遵義市坪橋地下河系統污染源及污染通道研究

易世友,李 強,高 峰,陳 濤,江 峰

(貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊,貴州 遵義 563000)

0 引言

研究區位處長江經濟帶西南裸露型巖溶山區,地表巖溶洼地、落水洞、天窗等個體形態密布,巖溶強烈發育,含水性極不均一,地下河系統發育,巖溶水文地質條件復雜。區內坪橋地下河出口自2004年以來,水質受到嚴重污染,最終受納水體湘江河水質惡化,地下水污染問題十分突出,坪橋地下河系統內污染源種類多、分布廣,具有地下水污染隱蔽性強、擴散迅速、防治難度大、污染源復雜等特點[1]。為此,查明該地下河系統污染來源及污染通道,并提出科學的防治措施是亟待解決的關鍵問題。

近年來,貴州省開展了一系列中央水污染防治資金項目,針對巖溶山區地下水污染成因、污染途徑及污染源追蹤等做了大量研究工作,總結提出了貴州省巖溶山區五種地下水污染模式[2],即間歇性降水淋濾入滲污染型、間歇性降水入滲淋濾污染型、間歇性污水灌入污染型、持續性泉水徑流入滲淋濾污染型、持續性污水灌入污染型。目前,地下水污染源追蹤主要依靠水文地球化學、多元統(如相關性分析、主成分分析)等技術方法,而巖溶山區地下水污染通道查證技術及體系構建上相對較為缺乏。

針對上述問題,本文以遵義市坪橋地下河系統污染為例,運用大比例尺環境水文地質調查、水地球化學、充電法物探、鉆探及水質分析等技術,精準識別和查證了坪橋地下河系統的污染來源、污染通道,為西南巖溶山區同類型地下水污染防治提供了可復制、可推廣的勘查技術模式。

1 研究區概況

研究區總體地勢南高北低,地貌組合類型為溶蝕成因類型,進一步劃分為溶丘谷地和丘峰槽谷兩個亞類。

大地構造位置位處羌塘-揚子-華南板塊-上揚子南緣-黔北隆起區-鳳岡南北向隔槽式褶皺變形區,地表大面積出露三疊系中統關嶺組第二段(T2g2)灰巖地層,關嶺組第一段(T2g1)頁巖、白云質泥巖分布于永安向斜翼部。

區內主要褶皺為永安向斜,受東西向和北北東向構造線控制,南部軸向為北北東,北側以90°拐彎折向東西。該向斜兩翼不對稱,北西翼地層產狀較陡,傾角53°～85°,部分區域地層直立或倒轉,南東翼地層產狀較平緩,傾角5°～25°。

2 水文地質條件及污染特征

研究區處于坪橋地下河系統近排泄區(圖1),含水巖組為三疊系中統關嶺組第二段(T2g2)灰巖,巖溶極為發育且不均勻,補給區為南西側深溪鎮永安村徐家壩—石板水一帶,地下水總體由南西向北東徑流,局部(坪橋工業園一帶)由南東向北西徑流,受地形地貌及三疊系中統關嶺組第一段相對隔水層的阻隔,以地下河出口(S1)的形式排泄地表,偶側總流量16 L/s,枯季流量9.97 L/s。

圖1 研究區水文地質略圖及取樣點分布圖

S1坪橋地下河出口污染特征指標中氨氮含量109.05～143.6 mg/L,超《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)III類限值218～286倍,錳含量8.838～21.31 mg/L,超限值88～213倍,NO3-含量97.34～98.89 mg/L,超限值約5倍,NO2-含量1.36～8.10 mg/L,超限值約1～8倍,硫酸鹽含量1 197.2～1 404.0 mg/L,超限值約5倍。

3 污染源精準識別

3.1 環境水文地質調查

以研究區所在巖溶地下水系統開展了大比例尺的環境水文地質調查,排查了地下河出口補給區范圍所有企業產排污情況,污水去向,其中工業廢渣處置場始建于2002年,位于坪橋地下河系統補給區,其廢渣堆放方量達1 200 000 m3,2018年9月完成了封場閉庫,1#渣場底部未做防滲處理,先后被用于工業企業所產生的鐵合金渣、煉鋼廢渣、電解錳渣等的排放,處置場2#尾渣庫堆放電解錳渣,在靠近2#壩區域底部未做防滲(圖2),此外2#尾渣庫抽排豎井(ZDE040)內抽水泵放置于豎井深度的二分之一位置,長期存在高水頭壓力,具有滲漏風險,大氣降水淋濾渣體后,高污染濃度的滲濾液進入地下水系統。

圖2 工業廢渣處置場防滲示意圖

3.2 特征污染指標相關性對比

地下水系統內污染源、地下河出口水質分析結果表明(表1),取樣點位置見圖1所示,坪橋地下河出口(S1)與工業廢渣處置場滲濾液E6特征污染指標具有明顯相關性,一是工業廢渣處置場滲濾液氨氮、錳、硝酸鹽、亞硝酸鹽濃度分別為427.88、18.92、2 287.2、21.75、32 308 mg/L,分別高于地下河出口濃度3.9、2.1、23.5、27倍,而生活污水E4氨氮濃度均小于坪橋地下河出口(S1),表明工業廢渣處置場滲濾液是坪橋地下河出口主要污染源。

表1 地下河出口與污染源水質特征對比統計表 mg/L

3.3 氮氧同位素分析

研究區分別采集氮氧同位素樣品9組,δ15N-NO3-和δ18O-NO3-測試結果見表2,并將其投射在不同硝酸鹽來源的典型范圍內(圖3)。以此作為依據研究典型污染源對地下河出口硝酸鹽污染的影響。

表2 研究區各水體δ15N-NO3-和δ18O-NO3-測試結果

圖3 研究區各水體硝酸鹽來源識別

區內各水體δ15N-NO3-和δ18O-NO3-值波動較小,變化范圍分別為1.99‰～9.85‰和2.74‰～2.41‰,平均值分別為6.33±0.31‰、0.64±1.10‰。其中,坪橋地下河出口S1位于“含NH4+肥料”、“土壤N”的交匯區域,揭示其NO3-主要受到“含NH4+肥料”、“土壤N”的影響。

選取Iso Source模型計算各污染源貢獻比例,計算結果表明坪橋地下河出口(S1)不同端元對地下水中NO3-貢獻大小為含NH4+肥料(53%)> 糞肥污水(31%)>土壤氮(16%),而含NH4+肥料中83.01%的氮素來源于工業廢渣處置場滲濾液。

綜上所述,通過環境水文地質調查、特征污染指標對比分析及氮氧同位素分析技術的綜合應用,精準識別了坪橋地下河系統地下水污染源主要為工業廢渣處置場滲濾液。

4 地下水污染通道精準查證

在精準識別坪橋地下河系統污染源基礎上,以工業廢渣處置場2#壩下游一帶為范圍,開展詳細的物探、鉆探、水質分析、水文測井等工作手段,精準查證地下水污染通道之一(圖4),即工業廢渣處置場2#壩東部抽排豎井—CK8—J02監測井—CK6、CK11鉆孔一線。

圖4 研究區污染通道分布圖

4.1 物探精準探測

以CK1、CK3勘察孔、J02監測井為充電點,并以物探4線和5線為充電方向,根據充電法電位梯度曲線,將充電零值點解釋為地下水主徑流帶。

物探4線在78 m點和105 m點均有零值點出現(圖5),推測為地下水主徑流帶;物探5線在126 m、178 m點上有零值點出現,位于勘察區下游,在235 m點和251 m點上有零值點出現,推測為地下水主徑流帶。推測地下水主徑流帶應在4線在78 m點、105 m點和5線在235 m點、251 m點一線。

圖5 物探4線充電法成果圖

4.2 鉆探、水質分析驗證

在精準探測研究區南側一帶地下水徑流帶基礎上,通過在徑流帶實施鉆探工程和水樣采集與測試,精準查證地下水污染通道的空間展布。

鉆探揭露顯示,CK6鉆孔孔深56～58.97 m段巖溶裂隙發育,CK8鉆孔孔深56.48～64.40 m段巖溶裂隙發育。CK10鉆孔孔深69.46～71.08 m段巖溶裂隙發育。CK11鉆孔孔深59.54～61.74 m段巖溶裂隙發育,均為鉆孔出水段,出水段標高相差不大。CK6、CK11、CK8和J02鉆孔污染物濃度較高,其中CK6氨氮含量186 mg/L,錳26.4 mg/L,CK11氨氮含量104 mg/L,錳12.8 mg/L,CK8氨氮含量68.2 mg/L,錳4.61 mg/L,J02氨氮含量204 mg/L,錳4.35 mg/L,其含量均高于坪橋地下河出口污染物濃度,在旁側CK4、CK1、CK3、CK5、CK9鉆孔氨氮含量0.09～21.5 mg/L,錳含量0.01～0.78 mg/L,遠低于CK6和CK11鉆孔氨氮和錳的含量,證明了在坪橋工業園區工業廢渣處置場、CK8、J02監測井、CK6和CK11鉆孔間是場區地下水污染通道之一。

4.3 水文測井進一步核實

水文測井成果顯示,CK6號鉆孔在標高815.73～814.97 m段(即孔深58.17～58.93)(圖6),厚度0.76 m,CK11鉆孔在標高816.01～812.61 m(即孔深57.85～61.25 m)段,厚度3.4 m,自然伽馬較低,聲波時差增大,電阻率值減小,結合人工鹽化井液電阻率變化,推測為出水段,與鉆探揭露的巖溶裂隙發育段基本一致,在標高812.61～816.01 m存在地下水徑流通道。此外,結合鉆孔自然井液電阻率值對比圖(圖7)可知,4個鉆孔的自然井液電阻率值從大到小依次為CK4、CK10、CK11和CK6,從自然井液電阻率的變化可以推斷,CK6孔的污染物濃度最高,受污染最嚴重,CK11孔次之,4個孔的自然井液電阻率變化趨勢都是從淺到深逐漸變小,此變化規律與污染物的類型一致。

圖6 CK6號鉆孔水文測井成果

圖7 井液電阻率值對比圖

5 污染通道地下水流量估算

研究區關嶺組第二段(T2g2)含水巖組枯季徑流模數為1.521～3.322 L/s·km2,豐水期徑流模數以坪橋地下河出口豐水期流量295.349 L/s,系統面積12.86 km2進行計算,計算出豐水期徑流模數為18.62 L/s·km2,污染通道上游地下水補給面積約0.83 km2,地下水徑流量按照徑流模數法進行計算,計算公式:

Q=86.4·M·F

(1)

式中:Q為地下水徑流量(m3/d);M為地下水徑流模數(L/s·km2);F為補給區面積(km2)。

按1式,計算出污染通道內地下水枯季徑流量為109.07 m3/d,豐水期最大徑流量為1 335.27 m3/d。因關嶺組第二段灰巖含水巖組含水性極不均一的,不排除小于估算流量的可能。

6 結語

(1)坪橋地下河系統地下水主要污染源為工業廢渣處置場,受大氣降水淋濾作用,高污染濃度滲濾液進入地下水系統致使坪橋地下河出口污染。查明的污染通道之一為工業廢渣處置場2#壩東部抽排豎井—CK8—J02監測井—CK6、CK11鉆孔一線,建議針對查明的污染通道實施“近源截排”治理技術,減少地下河出口末端治理壓力。

(2)環境水文地質調查+水文地球化學等技術綜合應用,實現了對坪橋地下河系統主要污染源的精準識別,綜合物探+鉆探+水文測井等技術組合應用,實現了對地下水污染通道的精準探測與驗證,從而構建了巖溶山區地下水污染源識別和污染通道精準查證的勘查關鍵技術體系。