遵义市坪桥地下河系统污染源及污染通道研究

易世友,李 强,高 峰,陈 涛,江 峰

(贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队,贵州 遵义 563000)

0 引言

研究区位处长江经济带西南裸露型岩溶山区,地表岩溶洼地、落水洞、天窗等个体形态密布,岩溶强烈发育,含水性极不均一,地下河系统发育,岩溶水文地质条件复杂。区内坪桥地下河出口自2004年以来,水质受到严重污染,最终受纳水体湘江河水质恶化,地下水污染问题十分突出,坪桥地下河系统内污染源种类多、分布广,具有地下水污染隐蔽性强、扩散迅速、防治难度大、污染源复杂等特点[1]。为此,查明该地下河系统污染来源及污染通道,并提出科学的防治措施是亟待解决的关键问题。

近年来,贵州省开展了一系列中央水污染防治资金项目,针对岩溶山区地下水污染成因、污染途径及污染源追踪等做了大量研究工作,总结提出了贵州省岩溶山区五种地下水污染模式[2],即间歇性降水淋滤入渗污染型、间歇性降水入渗淋滤污染型、间歇性污水灌入污染型、持续性泉水径流入渗淋滤污染型、持续性污水灌入污染型。目前,地下水污染源追踪主要依靠水文地球化学、多元统(如相关性分析、主成分分析)等技术方法,而岩溶山区地下水污染通道查证技术及体系构建上相对较为缺乏。

针对上述问题,本文以遵义市坪桥地下河系统污染为例,运用大比例尺环境水文地质调查、水地球化学、充电法物探、钻探及水质分析等技术,精准识别和查证了坪桥地下河系统的污染来源、污染通道,为西南岩溶山区同类型地下水污染防治提供了可复制、可推广的勘查技术模式。

1 研究区概况

研究区总体地势南高北低,地貌组合类型为溶蚀成因类型,进一步划分为溶丘谷地和丘峰槽谷两个亚类。

大地构造位置位处羌塘-扬子-华南板块-上扬子南缘-黔北隆起区-凤冈南北向隔槽式褶皱变形区,地表大面积出露三叠系中统关岭组第二段(T2g2)灰岩地层,关岭组第一段(T2g1)页岩、白云质泥岩分布于永安向斜翼部。

区内主要褶皱为永安向斜,受东西向和北北东向构造线控制,南部轴向为北北东,北侧以90°拐弯折向东西。该向斜两翼不对称,北西翼地层产状较陡,倾角53°～85°,部分区域地层直立或倒转,南东翼地层产状较平缓,倾角5°～25°。

2 水文地质条件及污染特征

研究区处于坪桥地下河系统近排泄区(图1),含水岩组为三叠系中统关岭组第二段(T2g2)灰岩,岩溶极为发育且不均匀,补给区为南西侧深溪镇永安村徐家坝—石板水一带,地下水总体由南西向北东径流,局部(坪桥工业园一带)由南东向北西径流,受地形地貌及三叠系中统关岭组第一段相对隔水层的阻隔,以地下河出口(S1)的形式排泄地表,偶侧总流量16 L/s,枯季流量9.97 L/s。

图1 研究区水文地质略图及取样点分布图

S1坪桥地下河出口污染特征指标中氨氮含量109.05～143.6 mg/L,超《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)III类限值218～286倍,锰含量8.838～21.31 mg/L,超限值88～213倍,NO3-含量97.34～98.89 mg/L,超限值约5倍,NO2-含量1.36～8.10 mg/L,超限值约1～8倍,硫酸盐含量1 197.2～1 404.0 mg/L,超限值约5倍。

3 污染源精准识别

3.1 环境水文地质调查

以研究区所在岩溶地下水系统开展了大比例尺的环境水文地质调查,排查了地下河出口补给区范围所有企业产排污情况,污水去向,其中工业废渣处置场始建于2002年,位于坪桥地下河系统补给区,其废渣堆放方量达1 200 000 m3,2018年9月完成了封场闭库,1#渣场底部未做防渗处理,先后被用于工业企业所产生的铁合金渣、炼钢废渣、电解锰渣等的排放,处置场2#尾渣库堆放电解锰渣,在靠近2#坝区域底部未做防渗(图2),此外2#尾渣库抽排竖井(ZDE040)内抽水泵放置于竖井深度的二分之一位置,长期存在高水头压力,具有渗漏风险,大气降水淋滤渣体后,高污染浓度的渗滤液进入地下水系统。

图2 工业废渣处置场防渗示意图

3.2 特征污染指标相关性对比

地下水系统内污染源、地下河出口水质分析结果表明(表1),取样点位置见图1所示,坪桥地下河出口(S1)与工业废渣处置场渗滤液E6特征污染指标具有明显相关性,一是工业废渣处置场渗滤液氨氮、锰、硝酸盐、亚硝酸盐浓度分别为427.88、18.92、2 287.2、21.75、32 308 mg/L,分别高于地下河出口浓度3.9、2.1、23.5、27倍,而生活污水E4氨氮浓度均小于坪桥地下河出口(S1),表明工业废渣处置场渗滤液是坪桥地下河出口主要污染源。

表1 地下河出口与污染源水质特征对比统计表 mg/L

3.3 氮氧同位素分析

研究区分别采集氮氧同位素样品9组,δ15N-NO3-和δ18O-NO3-测试结果见表2,并将其投射在不同硝酸盐来源的典型范围内(图3)。以此作为依据研究典型污染源对地下河出口硝酸盐污染的影响。

表2 研究区各水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-测试结果

图3 研究区各水体硝酸盐来源识别

区内各水体δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值波动较小,变化范围分别为1.99‰～9.85‰和2.74‰～2.41‰,平均值分别为6.33±0.31‰、0.64±1.10‰。其中,坪桥地下河出口S1位于“含NH4+肥料”、“土壤N”的交汇区域,揭示其NO3-主要受到“含NH4+肥料”、“土壤N”的影响。

选取Iso Source模型计算各污染源贡献比例,计算结果表明坪桥地下河出口(S1)不同端元对地下水中NO3-贡献大小为含NH4+肥料(53%)> 粪肥污水(31%)>土壤氮(16%),而含NH4+肥料中83.01%的氮素来源于工业废渣处置场渗滤液。

综上所述,通过环境水文地质调查、特征污染指标对比分析及氮氧同位素分析技术的综合应用,精准识别了坪桥地下河系统地下水污染源主要为工业废渣处置场渗滤液。

4 地下水污染通道精准查证

在精准识别坪桥地下河系统污染源基础上,以工业废渣处置场2#坝下游一带为范围,开展详细的物探、钻探、水质分析、水文测井等工作手段,精准查证地下水污染通道之一(图4),即工业废渣处置场2#坝东部抽排竖井—CK8—J02监测井—CK6、CK11钻孔一线。

图4 研究区污染通道分布图

4.1 物探精准探测

以CK1、CK3勘察孔、J02监测井为充电点,并以物探4线和5线为充电方向,根据充电法电位梯度曲线,将充电零值点解释为地下水主径流带。

物探4线在78 m点和105 m点均有零值点出现(图5),推测为地下水主径流带;物探5线在126 m、178 m点上有零值点出现,位于勘察区下游,在235 m点和251 m点上有零值点出现,推测为地下水主径流带。推测地下水主径流带应在4线在78 m点、105 m点和5线在235 m点、251 m点一线。

图5 物探4线充电法成果图

4.2 钻探、水质分析验证

在精准探测研究区南侧一带地下水径流带基础上,通过在径流带实施钻探工程和水样采集与测试,精准查证地下水污染通道的空间展布。

钻探揭露显示,CK6钻孔孔深56～58.97 m段岩溶裂隙发育,CK8钻孔孔深56.48～64.40 m段岩溶裂隙发育。CK10钻孔孔深69.46～71.08 m段岩溶裂隙发育。CK11钻孔孔深59.54～61.74 m段岩溶裂隙发育,均为钻孔出水段,出水段标高相差不大。CK6、CK11、CK8和J02钻孔污染物浓度较高,其中CK6氨氮含量186 mg/L,锰26.4 mg/L,CK11氨氮含量104 mg/L,锰12.8 mg/L,CK8氨氮含量68.2 mg/L,锰4.61 mg/L,J02氨氮含量204 mg/L,锰4.35 mg/L,其含量均高于坪桥地下河出口污染物浓度,在旁侧CK4、CK1、CK3、CK5、CK9钻孔氨氮含量0.09～21.5 mg/L,锰含量0.01～0.78 mg/L,远低于CK6和CK11钻孔氨氮和锰的含量,证明了在坪桥工业园区工业废渣处置场、CK8、J02监测井、CK6和CK11钻孔间是场区地下水污染通道之一。

4.3 水文测井进一步核实

水文测井成果显示,CK6号钻孔在标高815.73～814.97 m段(即孔深58.17～58.93)(图6),厚度0.76 m,CK11钻孔在标高816.01～812.61 m(即孔深57.85～61.25 m)段,厚度3.4 m,自然伽马较低,声波时差增大,电阻率值减小,结合人工盐化井液电阻率变化,推测为出水段,与钻探揭露的岩溶裂隙发育段基本一致,在标高812.61～816.01 m存在地下水径流通道。此外,结合钻孔自然井液电阻率值对比图(图7)可知,4个钻孔的自然井液电阻率值从大到小依次为CK4、CK10、CK11和CK6,从自然井液电阻率的变化可以推断,CK6孔的污染物浓度最高,受污染最严重,CK11孔次之,4个孔的自然井液电阻率变化趋势都是从浅到深逐渐变小,此变化规律与污染物的类型一致。

图6 CK6号钻孔水文测井成果

图7 井液电阻率值对比图

5 污染通道地下水流量估算

研究区关岭组第二段(T2g2)含水岩组枯季径流模数为1.521～3.322 L/s·km2,丰水期径流模数以坪桥地下河出口丰水期流量295.349 L/s,系统面积12.86 km2进行计算,计算出丰水期径流模数为18.62 L/s·km2,污染通道上游地下水补给面积约0.83 km2,地下水径流量按照径流模数法进行计算,计算公式:

Q=86.4·M·F

(1)

式中:Q为地下水径流量(m3/d);M为地下水径流模数(L/s·km2);F为补给区面积(km2)。

按1式,计算出污染通道内地下水枯季径流量为109.07 m3/d,丰水期最大径流量为1 335.27 m3/d。因关岭组第二段灰岩含水岩组含水性极不均一的,不排除小于估算流量的可能。

6 结语

(1)坪桥地下河系统地下水主要污染源为工业废渣处置场,受大气降水淋滤作用,高污染浓度渗滤液进入地下水系统致使坪桥地下河出口污染。查明的污染通道之一为工业废渣处置场2#坝东部抽排竖井—CK8—J02监测井—CK6、CK11钻孔一线,建议针对查明的污染通道实施“近源截排”治理技术,减少地下河出口末端治理压力。

(2)环境水文地质调查+水文地球化学等技术综合应用,实现了对坪桥地下河系统主要污染源的精准识别,综合物探+钻探+水文测井等技术组合应用,实现了对地下水污染通道的精准探测与验证,从而构建了岩溶山区地下水污染源识别和污染通道精准查证的勘查关键技术体系。