地下水封洞库工程环境水质监测设计研究

文富勇

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙440014）

0 引言

地下水封洞库是通过在地下水位线以下一定的深度，通过在地下开挖洞室群，利用围岩中地下水形成的水幕产生的静压力水封存储介质，使得介质封存在地下空间里，从而达到水封存储介质的目的[1]，如图1 为某地下水封洞库工程结构布置图。

通常情况下，地下水封洞库主要用于存储原油、液化石油气等介质，此类介质为碳氢化合物，主要由碳、氢组成，以及微量的氧、硫、金属等元素[2]。目前，由碳和氢组成石油烃类包括有苯、甲苯、乙苯类异构体，已被多数国家列入危险物质[3]。经调查研究表明，石油类碳氢化合物能引起新陈代谢转换，破坏造血细胞，导致白血病以及具有致癌性等毒性。

地下水封洞库主要由主洞室、施工巷道、水幕系统及竖井组成，存储介质主要是存放在主洞室内，然后通过水幕系统形成的水封压力将存储介质封闭控制在主洞室内，因此，当地下水位线下降，且水幕补给系统未能及时补给地下水时，将导致地下水封压力减小，此时存储介质将不再受水封压力的控制将同时向上和向周边扩散。由于地下水封洞库一般都选建在岩石结构条件较好的山体中，离居民生活区均不远，储存介质含有毒性，能够对地下水源造成污染和破坏，因此，一旦发生事故将对周边一定影响范围内植被生长以及居民饮用水造成危害，危及居民日常生活。地下水被石油类污染后，虽可以采取一定的治理措施，治理难度大，成本高，对较大范围内污染治理效果不明显。为了确保周边一定范围内地下水不被污染，同时也确保当污染发生时，能够有效的监控和了解到地下水污染影响情况，因此，必须对地下水封洞库周边一定范围内地下水水质进行监测，并实时监控和分析评判水质变化情况。

图1 某地下水封洞库工程结构布置图

1 污染质弥散原理及弥散模型

地下水封洞库存储的石油类物质一般均为轻的非水溶相液体，当泄漏到地下水中后，将在污染源临近浮于地下水表面上形成浮油，其向下缓慢移动，溶于地下水中石油类污染质将在地下水流动作用下向周边扩散。地下石油类污染运移的过程非常复杂，其污染的形成机制主要从3个方面进行研究，即分子水平，微观水平和宏观水平[3]。

在地下结构介质内，由于孔隙的存在，使得通过孔隙横断面上流速分布的大小、方向不均一。①同一孔隙中，地下水质点流速不等于实际平均流速由于流体的粘滞性，使得单个孔隙通道轴处的流速大，固体表面处的流速接近于零。②不同孔隙中地下水质点实际流速是不同的。将地下结构地下水质点的速度平均化，即

污染质浓度不均一使得污染质存在浓度梯度，污染质由高浓度处转移至低浓度处，促使浓度均一。这种污染致运移现象，称为分子扩散。

机械弥散和分子扩散合起来为水动力弥散现象。机械弥散使得污染质沿着微观的地下结构转移，分子扩散主要使得周围浓度趋于均一性。在一般情况下，机械弥散在总的弥散中是主要的，当流速甚小时，分子扩散的作用将变得明显[5]。显然，水动力弥散使污染质沿平均流动方向和垂直于平均流动方向扩展，即呈纵向横向弥散。

污染质对流迁移的数量与污染质的浓度和地下水流速有关，即Ik=C·u

式中Ik为污染质对流迁移量，mg/（m2.s）；C 为污染质在地下水中的浓度，mg/m3，u 为地下水平均流速度，m/s。

由于地下结构中地下水污染质存在有对流、水动力弥散和吸附等现象，因此，应仔细研究地下水封洞库地下水污染质水动力弥散等现象，使得当地下水封洞库存储介质发生事故后能够快速实时的监控和了解地下水污染质的转移和迁移，确保地下水封洞库周边范围环境水质健康。系统的研究污染质水动力弥散现象能够快速模拟出污染质的运移路径，预测出污染质的影响范围和影响程度，能够为快速高效的制定最佳治理方案提供有效的依据和基础，同时也能为水封压力监测系统提供信息反馈，确保足够的地下水封压力。

2 环境水质监测方法与技术

合理的水质分析监测方法是取得准确结果的关键。选择水质分析监测方法应遵循的原则是：灵敏度满足定量分析要求；方法可靠、准确；操作简便，抗干扰能力好[6]。

水质分析时，先进行定性分析，然后做定量分析，由于水质分析监测项目大都是已知的，仅由于地区不同，组分含量有所差异，所以勿需进行定性分析，可直接进行定量分析测定组分的含量。

地下水封洞库地下水污染质一般为石油类混合物，根据国家环保局主编的《水和废水监测分析方法》、《地面水环境质量标准》（GB3838-2002）和《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006）石油烃类混合物的水质分析监测方法主要选配质量法、红外分光光度法、紫外分光光度法、荧光光度法等。

由于《水和废水监测分析方法》和《地面水环境质量标准》（GB3838-2002）中选配的石油类监测分析方法中，紫外法和荧光法虽灵敏度高，但由于标准油获取较难，因此，在国外推荐采用重量法和红外法。我国在与环境标准配套的分析方法中，《地面水环境质量标准》和《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006）选配红外分光光度法。因此，综合考虑地下水封洞库工程水质分析监测选用红外分光度法，当出现高含油水样时可采用重量法进行配合分析。

地下水封洞库主要用于存储原油和LPG 液化石油气等介质，其污染质在地下水中含量随着污染源离影响区的远近有明确的关系，即浓度将有高有低，因此，在对地下水封洞库地下水水质分析监测时，优先选用红外分光光度法，并根据工程具体情况结合使用质量法进行分析。

3 环境水质分析监测设计

地下水封洞库工程包括地下工程和地上辅助设施两部分，地下工程主要包括施工巷道、主洞室、竖井及水幕巷道等结构，主洞室按一定方位并行布置，每2～3 个主洞室通过连接巷道相连组成一个罐体[1]，水幕巷道沿主洞室顶部一定高程分平行于主洞室和垂直于主洞室两个方向布置，并从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边布置，为施工期运渣、交通提供条件。

地下水封洞库处于稳定的地下水位线以下一定的深度（5m 为宜），通过人工在地下岩石中开挖出一定容积的洞室，利用稳定地下水的水封作用密封储存在洞室内的石油类介质[1]。由于地下水封洞库均布置在一定埋深的地下岩体内，其上部一般为一定高度山体，因此，在这样地质构造条件下，地下水呈一定的梯度变化，并在地下水自然梯度和人工水幕系统的作用下，地下水封洞库处于一个相对稳定的地下水渗流场中。当这个共同作用遭到破坏或影响，存储介质将在地下水水力梯度的作用下产生对流弥散现象，影响和破坏周边地下水结构性态。为了及时和实时了解地下水质变化情况，需在地下水封洞库周边一定影响范围内布设水质分析监测点[1]。

水质分析监测点的布设关系到监测数据是否具有代表性，是否能够真实的反应地下水水质情况及污染发展趋势。为了获得完整的地下水监测信息，从理论上，监测空间、时间分辨率越高越好，但单纯追求和实现高分辨率的空间和时间监测，不论从经济观点，还是实践观点上看，是难以实现的。

根据地下水污染质运移原理的研究表明地下水封洞库工程地下水污染质运移满足对流-弥散型水质模型，并通过求解地下水污染质对流-弥散型水质模型确定污染区的范围，预防地下水的进一步污染；确定污染质运移路径，积极采取措施污染治理措施；根据水质分布及发展趋势，指导水质分析监测设计；预计污染的地下水层天然净化所需要的时间；反馈结构设计和布置的方案，为后续类似结构设计提供技术支持；为管理和决策部门提供污染治理与防治的定量信息。因此，地下水水质分析监测设计应结合污染质运移原理布设。

①地下水封洞库污染源为主洞室内存储的石油类介质，存储介质在足够的地下水封压力作用下，被地下水封闭在主洞室内。但当地下水封系统遭到破坏或者水封压力不足时，由于石油类存储介质运移规律满足污染质对流-弥散型水质模型，将在浓度梯度和孔隙流速不均一作用下向库区四周发生分子扩散和机械弥散，因此，沿地下水封洞库四周均匀布设一排地下水水质分析监测点，以及时了解和掌握库区周边范围内水质变化情况。

②根据地下水污染质对流-弥散型水质模型可知，污染质浓度与地下结构的渗透系数k、平均孔隙流速、有效孔隙率n 等参数有关，因此，地下水污染质运移和扩散是一个缓慢运动的过程，其向周边一定范围内扩散是需要时间的，且在运移过程中将伴随着污染质自身浓度的衰减。地下水水质分析监测设计必须实现动态监控地下水污染质运移过程，掌握其运移路径，因此，监测设计除在地下水封洞库四周均匀布设一排地下水质分析监测点外，还应研究和分析地下水封洞库地下水结构及地质情况，在污染质可能发生运移路径线路上布设地下水水质分析监测点，以实现地下水水质分析跟踪监测，及时了解地下水的实际影响范围，避免对周边居民生活用水及植被生态系统造成破坏和损害。

③通过在库区周边以及污染质可能发生运移的路径上布置地下水水质分析监测点，基本上能够掌握地下水污染范围及发展路径，能够及时采取相应的污染质治理措施避免事故的扩大。地下岩体结构是一个复杂结构，其孔隙和裂隙发育情况均很难具体摸清，且又受水幕系统控制的影响，污染质实际运移过程不可能严格满足污染质对流-弥散型水质模型，因此，还应在库区周边一定范围内补充布置一些地下水质分析监测点，以实现全面了解库区周边地下水水质变化情况。

④为了检验和补充验证地下水水质监测设计效果，应选择在库区周边一定范围内地下水汇流区和出水点布设一定数量的水质监测点。

⑤由于地下水封洞库石油类存储介质的密度相对于水的密度较小，在足够的水封压力情况下，存储介质将在水封压力的作用下封闭在主洞室内不会向上运移，但当水封压力不足时，石油类存储介质将在向上运移进行地下水中，并在水力梯度的影响下向周边扩散，因此，为了完整的了解和掌握整个地下水封洞库地下水水质变化情况，同时也将与周边范围内的地下水质分析监测点进行对比分析，在主洞室区顶部范围内布设一定数量的地下水水质分析监测点，主要沿地下水水力梯度方向以及污染质对流-弥散型水质模型计算结果表明污染质可能运移的路径布设。

⑥根据地下水封洞库结构情况，建立地下水污染质对流-弥散型水质模型，利用模型进行模拟和演算地下水污染质运移路径，确定地下水污染质的影响范围，然后模型计算结果对原布设方案进行优化，测点布置应主要基本集中在污染质的运移路径，测点应尽量布置在污染质的影响范围，同时也可以在影响范围外布设少量的测点，以对比分析污染质影响范围内外的水质变化情况。

⑦由于地下水水质分析监测主要是对运行期地下水封洞库储油效果的检验，因此，施工期间可以结合利用地质和水文专业的地下水位监测孔模拟地下水污染，即采用示踪剂作为污染源，然后跟踪分析库区范围地下水水质情况，根据分析结果并结合污染质对流-弥散型水质模型计算结果，对地下水水质分析监测布置方案进行优化。

4 结论

本文提出了优先选用红外分光光度法并结合使用质量法的环境水质监测分析方法，提出了环境水质监测设计方案，有利于实现地下水封洞库环境水质情况的实时监控，确保地下水封洞库健康、安全的运行。