of groundwater contamination using analytical method on the basis of detailed hydrogeological investigation. The study results show that the overlying red clay and the thick unsaturated zone of karst aquifer layer have significant retarding and delaying the transport and diffusion of the contaminants.

關鍵詞：非飽和帶;巖溶含水層;地下水污染;風險分析

Key words： unsaturated zone;karst aquifer;groundwater contamination;risk analysis

中圖分類號：X523 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）12-0135-05

0 ?引言

開展巖溶區地下水污染風險分析與評估對這些地區經濟發展及工程建設環境影響評價至關重要。近年來，隨著西南地區工業及旅游業的快速發展，如何平衡經濟發展與環境保護之間的關系成為了制約西南地區經濟發展的關鍵因素。尤其是近年來，由于水電鋁項目在云南的大力發展，加上云南旅游業的快速發展，固廢填埋場選址問題成為了當地政府部門棘手問題之一。尤其是巖溶區地下水污染風險評估對整個項目選址是否合理的關鍵因素之一。地下水污染風險評價受到了許多學者的廣泛關注[1-4]及環境管理部門的重視[5]。而開展固廢填埋場項目地下水污染風險分析及評價，首先需要對項目場地所屬的含水層介質類型進行系統調查分析及判定，在此基礎上才能準確開展地下水污染風險分析與評價。文獻調研表明對于平原區孔隙含水層地下水污染風險分析及評估方面的研究相對較多[3，6-8]，而對于水源地地下水污染風險評估也有相關研究[9]。而影響場地地下水污染風險分析及評價的關鍵是含水層介質參數的不確定性，因此，近年來國內外學者對含水層參數不確定性開展了大量研究[10-12]，如前所示，非飽和帶是污染物與地下水之間的重要紐帶，人類工程活動所排放的污染物往往通過降雨入滲補給等方式穿過不同厚度非飽和帶才能最終到達地下水中，因此，對非飽和帶地下水污染遷移機理研究又成為了當前地下水科學與工程研究的熱點和難點[13-15]。

基巖山區固廢填埋場選址問題成為了制約當地經濟發展的關鍵因素，尤其是對于類似云南省以山地為主的地區，固廢填埋場選址問題尤為關鍵，如何平衡固廢填埋場選址與地下水環境保護之間的關系至關重要。如上所述，對于基巖山區，固廢污染源及滲濾液發生意外滲漏之后主要隨降雨入滲補給地下水，從而造成地下水污染，而從目前文獻調研發現對于上覆覆蓋巨厚非飽和基巖裂隙-巖溶含水層的場地研究很少。為此，本文以云南某生活垃圾填埋場建設項目選址為例，探討此類特殊場地水文地質條件下項目建設對地下水環境造成污染的影響，開展非飽和帶-巖溶非均質含水層地下水污染風險分析，為類似場地水文地質條件下地下水污染評估及健康風險分析提供參考。

1 ?擬建項目區水文地質條件特征

1.1 項目區水文地質概況

根據本文水文地質調查研究表明項目區正好位于泥盆系上統（D3）白云巖夾白云質灰巖碳酸鹽巖巖溶含水層，而調查區為一個相對獨立完整的水文地質單元，水文地質單元范圍內巖溶含水層主要為泥盆系中上統（D2～3）碳酸鹽巖巖溶含水層（見圖1）。根據水文地質調查發現項目區北側以斷層為隔水邊界，西側以泥盆系中統海口組（D2h）砂巖、頁巖隔水層為隔水邊界，東側以觀音山河為邊界，南側以曲江為邊界，由此，整個項目區及周邊較小范圍區域構成一個相對獨立完整的水文地質單元。

1.2 評價區構造水文地質特征

從上述區域水文地質圖1和剖面圖2中可以看出，評價區范圍內出露的斷層主要為F1、F2、F3、F4和F5。評價區主要受這5條斷層的控制。其中與項目場地水文地質單元關系較為密切的主要為F1、F4和F5斷層，斷層地質特征如下：

1.2.1 F1和F5南北向斷層

這兩條斷層在評價區范圍內走向近南北向，F1斷層距離項目區較近，直線距離約550m，如圖3所示，斷層東側出露地層為泥盆系中統海口組（D2h）粉砂巖及頁巖隔水層，而東側出露地層則為石炭系中統威寧群（C2w）石灰巖夾白云巖巖溶含水層。擬建項目西側出露的海口組薄層狀粉砂巖及頁巖隔水層產狀為76°∠50°，巖層傾斜向東，結合區域水文地質圖和剖面圖（圖1、2）可以看出，F1斷層東側的海口組粉砂巖及頁巖隔水層構成了擬建項目區場地西側的隔水邊界，同時海口組的粉砂巖及頁巖隔水層也構成了F1以西大片泥盆系和石炭系巖溶含水層的隔水邊界，F1和F5之間夾的大片泥盆系和石炭系碳酸鹽巖巖溶含水層，在受F1導水斷裂及東側海口組粉砂巖及頁巖隔水層的共同作用下，地下水沿著F1斷層向南側曲江徑流，最終以泉（GW4大龍潭泉點）的形式排泄于曲江。整體上F1和F5具有一定的左行走滑特征，這兩條斷層的及泥盆系中統海口組粉砂巖及頁巖隔水層共同作用構成了本文項目區的西側隔水邊界。

1.2.2 F4斷層

受區域北西南東向區域斷裂的控制，F4斷層整體走向近北西南東向，如圖4所示，斷層南西側主要出露地層為泥盆系上統（D3）灰白色白云巖夾白云質灰巖，為擬建填埋場出露巖層，而斷層北東側主要出露巖層為震旦系陡山沱組（Zbd）粉砂巖、板巖夾白云巖，該斷層構成了項目區北側隔水邊界。

1.2.3 F2和F3斷層

如圖1所示，F2和F3斷層位于本文調查范圍南側及東側，受區域斷層的控制，F2斷層主要出露于評價區南側曲江一帶，走向北東南西，該斷層切斷曲江南側出露的大片泥盆系和石炭系巖溶含水層，而F3則位于調查區東側，斷層走向近南北向，與F1近于平行，F3東側為泥盆系上統灰巖巖溶含水層，而西側為泥盆系中統海口組（D2h）粉砂巖及頁巖隔水層，從圖2區域水文地質剖面圖可以看出，F3斷層與F1斷層與海口組粉砂巖及頁巖隔水層共同作用構造項目區向斜盆地兩側的隔水邊界。

1.3 地下水補徑排條件

區域地下水類型以碳酸鹽巖巖溶水、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖成夾層型的巖溶水（如圖1所示）。結合圖1和2和區域地質資料，根據鉆孔勘察資料顯示項目場地所處泥盆系上統（D3）碳酸鹽巖巖溶水含水層較為豐富，地下水徑流運移多集中于巖溶裂隙及溶蝕裂隙中，而碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖成夾層型的巖溶水主要賦存于震旦系陡山沱組（Zbd）粉砂巖、板巖夾白云巖中，富水性相對較弱，評價區范圍內主要受近南北向斷層構造的控制，地下水主要受大氣降水入滲補給，順著溶蝕裂隙及層間裂隙徑流，最終以巖溶泉（GW4大龍潭泉點）及地表徑流（觀音山河）的形式排泄于南側的曲江，曲江為評價區最低侵蝕基準面。整體上評價區地下水補徑排條件較為清晰，地下水整體上由北向南徑流，最終以泉及側向補給河流的形式排泄于南側曲江。

2 ?地下水污染風險分析

根據前述對擬建項目場地水文地質條件分析顯示，項目場地全部分布于泥盆系上統（D3）碳酸鹽巖巖溶水含水層，根據2個水文地質勘察深鉆發現場地地下水位埋深很深，大于300m，且填埋區上覆覆蓋厚度不等的紅粘土層。因此，本文地下水污染風險分析及預測主要針對非正常情況下，垃圾填埋場的填埋區及滲濾液調節池發生意外滲漏條件下對地下水環境的影響進行預測和分析。鑒于本文項目場地水文地質條件比較特殊，本文地下水環境影響預測采用解析法進行預測分析，由于擬建項目區地下水位埋深較深，雨季埋深約為314m，而旱季埋深約為340m，因此，本文地下水環境影響預測采用一維滲流模型，通過解析法預測填埋區及滲濾液調節池防滲膜破損導致滲濾液下滲到下伏泥盆系巖溶含水層地下水的濃度，從而分析其對周邊地下水環境造成的影響。

根據項目區非飽和帶厚度約為300m，本文預測先選用一維無限長多孔介質柱體模型計算瞬時泄露條件下，污染物能否穿透300m厚包氣帶到達地下水。本文選擇滲濾液作為源強進行預測計算，假設防滲膜破損導致滲濾液意外泄露100kg進入到下伏巨厚泥盆系灰巖包氣帶中，根據《環境影響評價技術導則地下水環境》（HJ610-2016）[5]附錄F.3.2.1一維半無限長多孔介質模型，污染物瞬時注入：

從圖5可以看出，擬建垃圾填埋區及滲濾液調節池發生意外滲漏下滲到下伏泥盆系上統（D3）巖溶含水層，約在600天后到達地下水中的氨氮濃度達到峰值，濃度為121mg/L，高于《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標準0.5mg/L。

3 ?結果與討論

從圖5可以看出，垃圾填埋場瞬時泄漏100天處理完畢條件下，約在600天后特征泄漏的特征污染物到達含水層中的峰值濃度高達121mg/L，遠遠低于擬建項目區滲濾液氨氮濃度1050mg/L，但高于《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）Ⅲ類標準0.5mg/L。而結合本文場地的水文地質條件可以看出，鑒于項目區場地水文地質條件比較特殊，本文應用導則[5]公式（D.1）進行定量計算預測分析過程中還簡化了2點，第一，項目區所處的巖溶含水層，上覆覆蓋厚度不等的紅粘土風化層，防滲膜系統破損條件下，填埋場下伏厚度不等的紅粘土層對特征污染物還有很大的阻滯及吸附作用，而本文解析法預測忽略了這部分的影響，如果考慮這部分阻滯及吸附作用，到達下伏巖溶含水層的濃度將遠低于121mg/L，且到達時間也將大于600天;第二，本文選用導則[5]中垂向一維半無限長多孔介質模型（D.1）進行預測時，本身模型已經概化為飽和滲流模型進行計算，因此，如果采用非飽和模型進行預測計算，則到達巖溶含水層中的特征污染物濃度將進一步減小，同時到達時間將進一步延遲。

基于上述2點可以看出，目前對地下水污染定量評價模型中，導則[5]中的解析模型均只考慮了特征污染物直接進入含水層的情景，而未考慮特征污染物到達含水層之前非飽和帶和人工填土及第四系覆蓋的粘土層的阻滯作用，因此，預測結果往往偏大，即風險偏大。當然，由于不同地區不同地質及水文地質條件差異較大，尤其是在我國西南基巖山區非飽和帶厚度差異較大，因此進行地下水污染風險分析及評價過程中，必須考慮非飽和帶及粘土層的阻滯作用，在此基礎上進行地下水污染風險評估，才有可能更為合理的評價項目對地下水環境的影響。

綜上所述，目前對于地下水環境影響風險評價過程中，對于污染物從人類活動密切的表層進入到下伏潛水或承壓水含水層過程中穿透非飽和帶和粘土層所需要的時間考慮較少，對于非飽和帶的滲流和場地試驗研究雖然較多[15-17]，但對于定量化應用于地下水污染風險評估的應用研究較少，因此，對于開展第四系粘土覆蓋層和基巖山區非飽和帶厚度較厚的含水層地下水污染風險評價過程中，應考慮這部分對特征污染物的阻滯作用，從而減少評估結果風險偏大，從而造成對項目選址結論的影響。此外，鑒于類似本文舉例的此類項目場地，雖然非飽和帶和紅粘土層對特征污染物阻滯及吸附作用明顯，但此類項目場地建設過程中，仍需嚴格做好防滲工作，因為一旦發生意外滲漏，特征污染物進入巨厚非飽和帶碳酸鹽巖裂隙中，想要開展地下水污染修復等補救措施的難度極大，因此，在項目區建設過程中應采取嚴格的防滲措施，同時做好下游分散式飲用水源的替代方案，一旦發現異常應及時采取替代措施。

4 ?結論

本文以云南某垃圾填埋場項目區地下水污染風險分析為例，通過水文地質調查及勘察，在查明擬建項目區水文地質條件基礎上進行地下水污染風險分析及預測，通過研究主要獲得以下認識：

①擬建垃圾填埋場處于巨厚巖溶非飽和帶（>300m）巖溶含水層，垂向一維滲流及污染物遷移預測結果表明巨厚非飽和帶對高濃度特征污染物具有明顯阻滯及延遲作用。

②通過地下水環境影響預測及風險分析結果顯示，擬建項目在風險條件下對周邊地下水環境造成污染風險概率較小，主要與上覆紅粘土層滲透系數較小及非飽和帶碳酸鹽巖介質厚度較大密切相關。

③雖然項目對地下水污染風險較小，但一旦泄露造成碳酸鹽巖非飽和帶污染，修復難度極大，此外，對于下游潛在飲用水源地應做好水源替代方案。

④對于紅粘土-非飽和帶巖溶含水層地下水污染風險分析及評估問題十分復雜，目前沒有成熟模型可以借鑒，因此，粘土非飽和帶-非均質含水層地下水污染遷移機理及風險預測數學模型有待進一步研究。

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