含巨厚非饱和带岩溶含水层地下水污染风险分析

王仁敏 梅向阳 覃荣高 曹广祝

摘要：西南岩溶区固废填埋场选址问题成为制约区域经济发展的关键因素，而在项目选址过程中，如何平衡项目建设成本及地下水环境保护成本是项目选址的关键。因此，本文以云南岩溶区某垃圾填埋场项目选址地下水污染评估为例，通过详细开展水文地质调查及勘察，在查明拟建项目区水文地质条件的基础上，应用解析法开展地下水污染风险分析及预测。研究结果表明，上覆红粘土及巨厚非饱和带岩溶含水层对特征污染物迁移扩散具有较大的阻滞及延迟作用。

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.

关键词：非饱和带;岩溶含水层;地下水污染;风险分析

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

中图分类号：X523                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）12-0135-05

0  引言

开展岩溶区地下水污染风险分析与评估对这些地区经济发展及工程建设环境影响评价至关重要。近年来，随着西南地区工业及旅游业的快速发展，如何平衡经济发展与环境保护之间的关系成为了制约西南地区经济发展的关键因素。尤其是近年来，由于水电铝项目在云南的大力发展，加上云南旅游业的快速发展，固废填埋场选址问题成为了当地政府部门棘手问题之一。尤其是岩溶区地下水污染风险评估对整个项目选址是否合理的关键因素之一。地下水污染风险评价受到了许多学者的广泛关注[1-4]及环境管理部门的重视[5]。而开展固废填埋场项目地下水污染风险分析及评价，首先需要对项目场地所属的含水层介质类型进行系统调查分析及判定，在此基础上才能准确开展地下水污染风险分析与评价。文献调研表明对于平原区孔隙含水层地下水污染风险分析及评估方面的研究相对较多[3，6-8]，而对于水源地地下水污染风险评估也有相关研究[9]。而影响场地地下水污染风险分析及评价的关键是含水层介质参数的不确定性，因此，近年来国内外学者对含水层参数不确定性开展了大量研究[10-12]，如前所示，非饱和带是污染物与地下水之间的重要纽带，人类工程活动所排放的污染物往往通过降雨入渗补给等方式穿过不同厚度非饱和带才能最终到达地下水中，因此，对非饱和带地下水污染迁移机理研究又成为了当前地下水科学与工程研究的热点和难点[13-15]。

基岩山区固废填埋场选址问题成为了制约当地经济发展的关键因素，尤其是对于类似云南省以山地为主的地区，固废填埋场选址问题尤为关键，如何平衡固废填埋场选址与地下水环境保护之间的关系至关重要。如上所述，对于基岩山区，固废污染源及渗滤液发生意外渗漏之后主要随降雨入渗补给地下水，从而造成地下水污染，而从目前文献调研发现对于上覆覆盖巨厚非饱和基岩裂隙-岩溶含水层的场地研究很少。为此，本文以云南某生活垃圾填埋场建设项目选址为例，探讨此类特殊场地水文地质条件下项目建设对地下水环境造成污染的影响，开展非饱和带-岩溶非均质含水层地下水污染风险分析，为类似场地水文地质条件下地下水污染评估及健康风险分析提供参考。

1  拟建项目区水文地质条件特征

1.1 项目区水文地质概况

根据本文水文地质调查研究表明項目区正好位于泥盆系上统（D3）白云岩夹白云质灰岩碳酸盐岩岩溶含水层，而调查区为一个相对独立完整的水文地质单元，水文地质单元范围内岩溶含水层主要为泥盆系中上统（D2～3）碳酸盐岩岩溶含水层（见图1）。根据水文地质调查发现项目区北侧以断层为隔水边界，西侧以泥盆系中统海口组（D2h）砂岩、页岩隔水层为隔水边界，东侧以观音山河为边界，南侧以曲江为边界，由此，整个项目区及周边较小范围区域构成一个相对独立完整的水文地质单元。

1.2 评价区构造水文地质特征

从上述区域水文地质图1和剖面图2中可以看出，评价区范围内出露的断层主要为F1、F2、F3、F4和F5。评价区主要受这5条断层的控制。其中与项目场地水文地质单元关系较为密切的主要为F1、F4和F5断层，断层地质特征如下：

1.2.1 F1和F5南北向断层

这两条断层在评价区范围内走向近南北向，F1断层距离项目区较近，直线距离约550m，如图3所示，断层东侧出露地层为泥盆系中统海口组（D2h）粉砂岩及页岩隔水层，而东侧出露地层则为石炭系中统威宁群（C2w）石灰岩夹白云岩岩溶含水层。拟建项目西侧出露的海口组薄层状粉砂岩及页岩隔水层产状为76°∠50°，岩层倾斜向东，结合区域水文地质图和剖面图（图1、2）可以看出，F1断层东侧的海口组粉砂岩及页岩隔水层构成了拟建项目区场地西侧的隔水边界，同时海口组的粉砂岩及页岩隔水层也构成了F1以西大片泥盆系和石炭系岩溶含水层的隔水边界，F1和F5之间夹的大片泥盆系和石炭系碳酸盐岩岩溶含水层，在受F1导水断裂及东侧海口组粉砂岩及页岩隔水层的共同作用下，地下水沿着F1断层向南侧曲江径流，最终以泉（GW4大龙潭泉点）的形式排泄于曲江。整体上F1和F5具有一定的左行走滑特征，这两条断层的及泥盆系中统海口组粉砂岩及页岩隔水层共同作用构成了本文项目区的西侧隔水边界。

1.2.2 F4断层

受区域北西南东向区域断裂的控制，F4断层整体走向近北西南东向，如图4所示，断层南西侧主要出露地层为泥盆系上统（D3）灰白色白云岩夹白云质灰岩，为拟建填埋场出露岩层，而断层北东侧主要出露巖层为震旦系陡山沱组（Zbd）粉砂岩、板岩夹白云岩，该断层构成了项目区北侧隔水边界。

1.2.3 F2和F3断层

如图1所示，F2和F3断层位于本文调查范围南侧及东侧，受区域断层的控制，F2断层主要出露于评价区南侧曲江一带，走向北东南西，该断层切断曲江南侧出露的大片泥盆系和石炭系岩溶含水层，而F3则位于调查区东侧，断层走向近南北向，与F1近于平行，F3东侧为泥盆系上统灰岩岩溶含水层，而西侧为泥盆系中统海口组（D2h）粉砂岩及页岩隔水层，从图2区域水文地质剖面图可以看出，F3断层与F1断层与海口组粉砂岩及页岩隔水层共同作用构造项目区向斜盆地两侧的隔水边界。

1.3 地下水补径排条件

区域地下水类型以碳酸盐岩岩溶水、碳酸盐岩与非碳酸盐岩成夹层型的岩溶水（如图1所示）。结合图1和2和区域地质资料，根据钻孔勘察资料显示项目场地所处泥盆系上统（D3）碳酸盐岩岩溶水含水层较为丰富，地下水径流运移多集中于岩溶裂隙及溶蚀裂隙中，而碳酸盐岩与非碳酸盐岩成夹层型的岩溶水主要赋存于震旦系陡山沱组（Zbd）粉砂岩、板岩夹白云岩中，富水性相对较弱，评价区范围内主要受近南北向断层构造的控制，地下水主要受大气降水入渗补给，顺着溶蚀裂隙及层间裂隙径流，最终以岩溶泉（GW4大龙潭泉点）及地表径流（观音山河）的形式排泄于南侧的曲江，曲江为评价区最低侵蚀基准面。整体上评价区地下水补径排条件较为清晰，地下水整体上由北向南径流，最终以泉及侧向补给河流的形式排泄于南侧曲江。

2  地下水污染风险分析

根据前述对拟建项目场地水文地质条件分析显示，项目场地全部分布于泥盆系上统（D3）碳酸盐岩岩溶水含水层，根据2个水文地质勘察深钻发现场地地下水位埋深很深，大于300m，且填埋区上覆覆盖厚度不等的红粘土层。因此，本文地下水污染风险分析及预测主要针对非正常情况下，垃圾填埋场的填埋区及渗滤液调节池发生意外渗漏条件下对地下水环境的影响进行预测和分析。鉴于本文项目场地水文地质条件比较特殊，本文地下水环境影响预测采用解析法进行预测分析，由于拟建项目区地下水位埋深较深，雨季埋深约为314m，而旱季埋深约为340m，因此，本文地下水环境影响预测采用一维渗流模型，通过解析法预测填埋区及渗滤液调节池防渗膜破损导致渗滤液下渗到下伏泥盆系岩溶含水层地下水的浓度，从而分析其对周边地下水环境造成的影响。

根据项目区非饱和带厚度约为300m，本文预测先选用一维无限长多孔介质柱体模型计算瞬时泄露条件下，污染物能否穿透300m厚包气带到达地下水。本文选择渗滤液作为源强进行预测计算，假设防渗膜破损导致渗滤液意外泄露100kg进入到下伏巨厚泥盆系灰岩包气带中，根据《环境影响评价技术导则地下水环境》（HJ610-2016）[5]附录F.3.2.1一维半无限长多孔介质模型，污染物瞬时注入：

从图5可以看出，拟建垃圾填埋区及渗滤液调节池发生意外渗漏下渗到下伏泥盆系上统（D3）岩溶含水层，约在600天后到达地下水中的氨氮浓度达到峰值，浓度为121mg/L，高于《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）Ⅲ类标准0.5mg/L。

3  结果与讨论

从图5可以看出，垃圾填埋场瞬时泄漏100天处理完毕条件下，约在600天后特征泄漏的特征污染物到达含水层中的峰值浓度高达121mg/L，远远低于拟建项目区渗滤液氨氮浓度1050mg/L，但高于《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）Ⅲ类标准0.5mg/L。而结合本文场地的水文地质条件可以看出，鉴于项目区场地水文地质条件比较特殊，本文应用导则[5]公式（D.1）进行定量计算预测分析过程中还简化了2点，第一，项目区所处的岩溶含水层，上覆覆盖厚度不等的红粘土风化层，防渗膜系统破损条件下，填埋场下伏厚度不等的红粘土层对特征污染物还有很大的阻滞及吸附作用，而本文解析法预测忽略了这部分的影响，如果考虑这部分阻滞及吸附作用，到达下伏岩溶含水层的浓度将远低于121mg/L，且到达时间也将大于600天;第二，本文选用导则[5]中垂向一维半无限长多孔介质模型（D.1）进行预测时，本身模型已经概化为饱和渗流模型进行计算，因此，如果采用非饱和模型进行预测计算，则到达岩溶含水层中的特征污染物浓度将进一步减小，同时到达时间将进一步延迟。

基于上述2点可以看出，目前对地下水污染定量评价模型中，导则[5]中的解析模型均只考虑了特征污染物直接进入含水层的情景，而未考虑特征污染物到达含水层之前非饱和带和人工填土及第四系覆盖的粘土层的阻滞作用，因此，预测结果往往偏大，即风险偏大。当然，由于不同地区不同地质及水文地质条件差异较大，尤其是在我国西南基岩山区非饱和带厚度差异较大，因此进行地下水污染风险分析及评价过程中，必须考虑非饱和带及粘土层的阻滞作用，在此基础上进行地下水污染风险评估，才有可能更为合理的评价项目对地下水环境的影响。

综上所述，目前对于地下水环境影响风险评价过程中，对于污染物从人类活动密切的表层进入到下伏潜水或承压水含水层过程中穿透非饱和带和粘土层所需要的时间考虑较少，对于非饱和带的渗流和场地试验研究虽然较多[15-17]，但对于定量化应用于地下水污染风险评估的应用研究较少，因此，对于开展第四系粘土覆盖层和基岩山区非饱和带厚度较厚的含水层地下水污染风险评价过程中，应考虑这部分对特征污染物的阻滞作用，从而减少评估结果风险偏大，从而造成对项目选址结论的影响。此外，鉴于类似本文举例的此类项目场地，虽然非饱和带和红粘土层对特征污染物阻滞及吸附作用明显，但此类项目场地建设过程中，仍需严格做好防渗工作，因为一旦发生意外渗漏，特征污染物进入巨厚非饱和带碳酸盐岩裂隙中，想要开展地下水污染修复等补救措施的难度极大，因此，在项目区建设过程中应采取严格的防渗措施，同时做好下游分散式饮用水源的替代方案，一旦发现异常应及时采取替代措施。

4  结论

本文以云南某垃圾填埋场项目区地下水污染风险分析为例，通过水文地质调查及勘察，在查明拟建项目区水文地质条件基础上进行地下水污染风险分析及预测，通过研究主要获得以下认识：

①拟建垃圾填埋场处于巨厚岩溶非饱和带（>300m）岩溶含水层，垂向一维渗流及污染物迁移预测结果表明巨厚非饱和带对高浓度特征污染物具有明显阻滞及延迟作用。

②通过地下水环境影响预测及风险分析结果显示，拟建项目在风险条件下对周边地下水环境造成污染风险概率较小，主要与上覆红粘土层渗透系数较小及非饱和带碳酸盐岩介质厚度较大密切相关。

③虽然项目对地下水污染风险较小，但一旦泄露造成碳酸盐岩非饱和带污染，修复难度极大，此外，对于下游潜在饮用水源地应做好水源替代方案。

④对于红粘土-非饱和带岩溶含水层地下水污染风险分析及评估问题十分复杂，目前没有成熟模型可以借鉴，因此，粘土非饱和带-非均质含水层地下水污染迁移机理及风险预测数学模型有待进一步研究。

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