地下水封洞庫工程環(huán)境水質監(jiān)測設計研究

文富勇

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙440014）

0 引言

地下水封洞庫是通過在地下水位線以下一定的深度，通過在地下開挖洞室群，利用圍巖中地下水形成的水幕產(chǎn)生的靜壓力水封存儲介質，使得介質封存在地下空間里，從而達到水封存儲介質的目的[1]，如圖1 為某地下水封洞庫工程結構布置圖。

通常情況下，地下水封洞庫主要用于存儲原油、液化石油氣等介質，此類介質為碳氫化合物，主要由碳、氫組成，以及微量的氧、硫、金屬等元素[2]。目前，由碳和氫組成石油烴類包括有苯、甲苯、乙苯類異構體，已被多數(shù)國家列入危險物質[3]。經(jīng)調查研究表明，石油類碳氫化合物能引起新陳代謝轉換，破壞造血細胞，導致白血病以及具有致癌性等毒性。

地下水封洞庫主要由主洞室、施工巷道、水幕系統(tǒng)及豎井組成，存儲介質主要是存放在主洞室內，然后通過水幕系統(tǒng)形成的水封壓力將存儲介質封閉控制在主洞室內，因此，當?shù)叵滤痪€下降，且水幕補給系統(tǒng)未能及時補給地下水時，將導致地下水封壓力減小，此時存儲介質將不再受水封壓力的控制將同時向上和向周邊擴散。由于地下水封洞庫一般都選建在巖石結構條件較好的山體中，離居民生活區(qū)均不遠，儲存介質含有毒性，能夠對地下水源造成污染和破壞，因此，一旦發(fā)生事故將對周邊一定影響范圍內植被生長以及居民飲用水造成危害，危及居民日常生活。地下水被石油類污染后，雖可以采取一定的治理措施，治理難度大，成本高，對較大范圍內污染治理效果不明顯。為了確保周邊一定范圍內地下水不被污染，同時也確保當污染發(fā)生時，能夠有效的監(jiān)控和了解到地下水污染影響情況，因此，必須對地下水封洞庫周邊一定范圍內地下水水質進行監(jiān)測，并實時監(jiān)控和分析評判水質變化情況。

圖1 某地下水封洞庫工程結構布置圖

1 污染質彌散原理及彌散模型

地下水封洞庫存儲的石油類物質一般均為輕的非水溶相液體，當泄漏到地下水中后，將在污染源臨近浮于地下水表面上形成浮油，其向下緩慢移動，溶于地下水中石油類污染質將在地下水流動作用下向周邊擴散。地下石油類污染運移的過程非常復雜，其污染的形成機制主要從3個方面進行研究，即分子水平，微觀水平和宏觀水平[3]。

在地下結構介質內，由于孔隙的存在，使得通過孔隙橫斷面上流速分布的大小、方向不均一。①同一孔隙中，地下水質點流速不等于實際平均流速由于流體的粘滯性，使得單個孔隙通道軸處的流速大，固體表面處的流速接近于零。②不同孔隙中地下水質點實際流速是不同的。將地下結構地下水質點的速度平均化，即

污染質濃度不均一使得污染質存在濃度梯度，污染質由高濃度處轉移至低濃度處，促使?jié)舛染弧＿@種污染致運移現(xiàn)象，稱為分子擴散。

機械彌散和分子擴散合起來為水動力彌散現(xiàn)象。機械彌散使得污染質沿著微觀的地下結構轉移，分子擴散主要使得周圍濃度趨于均一性。在一般情況下，機械彌散在總的彌散中是主要的，當流速甚小時，分子擴散的作用將變得明顯[5]。顯然，水動力彌散使污染質沿平均流動方向和垂直于平均流動方向擴展，即呈縱向橫向彌散。

污染質對流遷移的數(shù)量與污染質的濃度和地下水流速有關，即Ik=C·u

式中Ik為污染質對流遷移量，mg/（m2.s）；C 為污染質在地下水中的濃度，mg/m3，u 為地下水平均流速度，m/s。

由于地下結構中地下水污染質存在有對流、水動力彌散和吸附等現(xiàn)象，因此，應仔細研究地下水封洞庫地下水污染質水動力彌散等現(xiàn)象，使得當?shù)叵滤舛磶齑鎯橘|發(fā)生事故后能夠快速實時的監(jiān)控和了解地下水污染質的轉移和遷移，確保地下水封洞庫周邊范圍環(huán)境水質健康。系統(tǒng)的研究污染質水動力彌散現(xiàn)象能夠快速模擬出污染質的運移路徑，預測出污染質的影響范圍和影響程度，能夠為快速高效的制定最佳治理方案提供有效的依據(jù)和基礎，同時也能為水封壓力監(jiān)測系統(tǒng)提供信息反饋，確保足夠的地下水封壓力。

2 環(huán)境水質監(jiān)測方法與技術

合理的水質分析監(jiān)測方法是取得準確結果的關鍵。選擇水質分析監(jiān)測方法應遵循的原則是：靈敏度滿足定量分析要求；方法可靠、準確；操作簡便，抗干擾能力好[6]。

水質分析時，先進行定性分析，然后做定量分析，由于水質分析監(jiān)測項目大都是已知的，僅由于地區(qū)不同，組分含量有所差異，所以勿需進行定性分析，可直接進行定量分析測定組分的含量。

地下水封洞庫地下水污染質一般為石油類混合物，根據(jù)國家環(huán)保局主編的《水和廢水監(jiān)測分析方法》、《地面水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）和《煤炭工業(yè)污染物排放標準》（GB20426-2006）石油烴類混合物的水質分析監(jiān)測方法主要選配質量法、紅外分光光度法、紫外分光光度法、熒光光度法等。

由于《水和廢水監(jiān)測分析方法》和《地面水環(huán)境質量標準》（GB3838-2002）中選配的石油類監(jiān)測分析方法中，紫外法和熒光法雖靈敏度高，但由于標準油獲取較難，因此，在國外推薦采用重量法和紅外法。我國在與環(huán)境標準配套的分析方法中，《地面水環(huán)境質量標準》和《煤炭工業(yè)污染物排放標準》（GB20426-2006）選配紅外分光光度法。因此，綜合考慮地下水封洞庫工程水質分析監(jiān)測選用紅外分光度法，當出現(xiàn)高含油水樣時可采用重量法進行配合分析。

地下水封洞庫主要用于存儲原油和LPG 液化石油氣等介質，其污染質在地下水中含量隨著污染源離影響區(qū)的遠近有明確的關系，即濃度將有高有低，因此，在對地下水封洞庫地下水水質分析監(jiān)測時，優(yōu)先選用紅外分光光度法，并根據(jù)工程具體情況結合使用質量法進行分析。

3 環(huán)境水質分析監(jiān)測設計

地下水封洞庫工程包括地下工程和地上輔助設施兩部分，地下工程主要包括施工巷道、主洞室、豎井及水幕巷道等結構，主洞室按一定方位并行布置，每2～3 個主洞室通過連接巷道相連組成一個罐體[1]，水幕巷道沿主洞室頂部一定高程分平行于主洞室和垂直于主洞室兩個方向布置，并從水幕巷道沿平行于主洞室方向布置水幕孔，施工巷道主要沿主洞室周邊布置，為施工期運渣、交通提供條件。

地下水封洞庫處于穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度（5m 為宜），通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室，利用穩(wěn)定地下水的水封作用密封儲存在洞室內的石油類介質[1]。由于地下水封洞庫均布置在一定埋深的地下巖體內，其上部一般為一定高度山體，因此，在這樣地質構造條件下，地下水呈一定的梯度變化，并在地下水自然梯度和人工水幕系統(tǒng)的作用下，地下水封洞庫處于一個相對穩(wěn)定的地下水滲流場中。當這個共同作用遭到破壞或影響，存儲介質將在地下水水力梯度的作用下產(chǎn)生對流彌散現(xiàn)象，影響和破壞周邊地下水結構性態(tài)。為了及時和實時了解地下水質變化情況，需在地下水封洞庫周邊一定影響范圍內布設水質分析監(jiān)測點[1]。

水質分析監(jiān)測點的布設關系到監(jiān)測數(shù)據(jù)是否具有代表性，是否能夠真實的反應地下水水質情況及污染發(fā)展趨勢。為了獲得完整的地下水監(jiān)測信息，從理論上，監(jiān)測空間、時間分辨率越高越好，但單純追求和實現(xiàn)高分辨率的空間和時間監(jiān)測，不論從經(jīng)濟觀點，還是實踐觀點上看，是難以實現(xiàn)的。

根據(jù)地下水污染質運移原理的研究表明地下水封洞庫工程地下水污染質運移滿足對流-彌散型水質模型，并通過求解地下水污染質對流-彌散型水質模型確定污染區(qū)的范圍，預防地下水的進一步污染；確定污染質運移路徑，積極采取措施污染治理措施；根據(jù)水質分布及發(fā)展趨勢，指導水質分析監(jiān)測設計；預計污染的地下水層天然凈化所需要的時間；反饋結構設計和布置的方案，為后續(xù)類似結構設計提供技術支持；為管理和決策部門提供污染治理與防治的定量信息。因此，地下水水質分析監(jiān)測設計應結合污染質運移原理布設。

①地下水封洞庫污染源為主洞室內存儲的石油類介質，存儲介質在足夠的地下水封壓力作用下，被地下水封閉在主洞室內。但當?shù)叵滤庀到y(tǒng)遭到破壞或者水封壓力不足時，由于石油類存儲介質運移規(guī)律滿足污染質對流-彌散型水質模型，將在濃度梯度和孔隙流速不均一作用下向庫區(qū)四周發(fā)生分子擴散和機械彌散，因此，沿地下水封洞庫四周均勻布設一排地下水水質分析監(jiān)測點，以及時了解和掌握庫區(qū)周邊范圍內水質變化情況。

②根據(jù)地下水污染質對流-彌散型水質模型可知，污染質濃度與地下結構的滲透系數(shù)k、平均孔隙流速、有效孔隙率n 等參數(shù)有關，因此，地下水污染質運移和擴散是一個緩慢運動的過程，其向周邊一定范圍內擴散是需要時間的，且在運移過程中將伴隨著污染質自身濃度的衰減。地下水水質分析監(jiān)測設計必須實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控地下水污染質運移過程，掌握其運移路徑，因此，監(jiān)測設計除在地下水封洞庫四周均勻布設一排地下水質分析監(jiān)測點外，還應研究和分析地下水封洞庫地下水結構及地質情況，在污染質可能發(fā)生運移路徑線路上布設地下水水質分析監(jiān)測點，以實現(xiàn)地下水水質分析跟蹤監(jiān)測，及時了解地下水的實際影響范圍，避免對周邊居民生活用水及植被生態(tài)系統(tǒng)造成破壞和損害。

③通過在庫區(qū)周邊以及污染質可能發(fā)生運移的路徑上布置地下水水質分析監(jiān)測點，基本上能夠掌握地下水污染范圍及發(fā)展路徑，能夠及時采取相應的污染質治理措施避免事故的擴大。地下巖體結構是一個復雜結構，其孔隙和裂隙發(fā)育情況均很難具體摸清，且又受水幕系統(tǒng)控制的影響，污染質實際運移過程不可能嚴格滿足污染質對流-彌散型水質模型，因此，還應在庫區(qū)周邊一定范圍內補充布置一些地下水質分析監(jiān)測點，以實現(xiàn)全面了解庫區(qū)周邊地下水水質變化情況。

④為了檢驗和補充驗證地下水水質監(jiān)測設計效果，應選擇在庫區(qū)周邊一定范圍內地下水匯流區(qū)和出水點布設一定數(shù)量的水質監(jiān)測點。

⑤由于地下水封洞庫石油類存儲介質的密度相對于水的密度較小，在足夠的水封壓力情況下，存儲介質將在水封壓力的作用下封閉在主洞室內不會向上運移，但當水封壓力不足時，石油類存儲介質將在向上運移進行地下水中，并在水力梯度的影響下向周邊擴散，因此，為了完整的了解和掌握整個地下水封洞庫地下水水質變化情況，同時也將與周邊范圍內的地下水質分析監(jiān)測點進行對比分析，在主洞室區(qū)頂部范圍內布設一定數(shù)量的地下水水質分析監(jiān)測點，主要沿地下水水力梯度方向以及污染質對流-彌散型水質模型計算結果表明污染質可能運移的路徑布設。

⑥根據(jù)地下水封洞庫結構情況，建立地下水污染質對流-彌散型水質模型，利用模型進行模擬和演算地下水污染質運移路徑，確定地下水污染質的影響范圍，然后模型計算結果對原布設方案進行優(yōu)化，測點布置應主要基本集中在污染質的運移路徑，測點應盡量布置在污染質的影響范圍，同時也可以在影響范圍外布設少量的測點，以對比分析污染質影響范圍內外的水質變化情況。

⑦由于地下水水質分析監(jiān)測主要是對運行期地下水封洞庫儲油效果的檢驗，因此，施工期間可以結合利用地質和水文專業(yè)的地下水位監(jiān)測孔模擬地下水污染，即采用示蹤劑作為污染源，然后跟蹤分析庫區(qū)范圍地下水水質情況，根據(jù)分析結果并結合污染質對流-彌散型水質模型計算結果，對地下水水質分析監(jiān)測布置方案進行優(yōu)化。

4 結論

本文提出了優(yōu)先選用紅外分光光度法并結合使用質量法的環(huán)境水質監(jiān)測分析方法，提出了環(huán)境水質監(jiān)測設計方案，有利于實現(xiàn)地下水封洞庫環(huán)境水質情況的實時監(jiān)控，確保地下水封洞庫健康、安全的運行。