西南岩溶山区某石化类场地地下水污染风险评价

王 川，陈植华

(1.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072；2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074)

西南岩溶山区，碳酸盐岩分布广泛且溶蚀作用强烈，水文地质条件复杂，相比于非碳酸盐岩地区，岩溶地下水系统受到污染的风险更大[1]，一旦受到污染，其恢复及治理的难度十分巨大。在岩溶山区进行石化类等高污染风险项目的选址工作时，不仅要考虑经济、交通以及电力等常规因素，还应关注拟选场址周边的地下水环境问题，评价项目建设对地下水环境可能造成的污染风险[2-6]，为项目科学合理的选址提供参考。

由于岩溶地下水系统的特殊性，在进行岩溶场区地下水污染风险评价时，不仅在评价方法的选择上会遇到难题，更重要的是如何查清场区岩溶水文地质条件以及确定其主要的风险评价对象。本文以《污染场地风险评价导则(HJ25.3-2014)》[7]为基础，结合国内外学者在地下水污染风险评价研究中的探索，总结分析了常规方法的适用条件及优缺点，在场地地下水污染风险识别及源项分析基础上，建立了基于数值模拟结果的污染场地地下水污染风险评价体系[8]。

1 地质环境概况

1.1 自然地理

该石化类场地位于贵州省中部，区域地貌属于云贵高原中部滇东高原乌蒙山系的延续部分，处于黔西山原向黔中丘原盆地的过渡带，地形起伏较大，地势西高东低，属高中山山地地貌，河流强烈的侵蚀切割作用导致地形支离破碎，高山深谷、陡壁悬崖以及河涧河流等复杂地貌在研究区随处可见。

1.2 地质条件

场地出露地层主要有三叠系中统关岭组(T2g)、法郎组(T2f)以及三叠系上统须家河组(T3x)，地层岩性以碳酸盐岩为主，主要可见中薄层至厚层灰岩、白云岩、生物碎屑灰岩及角砾白云岩，部分夹泥质灰岩及白云质灰岩，最顶部为须家河组石英砂岩。

场地位于新场—张家寨向斜核部偏东南一翼，并与田家坝小背斜过渡。地层基本上以北倾为主，倾角从南部的30°～50°向北渐缓，但受场内断层的影响，局部产状多变。发育大小断层共7条。根据断层分布特征及其产状，判断场地受NW-SE向和近EW向挤压应力作用，在发育一系列断层的同时发育有多个小型褶皱。

2 水文地质条件

2.1 地下水类型及其富水性

场地地下水类型有第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水三种(图1)。

图1 场地水文地质简图

第四系松散岩类孔隙水零星分布于冲沟及部分坡麓地区，含水岩组以冲洪积、残坡积松散沉积物为主，厚度在1.5～12 m之间，地下水分布不均，水位埋深浅，沟谷地区小于1.0 m，坡麓地区一般在10 m左右，大多存在于雨季，富水性差。

碎屑岩裂隙水仅赋存于场区西北部须家河组(T3x)黄褐色砂岩的风化裂隙之中，裂隙发育深度一般在30～50 m之间，裂隙发育程度随深度增加而减弱，下部裂隙不发育或微发育具相对隔水层性质。含水岩组整体渗透性较弱，富水性差，泉水流量一般0.5～22 m3/d。

碳酸盐岩岩溶水可细分为碳酸盐岩溶蚀裂隙水和碳酸盐岩溶洞水两个亚类。碳酸盐岩溶蚀裂隙水主要赋存于三叠系法郎组(T2f)、关岭组一段(T2g1)和关岭组三段(T2g3)的白云岩、泥质白云岩中。受断裂构造影响，场地白云岩整体比较破碎，表现为网络状的节理及裂隙，局部地方发育的溶蚀裂隙、溶孔及小溶洞构成了良好的地下水赋存空间，但深部裂隙多不发育，因此地下水多赋存于浅表层且分布不均；碳酸盐岩溶洞水主要赋存于三叠系关岭组二段(T2g2)的灰岩、白云质灰岩中，地下水的赋存及径流以深部管道、廊道为主，局部发育较大的溶洞，形成地下暗河，故富水性极不均匀，地下水水位埋深一般较大。

2.2 地下水补径排特征

场地地下水主要接受大气降水入渗及河流的渗漏补给。地下水的径流在场地北侧主要受到地形影响，自高向低，西北侧偏西南方向径流，东侧偏西北方向径流，南侧主要是通过岩溶管道向北径流。场地关岭组三段与关岭组二段分属不同的水文地质单元，地下水不连续，径流特征各有不同，关岭组三段以浅层溶蚀裂隙水为主，关岭组二段以深部管道岩溶地下水为主。地下水主要通过蒸发蒸腾、在地势低洼处以泉的形式以及沿冲沟向下游的水库排泄。

3 地下水数值模型

场地出露地层主要为关岭组三段的白云岩，地下水类型以碳酸盐岩溶蚀裂隙水为主，地下水污染风险评价重点关注浅层地下水，故本次数值建模仅考虑关岭组三段、法郎组的浅层溶蚀裂隙水、须家河组的风化裂隙水以及分布不连续的第四系孔隙水。将含水层概化成非均质、水平方向各向同性垂向存在差异的空间三维稳定地下水流系统。

图2 模型二维平面剖分结果

本次数值模型面积6.0 km2，基于FEFLOW数值模拟软件，将模型范围离散为不规则的三角剖分网格，同时对四周边界及内部水系进行加密处理，最终得到研究区平面二维剖分结果(图2)，结点数71 971个，有限单元数133 587个。地质模型概化为三层，第一层为第四系孔隙含水岩组，第二层为强溶蚀裂隙及风化裂隙含水岩组，第三层为中溶蚀裂隙及风化裂隙含水岩组(图3)。

图3 模型三维地质模型

模型北部、西部及南部边界设置为零通量边界，东部关岭组三段与关岭组二段分界线概化为流量边界，上边界设定为为降水补给及蒸发边界，下边界以裂隙—溶蚀裂隙不发育为模型下边界，设为隔水边界(图4)。

水文地质参数是表征含水介质储水能力、释水能力和地下水运动能力的指标[49]，FEFLOW地下水水流模型中表征含水介质水文地质特征的参数主要有渗透系数(K)和给水度(μ)。研究区岩性不统一，各层的水文地质参数存在差异，因此需要给出各层的水文地质参数分区，并在FEFLOW中进行分区参数的赋值。

图4 模型边界条件示意图

通过反复调整参数，识别了模型结构、各参数和均衡要素，并使模拟计算后的模型水量达到平衡，反算误差达到FEFLOW模型的要求(0.001)，最终识别得到了场地地下水流场(图5)。从模拟的地下水流场图中可以看出，研究区局部浅层地下水径流方向受控于内部溪沟和沟谷，地下水整体由西南向东北方向径流。由此可知，研究区地下水流数值模型从空间上把握了模拟区的地下水补径排特征，可以基于该水流模型进行后续的风险评价。

图5 识别后的地下水流场图

4 地下水污染风险评价体系建立

4.1 风险识别

通过收集拟建石化类项目设计文件并对比国内外同行业、同类型装置事故统计资料，识别项目在建设、生产及服务期满后各个阶段可能对地下水造成风险的主要污染源。

拟建石化类项目产污环节较多，但大部分污废水以场内设备的循环使用为主，最终排污去向为污水处理厂。污水处理厂处理达标后，采用压力流方式送至下游水库出水口。通过进一步识别，该石化类场地建成后主要的污染源装置为甲醇装置及污水处理池，按照最大风险评价原则，本次研究主要考虑在天然条件下甲醇装置事故状态下发生泄漏以及污水处理池正常跑冒滴漏下污染物持续泄漏对地下水造成的污染风险大小。

4.2 源项分析

正常状况下，污水处理池跑冒滴漏下的污染物进入地下水，污水处理池面积0.036 km2，污染物类型为COD、氨氮等，按最大风险原则，正常工况且无人工防渗措施，年存水时间按365天计算，COD浓度为1 500 mg/L、氨氮浓度为50 mg/L。

事故状态下，考虑爆炸破坏地表防渗结构面积为0.35 km2，收集处理时间10 h，结合场区内最大渗透系数，计算得到最大下渗量为0.712 5 m3。即甲醇渗入地下体积为0.712 5 m3，泄漏面积50 m2，持续时间10 h，甲醇浓度为800 kg/m3。

4.3 风险计算

地下水污染风险评价包括地下水污染荷载、地下水本质脆弱性和地下水功能价值三个部分。风险计算是在风险识别及源项分析的基础上，综合考虑以上三个部分的内容对研究区地下水污染风险进行定量化评价计算。鉴于论文研究的岩溶场区尺度范围较小且该场地已做过多次勘察工作，岩溶水文地质条件已基本清楚，基础资料相当丰富，因此本次评价过程选用数值模拟方法进行地下水污染风险评价计算。

论文建立的基于数值模拟的地下水污染风险评价不需要把各影响因素按指标进行加权求和，只需要根据溶质运移模拟得到的污染物浓度迁移时空表现，结合地下水质量标准按照一定的划分原则即可得到该岩溶石化类场地地下水污染风险的大小。

5 地下水污染风险评价

5.1 地下水溶质运移模拟

在前文建立的地下水水流数值模型基础上，对不同情形不同污染物的渗漏进行模拟预测，模型运移时间为该石化类场地的服务年限50年，通过模型计算得到了不同时刻污染物在场地浅层地下水中的空间分布。

5.1.1 正常工况且无人工防渗措施下污水处理池的渗漏

从模型预测的结果来看，正常工况、污水处理池持续渗漏条件下COD及氨氮在前5年的运移主要以包气带垂向迁移为主，溶蚀裂隙含水层中污染晕的水平扩散范围不大，最大迁移距离仅30 m，包气带介质对污染物的迁移起到了一定的阻挡作用；5 a以后COD及氨氮的运移以溶蚀裂隙含水层中的水平迁移为主，扩散速率变大，污染晕主要受对流作用影响，在地下水流控制下污染晕以北部为优势迁移方向，逐步向北扩散，污染晕范围越来越大，溶蚀裂隙含水层中污染物的最高浓度越来越接近污染源的浓度。表1针对四个典型时间段，统计了溶蚀裂隙含水层中COD及氨氮污染晕的最高浓度、迁移距离、超标面积等预测结果。

5.1.2 事故条件且无人工防渗措施下甲醇装置系统事故

事故条件下污染物初始浓度很大，迅速经包气带进入含水层，从模型预测的结果来看，事故发生初期，污染晕仅集中在甲醇装置周边一定范围内，污染晕中心浓度很高，但由于没有污染物的持续补充，因此随着时间的推移，地下水流对污染物的稀释作用明显，污染晕中心浓度不断降低，污染晕扩散范围不断增大，扩散方向受地下水流控制逐渐向东部迁移。表2针对九个典型时间段，统计了溶蚀裂隙含水层中甲醇污染晕的最高浓度、迁移距离、超标面积等预测结果。

表1 污水处理池渗漏运移预测结果表

表2 事故状态下甲醇运移预测结果表

5.2 地下水污染风险分级原则

按照本文地下水污染风险评价体系，地下水污染荷载及地下水本质脆弱性已体现在建立的地下水水流及溶质运移模型中，地下水功能价值改变程度主要体现在污染物在地下水中的浓度分布，地下水污染风险大小可根据预测的污染晕分布情况来划分风险级别。论文研究所选污染风险因子COD、氨氮及甲醇的评价标准分别为3.0 mg/L、0.2 mg/L和200 mg/L，如果某污染物浓度超过了标准浓度，则认为地下水受到了污染[9]。

图6 污染晕扩散范围与风险等级关系图

论文结合地下水溶质运移模拟结果，以某风险因子标准浓度对应的浓度等值线所圈闭的污染晕作为地下水污染风险大小的度量依据，结合场地水文地质条件，论文将某污染荷载对研究场地地下水造成的污染风险划分为五级[10-11]。当污染物以一定源强进入含水层后，如果污染晕基本上没有扩散(10 m以内)，则定义污染风险级别低；污染晕扩散范围仅分布于污染源附近(50 m以内)，则定义污染风险级别较低；如果形成了明显的污染晕，但没有扩散至场界范围外，则定义污染风险级别为中；如果污染晕扩散范围较大，已扩散至场界外但没有到达模拟边界，则定义污染风险级别为较高；如果污染晕扩散范围已经到达了东部的模拟边界，污染物已经危害到了关岭组二段的岩溶管道含水层，则定义污染风险等级为高(图6)。

5.3 地下水污染分级及评价

5.3.1 污水处理池正常渗漏污染风险分级

污水处理池发生渗漏后，COD和氨氮的污染晕扩散面积逐渐增大，在该石化类场地服务年限50 a后，COD及氨氮污染晕最远迁移距离分别为396 m和379 m，污染晕最大扩散面积分别为0.279 km2和0.263 km2，污染晕扩散长轴方向未达到拟建石化类场地边界，根据前文划定的地下水污染风险等级，污水处理池COD及氨氮持续渗漏造成的地下水污染风险等级均为中。

5.3.2 甲醇装置系统事故渗漏污染风险分级

事故状态下甲醇装置发生泄漏，含水层中初始甲醇浓度较高，随着时间推移，在地下水流稀释作用下，污染晕中心浓度逐渐降低，污染晕随水流向东部迁移，扩散面积逐渐增大，在该石化类场地服务年限50 a后，污染晕最远迁移距离365 m，污染晕最大扩散面积为0.398 km2，污染晕扩散长轴方向未达到拟建石化类场区地边界，根据前文划定的地下水污染风险等级，甲醇装置事故状态甲醇泄漏造成的地下水污染风险等级为中。

6 结语

(1)本文构建了基于数值模拟结果的地下水污染风险评价体系，并以西南岩溶山区某石化类场地为研究对象，基于该石化类场地水文地质条件特征，构建了研究场地的水文地质概念模型，最终基于地下水溶质运移模拟结果对场地地下水污染风险等级进行了划分。

(2)根据拟建石化类场地的项目设计文件，识别了研究场地主要污染源来自于污水处理池及甲醇装置，污水处理池持续渗漏的主要污染物为COD及氨氮，浓度分别为1 500 mg/L和50 mg/L；甲醇装置事故状态下的污染浓度为800 kg/m3。

(3)本文建立的基于数值模拟结果的场地地下水污染风险评价体系不需要将地下水污染风险的影响因素按照常规方法进行指标的加权求和，只需根据溶质运移模拟得到的污染物浓度迁移时空表现，结合评价标准按照一定的划分原则即可得到评价场地的地下水污染风险大小。

(4)论文根据建立的风险评价标准并结合地下水溶质运移的模拟结果，得出该石化类场地污水处理池持续渗漏以及甲醇装置事故渗漏条件下对场地地下水造成的污染风险等级均为中等，即污染晕的扩散范围没有迁移出厂界，更没有到达模型东部关岭组二段与关岭组三段的分界线，各风险因子不会对关岭组二段深部岩溶管道地下水造成污染。