馬 超，李立偉

（天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津 300170）

地下水是水資源的重要組成部分，其分布廣泛、變化穩(wěn)定、水質(zhì)良好，在人類生活、工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)灌溉等方面起著關(guān)鍵作用[1]。但隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，地下水開發(fā)利用規(guī)模與日俱增，地下水污染等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，對飲用水安全、區(qū)域生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2～3]。自《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則-地下水環(huán)境》（HJ 610-2011）實施以來，國內(nèi)陸續(xù)開展了各類工程建設(shè)項目的地下水環(huán)境影響評價工作[4]，取得了豐富的成果。在地下水環(huán)境影響評價中，根據(jù)不同的評價等級和預(yù)測結(jié)果需求，常會使用數(shù)值法、解析法、回歸分析法、標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法等[5～7]，本文以本石化倉儲場地為例，采用單因子評價法及數(shù)值法分析場地地下水水質(zhì)現(xiàn)狀，預(yù)測場地在事故工況下的污染物遷移趨勢及范圍。

1 研究區(qū)背景

1.1 概況

石化倉儲場地位于天津市臨港經(jīng)濟區(qū)北部，倉儲場自2003年成立之后，先后開展了大量的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)、地層劃分、地下水系統(tǒng)劃分等已形成十分完備的資料體系，為研究的順利開展奠定了堅實的地質(zhì)基礎(chǔ)[8]。

場區(qū)主要包括24個化學(xué)品儲存罐、消防泵房等其他建筑物。該區(qū)屬于海河入?？谀蟼?cè)的灘涂淺海區(qū)，為圍海造陸而成的港口與工業(yè)一體化產(chǎn)業(yè)區(qū)，以人工地貌為主，地形簡單、地勢平坦。該區(qū)氣候為暖溫帶半濕潤大陸與海洋過渡型季風(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)年平均氣溫10.9℃～12.3℃，多年平均降水量602.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為1187.2 mm。

1.2 水文地質(zhì)條件

場地處于天津市濱海平原沖海積咸水及鹽鹵水區(qū)內(nèi)，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件的劃分，研究區(qū)500 m淺的松散巖類孔隙水分為淺層水和深層水。其中淺層地下水為鹽鹵水，可分為潛水、微承壓水或淺層承壓水。結(jié)合水文地質(zhì)鉆探及試驗可知，場地潛水含水層底界埋深15 m左右，巖性以人工吹填砂、粉土、淤泥質(zhì)土為主，平均厚度12.54 m，含水層較為連續(xù)及穩(wěn)定；下伏隔水層厚度為5.7 m～6.9 m，巖性為粘性土，垂向滲透系數(shù)量級為10-8cm/s，且連續(xù)穩(wěn)定分布。場地內(nèi)潛水主要靠大氣降水入滲、地下水側(cè)向徑流補給。地下徑流通過潛水蒸發(fā)、側(cè)向流出排泄。地下水平均水位埋深為1.24 m，平均水位標(biāo)高為3.20 m，地下水位年變幅較小。

由上述水文地質(zhì)條件可知，地下水在潛水含水層內(nèi)以水平運動為主，垂向上越流微弱，且各含水層水力聯(lián)系差。故潛水含水層為地下水環(huán)境保護目標(biāo)，此次研究以潛水含水層為目的層。

2 樣品采集與分析

根據(jù)HJ610-2016中二級評價項目潛水含水層水質(zhì)監(jiān)測點相關(guān)規(guī)定，遵循地下水環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測點控制性布點與功能性布點相結(jié)合的原則，在場地布置了5個水質(zhì)監(jiān)測井（ZK1～ZK5，見圖1），成井深度均為15 m，待每個監(jiān)測井水位穩(wěn)定，采集地下水樣1組。

圖1 研究區(qū)示意圖及取樣點分布

根據(jù)項目特點、特征污染物和所在區(qū)域環(huán)境地質(zhì)特征，以地下水調(diào)查和監(jiān)測資料為依據(jù)，基于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-93）的相關(guān)要求，除了監(jiān)測地下水七大離子外，還監(jiān)測了基本水質(zhì)因子和特征因子。樣品的采集、保存、分析與質(zhì)量控制均按《地下水環(huán)境檢測技術(shù)規(guī)范》進行。

表1 地下水水質(zhì)分析結(jié)果

由表1可知，研究區(qū)地下水水化學(xué)類型分別呈現(xiàn)HCO3·SO4-Na 型（監(jiān)測井 ZK1、ZK5）、Cl·SO4·HCO3-Na 型（監(jiān)測井 ZK2）、Cl-Na型（監(jiān)測井 ZK3、ZK4），五眼監(jiān)測井的γNa/γCij均小于0.85，水化學(xué)分布特征主要受海河的側(cè)向補給影響，且后期蒸發(fā)濃縮作用較強烈。此外，研究區(qū)內(nèi)地下水溶解性總固體大于1000 mg/L，CODMn大于5 mg/L，不能直接作為生活飲用水。

3 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀分析

結(jié)合表1，利用單因子評價法[9]分析場地地下水現(xiàn)狀。根據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）的相關(guān)規(guī)定，對屬于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）中的評價因子，應(yīng)按其規(guī)定的水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)值進行評價；對于不屬于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的評價因子，可參照國家（行業(yè)、地方）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行評價。對取得的地下水監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 地下水水質(zhì)分析結(jié)果統(tǒng)計表

由表2可知，場地5眼監(jiān)測井中地下水均為Ⅴ類水，為不適宜飲用地下水。5眼監(jiān)測井中Ⅴ類指標(biāo)主要為亞硝酸鹽、氯化物、硫酸鹽、總硬度、氟化物、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)；Ⅳ類指標(biāo)主要為氨氮、硝酸鹽、揮發(fā)酚、錳；其余指標(biāo)均滿足上述各類標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ～Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。通過分析，場地潛水含水層的污染物主要為無機污染物，有機污染物以石油類和總有機碳為主，尚未受到四氯化碳、乙苯等有機污染物污染。

4 地下水環(huán)境影響預(yù)測評價

4.1 評價等價及范圍

對照HJ610-2016中“附表A地下水環(huán)境影響評價行業(yè)分類表”可知[10]，該場地建設(shè)項目屬于Ⅰ類建設(shè)項目。調(diào)查期間在場地及周邊未發(fā)現(xiàn)集中式飲用水水源（包括已建成的在用、備用、應(yīng)急水源，在建或規(guī)劃的飲用水水源）、準(zhǔn)保護區(qū)等敏感區(qū)，沒有農(nóng)村分散式飲水水源井等較敏感區(qū)，因此場地地下水敏感程度為不敏感。綜上，此次地下水環(huán)境影響評價為二級評價。

表3 評價工作等級分級表

因場地所在地區(qū)水文地質(zhì)條件相對簡單，所掌握的資料能確定水文地質(zhì)參數(shù)，故采用公式法確定本次地下水環(huán)境影響評價范圍，公式為：

式中：L為下游遷移距離，m；α為變化系數(shù)，α≥1，一般取2；K為滲透系數(shù)，0.04 m/d；I為水力坡度，0.74‰；T為質(zhì)點遷移天數(shù)，取值5000 d；ne為有效孔隙度，粉質(zhì)粘土取值為0.05。

經(jīng)計算，5000天后質(zhì)點向下游遷移5.92 m，計算值很小，無法反應(yīng)評價區(qū)與周圍環(huán)境的關(guān)系，因此基于公式的計算結(jié)果考慮附近地下水敏感點及水文地質(zhì)特征，確定本次環(huán)境影響評價區(qū)范圍為以本倉儲場地為界線，向北延伸至海河（上游）且以海河為北部邊界，向南延伸2000 m，向東、西各延伸800 m和1000 m，面積約 5 km2，見圖 1。

4.2 基于GMS的地下水環(huán)境影響預(yù)測分析

4.2.1 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型是把含水層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、邊界性質(zhì)、水力特征、滲透性能和補給排泄等條件概化為便于進行數(shù)學(xué)與物理模擬的基本模型?；趫龅氐乃牡刭|(zhì)條件、氣象、水資源開發(fā)利用資料，建立場地水文地質(zhì)概念模型如下：

（1）含水層概化：潛水含水層為本次評價目的層，也為地下水溶質(zhì)運移和流場模擬層。根據(jù)含水層土層性質(zhì)，將其垂向分為潛水層和下伏弱透水層。潛水層埋深為0.87 m～2.41 m，平均水位埋深為1.24 m可概化為各向同性、非均質(zhì)、連續(xù)分布、底板近似水平的含水層，滲透系數(shù)0.04 m/d，底界埋深15 m；下伏弱透水層連續(xù)穩(wěn)定分布，平均厚度6.3 m，垂向滲透系數(shù)6.4×10-5m/d，因潛水含水層與承壓含水層之間的水力聯(lián)系異常微弱，故不考慮污染物繼續(xù)向下運移至下伏含水層。

（2）邊界條件：模擬區(qū)潛水含水層中地下水流以水平運動為主，北部緊鄰海河，故模擬區(qū)北部河流設(shè)定為定水頭邊界，取平均水位4.14 m，平均水力坡度0.74‰；弱透水層概化為隔水邊界；兩側(cè)邊界與地下水流向近乎垂直，側(cè)向補給量為零，故概化為零流量邊界。

（3）初始條件：以監(jiān)測孔監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)作為地下水的初始流場，見表4。

表4 潛水水位標(biāo)高統(tǒng)計表

（4）源匯項設(shè)定：研究區(qū)接受大氣降水補給和河流側(cè)向補給，排泄方式主要為徑流（從模擬區(qū)南部邊界流出）和蒸發(fā)排泄，其中年平均降水強度為602.9 mm；年平均蒸發(fā)強度為1187.2 mm。

4.2.2 地下水滲流與溶質(zhì)運移模型

潛水二維非穩(wěn)定流基本微分方程為[11]：

式中：Kxx，Kyy為滲透系數(shù)在 x、y 方向上的分量，m/d，此處假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標(biāo)軸方向一致；Kn為邊界面法線方向的滲透系數(shù)，m/d；W為單位時間、面積上垂向補給含水層的水量，m/d；h 為水頭，m；H 為含水層初始厚度，m；μ 為給水度，無量綱；t0為初始時刻；h1為定水頭值，m；Γ1為滲流區(qū)域的定水頭邊界；Γ2為滲流區(qū)域的側(cè)向流量邊界；n為邊界面的法線方向；q（x,y,t）為二類邊界的單寬流量，m/d，流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

本次溶質(zhì)運移模型假定溶質(zhì)運移符合Fick定律，溶質(zhì)運移二維地下水對流-彌散數(shù)學(xué)模型為[12]：

式中：n為介質(zhì)孔隙度，無量綱；t為時間，d；Dij為水動力彌散系數(shù)張量，m2/d；vi為地下水滲流速度張量，m/d；C為污染物組分的濃度，mg/L；CS為源和匯水流中組分的濃度，mg/L；qs為源和匯，1/d；C0（x,y,t0）為已知濃度分度，mg/L；Ω為模擬的區(qū)域；ζ2是通量邊界；fi(x,y,t)為邊界ζ2上的已知的彌散通量函數(shù)。

4.2.3 事故工況下的溶質(zhì)運移模擬

事故工況設(shè)定場地內(nèi)柴油儲罐泄漏并將石油類作為預(yù)測對象，進行地下水溶質(zhì)運移預(yù)測。溶質(zhì)運移模擬范圍，按行×列×垂近似剖分為25×20×2（層），共計1000個單元格，單元格長度為100 m。假設(shè)儲油罐連續(xù)泄漏10天后得到有效控制，泄漏的石油類物質(zhì)下滲進入潛水含水層。泄漏場地概化為定濃度的點污染源，污染源初始濃度2000 mg/L，場地初始濃度為5 mg/L且彌散系數(shù)為30 m2/d，污染物進入目標(biāo)含水層后，不同時間的預(yù)測結(jié)果見圖2。

圖2 事故工況下石油類污染物隨時間擴散圖（紅色框為場地所在位置）

由圖2可知，柴油儲罐在防滲措施毀壞時，污染范圍隨時間擴大，污染源中心位置基本保持不變，越靠近污染源污染物濃度越高。但由于模擬區(qū)內(nèi)潛水含水層巖性以人工吹填砂、粉土、淤泥質(zhì)粘土為主，滲透系數(shù)低，水力坡度小，地下水流速極其緩慢，水動力彌散強度也受到限制，最終制約了污染物的擴散范圍。故即使污染物遷移2000天，其污染范圍才大致為16萬m2，對場地周邊地區(qū)地下水水質(zhì)的影響很小。

5 結(jié)論

（1）由地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀分析可知，場地潛水為Ⅴ類水，為不適宜飲用地下水。場地下潛水地下水環(huán)境質(zhì)量較差，與原生環(huán)境、海侵影響以及地表河流的水質(zhì)有關(guān)。

（2）事故工況下，泄漏的污染物通過介質(zhì)體從污染源不斷向四周擴散運移，越靠近污染源濃度越高，越遠離污染源濃度越低。污染物預(yù)測結(jié)果表明：選擇適宜的存儲場地、設(shè)置必要的防滲措施、定期進行地下水監(jiān)測及事故發(fā)生時應(yīng)急處置均能有效地控制地下水污染。

（3）本次評價為了簡化模型，假設(shè)柴油儲罐泄漏時石油類污染物直接進入潛水含水層，未考慮其在包氣帶中的滯留轉(zhuǎn)化過程，故現(xiàn)實污染范圍可能會比預(yù)測值小，預(yù)測結(jié)果的精度需進一步研究。