系统工程原理在某复杂岩溶渗漏污染治理的应用

钟春里,郑明英

(贵州大学资源与环境工程学院,贵州 贵阳 550003)

0 引言

系统工程是本世纪 40～50年代崛起的一门新兴学科,它具有高度综合的功能,也是一种现代化的组织和管理方法。其研究的方法论是把研究对象看作一个系统整体,同时把研究过程也看作一个整体。基于系统整体化的概念,人们建立起一系列衡量系统效果的综合性指标。在实践中,某些技术措施从局部来看效果是好的,但从全局来看效果就不一定好;另外有些组织技术措施从局部来看效果不太理想,但从整体来看却有应用的价值。因此,只有根据整个系统的总目标来分析,才能做出科学的判断。

岩溶渗漏污染是在岩溶地区固体废弃物堆场面临的突出问题。治理该类问题往往是借鉴水库渗漏治理的方法,其一般思路是：结合 1地质构造的情况进行水文地质调查,在此基础上进行水文地质钻探或者使用物探手段和水文地质钻探相结合的方法勘察,探明渗漏点后,然后进行施工治理。但是固体堆库渗漏治理比起水库这种液体库渗漏治理存在诸多的不同点,一些勘察手段很难实施,比如直接的示踪连通试验。另外,岩溶发育的各向异性,受构造影响裂隙与管道交错,具有多重空间结构,也给勘察治理工作带来极大困难。对于场地地质条件相对简单或者地质勘探资料比较齐整的情况下,一般的工作思路方法可以胜任。但是面对地质条件比较复杂的岩溶渗漏污染问题,这类方法还是显得比较单薄,工程投入巨大,而收效甚微。而从系统工程原理的观点出发,寻求一种新的治理模式,则显得相对合理。

1 岩溶渗漏污染的复杂性举例

1.1 污染概况

该堆场位于裸露型岩溶地区,堆放固体物为磷石膏。堆场总体呈南东—北西块状展布,长约 1 200 m,平均宽约700m,面积约 90万 m2,填埋高程 870～942m,有效库容约2875万 m3。2009年以来,堆场附近某河一岩溶大泉发现溢出的水呈乳白色,ph在 2.5～5.0浮动,总磷、氟化物含量均超出国家工业污水排放标准近千倍,使该河水质受到了严重污染,堆场距离污染物出露点直线距离约 11 km。

1.2 地质条件复杂性

场区地处云贵高原之上的裸露岩溶区,地貌发育受喀斯特高原第三个发育时期即峡谷期影响最为强烈,期内地壳强烈抬升,江河深切。岩溶发育主要集中干沿河两侧的岸坡地带,且以岩溶的垂直发育为主。在新构造运动的制约下,岩溶发育特征表现在强烈适应其变化的基准面上,在距排水道较远的地方,落水洞及漏斗等大量分布。造成强烈吸取地面水,井引向地下深处。岩层组合结构为三叠系中统松子坎组(T2s)、下统茅草铺组(T1m)和下统夜郎组(T1y)。其中茅草铺组(T1m)灰岩广泛出露,层厚 110～200m。场区内有多条断裂带穿越,附近串珠状落水洞大量分布。

2 工作面临的难度

2.1 前期勘察

前期已做的水文地质勘察中,共做高密度电法勘察剖面总长 1.41 km;水文地质勘察钻孔 24个,并部分进行电磁波CT探测;在不同钻孔进行抽水试验 7次。在以上工作开展后,得到的成果为：基本探明地下水埋深,深度 90～130m;隔水层夜郎组(T1y)泥岩高程在 700～740m。在高程 750m附近仍然发现有溶洞发育;大部分水文地质钻孔无水或者仅仅几立方米的水量,水量较大的钻孔在抽水试验过程中水质无明显变化,未检查到污染物踪迹。以上工作成果虽然为下一步的防渗治理工作提供了依据,但仍然没有切中渗漏部位关键点,下一步工作仍需极大的投入。

2.2 初步治理

总结勘察成果的基础上,在最可能渗漏地段进行高程815m以下帷幕灌浆长度近 100 m,经过一段时间后发现泄漏点污染物浓度有所下降。但是此时正逢雨季,岩溶泉出水量暴增数倍,是否是由于帷幕灌浆堵漏导致的污染物浓度下降,变得不确定。

3 系统工程原理应用

3.1 工程对象的系统化

为了使工程的治理工作变得有据可循,单纯的从一方面入手就显得困难重重。只有用系统观点的整体性出发把整个过程统一起来,从各方面的相关性、目的性等特征相互串联,互为提供依据,环环相扣,最后达到合理性的目标。

因此,对以上复杂的岩溶渗漏污染治理工程的对象不应该是一个存在渗漏的磷石膏堆场,而应该是磷石膏堆场与污染物出口之间的整个区域及其与此相关的气象水文条件、地下水系统、污染物的迁移变化因素等这些条件所组成的系统。可以划分的结构如图 1所示：

图1 工程对象系统的组成示意图

以上的划分只是根据具体工程的实施需要而进行,地质系统是一个十分复杂的系统,即使研究区范围很小,完全把所有因素都考虑进去的话,结构也将很庞大,反而不利于快速有效的解决问题。

3.2 治理工程系统化

针对以上工程对象,将整个治理工程视为一个整体,由众多分支工程组成。如图 2所示：

图2 渗漏污染治理工程组成示意图

显然将整个渗漏污染治理工程视为一个整体的话,其内部的要素之间是存在密切联系的。如图 3所示：

图3 各系统子工程关系结构示意图

4 各系统子工程运作及协作关系

4.1 监测工程

(1)进行区域水文监测,对污染物出口进行水流量和污染物浓度长期动态监测,绘制降水量(P)～出口水流量(Q)～污染物浓度(X)曲线。根据泉水流量反映降雨的密切程度随着岩溶水文地质的变化而不同,利用流量(Q)和降雨量(P)两个数间存在的一种统计相关关系,推求两者间线性回归方程。此外,可据此反求降雨补给面积(F)的大小,从而确定整个系统的地理边界,以利于缩小勘察边界。

(2)在现有技术条件下对磷石膏堆场及其回水库水量进行长期动态观测。由于堆场的不规则性,对堆场的初始监测水量(ΔQ)的量取虽然不能做到十分的准确,但是通过一定的时间段内对输入量(Q输入)和回水利用量进行监测,可获得监测结果值：

根据①式,监测结果水量与初始监测水量存在差值。而这部分差值即是渗漏量。

(3)综合(1)与(2)利用下式,可以得出出水口流量的各水量的划分值：

②、③式中：

Q为污染出水口水量(m3);X′为磷石膏堆场内污染物浓度值(mg′L);P′;降雨影响增加水量(m3),可由 4.1(1)中所得线性回归方程求出。

综上可以看出监测工作是至关重要一个环节,它为以后施工治理工程效果的好坏提供基本的参考依据。

5 勘察工程

进行地貌调查,在堆场外围地下河露头点采用示踪连通试验等手段,查明地表水和地下水的联系,根据监测工程中取得的成果,进一步缩小工程对象系统的边界。在综合物探的基础上,进行水文地质钻探和抽水试验。

在抽水试验中,除了收集水文地质参数外,对水质随时间的变化也要实施监测。在现场可以进行简单的 pH值变化观测,并在抽水时间段内不同时间点取水样送往实验室进行化验。

勘察工程是整个治理工程的关键,实施效果的好坏对下一步的施工治理有着主导的指导作用。然而在大量的勘察工作进行后依然达不到预期的效果时,则需考虑在已有勘察成果的基础上进行适当的施工治理工作。

6 施工工程

在一般的渗漏治理工作中,原则上应在勘察得出最终成果后,即查明渗漏点后,方可以进行施工工程来进行堵漏治理工作,然而,该场区占地面积大,岩溶发育复杂,勘察难度极大,倘若遵循该工作方法,即使最终达到了目的,付出的各方面的代价是极大的。除了极大的时间成本外,在该时间段内,对地下水环境造成的破坏以及对河流下游种植业养殖业的损害也是巨大的。综合各方面的利益考虑,在勘察工作取得阶段性进展的情况下采取适当的施工治理工作,是十分必要的。

施工工作的开展是比较重要的一环。由于场地岩溶发育的复杂性,在现有的勘察技术条件下,勘察工作并不能够保证百分之百的查明所有的水文地质情况,施工则可以最大范围的处理问题。在此,施工也是相当于对勘察的查漏补缺。而一旦在施工过程中,监测工作在出水口得到了污染物浓度值的变化是在降雨影响范围之外,则说明施工取得了成效,也为下一步的勘察工作场地布置提供了依据。

7 结论

上面讨论的应用举例只是比较简略的系统工程方法划分。在实际工作中,我们面对复杂的地质问题,首先应该形成系统性观念,不能只是头痛医头脚痛医脚,只重视直接解决问题的方法,并不在意问题涉及的其他影响因素,到最后,浪费了大量的时间成本和工程成本之后,对问题是否得到了真正的解决,也说不出个其所以然。

系统工程看似很复杂,但从其基本原理观点出发,针对工程实践中遇到的复杂问题,去繁取简,把握整体,具体问题具体分析,对工程系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究,便能达到最优化设计,最优控制和最优管理的目标。

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