基于GMS模拟预测硫酸储罐泄漏对地下水环境的污染——以南宁某饲料添加剂厂为例

梁一敏,蓝俊康

(桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西 桂林 541006)

硫酸在工业生产中有着重要地位,它是化肥、医药、冶金、染料、化纤、精细化工、矿物加工、制药、石油炼制和各类有机无机化工行业不可或缺的催化剂、溶剂和生产原料[1]。但硫酸具有强烈的腐蚀性和氧化性,属于危险性极大的8.1类酸性腐蚀品[2],硫酸储罐一旦发生泄漏后可能引发火灾、爆炸、中毒等事故。资料显示,引发硫酸储罐泄漏的原因很多,主要有储运设施缺乏维护,罐体或管道开裂[3],地震、大风等自然灾害使硫酸储罐发生倾覆和滑移,制罐工艺技术不合格、设备(材料)固有缺陷[4]等。

1 研究区的水文地质条件

1.1 自然地理概况

研究区位于广西南宁市某工业区内,区内为低山丘陵地貌,地面标高65～120 m,项目西侧为郁江,东为甘棠河,两条河流地势均较低(地面标高65 m),河间的分水岭处较高(图1)。区内为亚热带季风气候, 雨量较为充沛, 多年平均降雨量为1 427 mm,降雨主要集中在4—9月。

1.2 地层岩性

根据水文地质测绘和区域地质资料,研究区内地下水类型主要有: 松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水两大类,其岩性及富水性如下:

图1 区域水文地质图Fig.1 Regional hydrogeological map1—裸露型岩溶水,水量中等;2—裸露型岩溶水,水量贫乏;3—覆盖型岩溶水,水量中等;4—覆盖型岩溶水,红层钙质砾岩裂隙岩溶水,水量贫乏;5—层状基岩裂隙水,水量丰富;6—层状基岩裂隙水,水量中等;7—分水岭;8—居民区;9—河流;10—地层界线;11—水文孔及其编号;12—地表水水位、水质监测点;13—地下水位观测点;14—地下水流向;15—项目生产车间轮廓；16—样号

(1)松散岩类含水岩组。其岩性主要包括填土(Qml)、 耕表土(Qh)及残积土成因的粉质粘土(Qel),厚度0.5～4.2 m,富水性弱-中等。

(2)孔隙裂隙含水岩组。具体包括:

① 古新统(E1):上部含砾粗砂岩,不等粒砂岩,含水中等,泉水流量1～50 L/s;

② 古近系始新统(E2):底部砾岩或砾状砂岩,下部含砾粗砂岩、砾状砂岩,上部泥岩、砂岩,富水性弱,泉水流量0.1～1.0 L/s。

③ 白垩系(K):粉砂岩;灰黄色、棕红色,局部夹薄层泥质粉砂岩或粉砂质泥岩,富水性弱-中,泉水流量0.1～50 L/s。

④ 泥盆系(D):东岗岭组(D2d)和榴江组(D3l)，中—厚层状灰岩,局部夹少量硅质岩、白云岩、生物灰岩,含水量中等,枯季泉水流量2.0～6.0 L/s。

1.3 地质构造及地震

研究区在区域地质构造上处于NEE向高峰-昆仑关复式背斜之高峰背斜南翼, 表现为向SSE 倾斜的单斜构造,调查区内无大的断裂带通过(图1)。该地区建筑抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g。据历史记载没有4级及以上的地震发生。

1.4 地下水的补径排特征

研究区内的地下水主要靠大气降雨的补给[5]。受地形的控制,区内地下水流向由河间的分水岭向两侧河流(即郁江和甘棠河)排泄。项目所在地的地下水流则向东排入甘棠河。因地层的透水性和富水性差,研究区内没有水井,地下水的排泄主要通过径流向附近的江河排泄。

1.5 水文地球化学特征

2 水文地质勘察

2.1 水文地质测绘

在评价区内开展1∶10 000的区域地质和水文地质综合调查,面积约18 km2,以查明调查区内的水文地质条件并划分出项目区所在的水文地质单元,获得项目的区域水文地质图(图1)。然后对项目所在水文地质单元区进行水文地质详查,重点调查该区域内的企业分布特点、民井分布规律、含水介质的富水性及渗透性、地下水的补排特征、地下水位及水质情况。同时对地下水露头处和河水位进行统一的水位观测。

2.2 钻探

因项目区所在的水文地质单元内地下水的露头过少(天然露头仅4处), 需补钻5个水文孔。 其位置分别为:厂区内上游1个(ZK2)、 厂区1个(ZK1)、 厂区西侧1个(ZK3)、 厂区下游2个(ZK4、 ZK5)。 这些水文孔的孔径均为130 mm, 孔深10～30 m, 套管护壁, 钻孔深度以钻到地下水位之下10 m或深入到微风化细砂岩或微风化砾岩(以微风化层为含水层的底板)为止。

2.3 水位监测

在项目区所在的水文地质单元内设立9处地下水水位监测点,利用电测水位计进行监测,同时在郁江和甘棠河也分别设点监测河水位。水位监测频率为每月1次,连续监测9个月(跨越丰、 平、 枯水期)。

表1 2017年7月25日各监测点的水位监测值

2.4 水文地质试验

由于研究区地层的透水性较差,抽水试验不适宜采用,改用注水试验求参。在勘察阶段分别对ZK2、ZK3、ZK4孔的强风化层和中风化层分别作了钻孔的注水试验。

对于常水头注水试验,当试段位于地下水位以下时,测试土层的渗透系数,按《水利水电工程注水试验规程》(SL 345—2007)推荐的公式计算。即[6]

(1)

式中:K为试验土层的渗透系数(cm/s);Q为注入流量(L/min);H为试验水头(cm), 为试验水位与地下水位之差;A为形状系数(cm), 按下式求得。

(2)

对于降水头注水试验,岩土层的渗透系数也按《水利水电工程注水试验规程》(SL 345—2007)推荐的公式计算。当试段位于地下水位以下时,有

(3)

式中：t1、t2为注水试验某一时刻的试验时间(min);H1、H2分别为t1、t2时的试验水头(cm)， 等于试验水位与地下水位之差。

注水试验结果显示,随着地层的含泥量的不同而差异很大,中风化泥质粉砂岩的透水性为0.045～0.066 7 m/d,中风化含砾粉砂岩为0.12 m/d;填土及表土的渗透系数为0.056 m/d。

3 地下水流数值模拟

3.1 地下水流场的数学模型

考虑地下水垂向流动,在预测时把地下水流视为三维的非稳定流, 据《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)[6]及文献[7-9]推荐的公式

(4)

3.2 边界条件

平面分界:模拟区北部、南部边界均以地表分水岭为第二类边界(隔水边界), 东侧以甘棠河为定水头边界(已知水头边界, 或第一类边界)。西侧以郁江、班江为定水头边界。由于含水层底板为隔水性能良好的微风化泥质砂岩,因此可按照局部分水岭划分出2个相对独立的水文地质单元。

垂向分界: 上界面为潜水, 为自由边界， 其高度根据实测水位值及插值求得; 底部以厚层状微风化的砂岩或泥岩的顶面为隔水边界, 即第二类边界。

3.3 概化模型的内部结构

把含水介质概化为以下3层:① 松散的表土层(杂填土层+表土+残积粉质粘土层);② 强风化砂岩层;③ 中风化砂岩层。把微风化砂岩层作为隔水层,其顶板作为含水层的隔水底板,即微风化层不纳入到计算单元网格中。此外,为了简化计算,各含水介质层均被概化为均质各向同性介质。

3.4 水文地质参数

(1)初值的确定:① 包气带的入渗系数值:调查区内表土主要为粉土、粉质粘土,且很多地方被厂房和水泥路面所覆盖,综合取降雨入渗系数0.10；② 含水层的渗透系数:根据钻孔注水试验的结果[2],并结合《环境影响评价技术导则 地下水环境》(HJ 610—2016)附录B的经验值取(填土及表土层0.75 m/d, 残积粉质粘土0.075 m/d, 强风化砂岩0.65 m/d, 中风化层0.03 m/d)。

(2)反求参数:以注水试验等所得参数为基准,将孔水位、地下水露头等共10处地下水位实测值及河水位的实测值输入到模型中,降雨量则采用水位观测前3日的降雨量,通过微调有关参数,使计算所得的水位值与各观测点的实测地下水位值吻合。当模拟的水位值与实际观测水位很接近时(拟合效果如图2)就认为,经过调整过的水文地质参数可信,能被用于后续的水质预测之中[10-11]。

3.5 模型的离散化

研究范围是一个不规则的区域,综合考虑到网格密度对求解精度和计算时间的影响及垂向上避免疏干单元的出现,需对研究区的网格进行合理的剖分。本次模拟平面上共为50行、50列,共计2 500个矩形单元体。地形高程以散列点的形式输入到模型中,然后运用IDW插值法进行赋值,结果得到的地形图如图3所示。本次模拟采用3 d作为一个时间步长[12]。

图2 监测孔的拟合效果图Fig.2 Simulation effect for observation wells

图3 模拟区的原始地貌图Fig.3 Primitive landforms of the monitoring area

3.6 地下水流场的模拟结果

对地下水流场进行数值模拟,得到的计算结果用来绘制研究区的地下水等水位线图(图4),可以了解地下水和地表水之间的水力联系、流场内各水质点的地下水运动方向,以预测未来污染物的迁移方向。

4 硫酸储罐泄漏事故对地下水环境影响预测

南宁某饲料添加剂生产企业为获得纯净的硫酸镁、硫酸锌、硫酸铜等成品的饲料添加剂,该厂以氧化镁粉、氧化锌粉、氧化铜粉为生产原料,用浓硫酸浸出,再经除杂和净化等工序,因此该厂在日常生产中需用大量的浓硫酸,这些纯浓硫酸平时被储存在两个大的储罐里。以下假设其中的一个储罐突然发生泄露,对大量的浓硫酸渗入地下对地下水环境造成的污染作模拟预测。

4.1 溶质运移模型

三维水动力弥散问题的数学模型为[6,13]

初始条件:

图4 模拟区地下水等水位线图Fig.4 Isopiestic line of groundwater table map for simulation area

C(x,y,z,t)=C0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,t=0 ;

(6)

第一类边界条件(给定浓度边界):

C(x,y,z,t)|Γ1=C(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ1,t≥0;

(7)

第三类边界条件(给定溶质通量边界):

(8)

水动力弥散系数的确定:根据於红等在定边东北部潜水含水层野外弥散试验测定,细砂、粉细砂、粉土及粉质粘土的纵向弥散度为0.005 8～0.006 4 m[14]。因此,本项目取纵向弥散度为0.006 m,横向弥散度按纵向弥散度的1/8取经验值[15]。

4.2 预测方法

硫酸储罐的泄漏量估算:设储罐的裂口面积为0.01 m2,并假设储罐泄漏后,安全系统报警,操作人员在20 min内使储罐泄漏得到控制,并在泄漏物料上方喷洒泡沫,覆盖泄漏物料阻止泄漏液体挥发,同时采取有效的收集措施,将泄漏物料收集到备用储罐。根据本项目硫酸储罐的容积(总容积22 m3),估算出在20 min泄漏量约为552 kg。以浓硫酸密度为1.84 t/m3,泄漏的体积=0.552 t/1.84=0.3 m3=300 L, 按地表的入渗系数为0.1计算,泄漏液向地下含水层泄漏量为30 L。

4.3 预测结果

图5 假设硫酸储罐泄漏100、1 000和10 000 d后污染晕扩散分布图Fig.5 Diffusion distribution map of pollution halo after 100, 1 000 and 10 000 d

各污染物运移时间/d污染晕前沿最大推移距离/m垂向运移最大距离/m 10043.15到达底板 1 00083.5到达底板 10 000469.74到达底板

5 结 论

(1)由于研究区内地层的富水性差,地下水资源匮乏,项目所在的水文地质单元及邻近单元内没有地下水井,企业和村民均使用自来水。因此即使硫酸储罐泄漏事故发生造成当地地下水环境局部的严重污染,但所幸不会造成居民饮水中毒之类的严重后果。

6 建 议

(1)加强生产中对硫酸储罐的管理,从储存、生产、运输、污染处理设施等全过程控制硫酸的泄漏,采取行之有效的防止泄露液渗入地下含水层的各类措施。定期检查污染源,确保硫酸储罐安全运行,每两年至少检测一次罐顶、罐壁和罐底的厚度,每三年至少一次内部检测。发现有硫酸泄漏或渗漏,及时采取清理污染物和修补漏洞(缝)等补救措施。

(2)储罐附近应设置有冲洗、事故池等设施,此外储罐外围设置围堰。用事故池收集泄漏的硫酸,以此来控制泄漏影响面积。

(3)制定完善的泄漏突发事故的应急响应预报预案,以便能够及时采取停产、封闭、截流、疏散、应急性供水、地表废水突发污染处理等措施,企业必须制定有安全系统报警和完善的事故应急救援体系。当出现储罐泄漏事故征兆、险情时,现场值班人员应立即向领导和应急救援指挥中心汇报。企业还需备有应急处置人员在泄漏时进入现场需要的防护用品和泄漏时用来覆盖硫酸的砂土、石灰和冲洗用的自来水。