包气带岩土渗透系数在地下水环境影响评价中的意义

独仲德，王 磊

(中国辐射防护研究院，山西 太原030006)

岩土渗透性:岩土的渗透性通常是指岩土允许水或其他流体渗入和穿过的性能。通常用渗透系数、渗透率表示。对于大气降水和渠系水、农田灌溉水通过包气带岩土向地下水的迁移量也用入渗系数表示。工农业生产产生的废污水和各类固体废物经水淋溶产生的淋滤液，以不同途径对地下水造成污染影响的过程中，不同岩土的渗透性对于污染物迁移途径、运动速率和污染影响程度起着至关重要的作用。在建设项目地下水环境影响评价中，岩土的渗透性对评价初期评价等级的判定、区域和项目场地环境水文地质条件的掌握、了解各含水层之间以及含水层与地表水体之间的水力联系、地下水污染影响预测、以及针对项目对地下水存在的潜在污染影响提出切实可行的环境保护措施具有重要作用。

1 包气带岩土渗透性与防污性能

包气带是降水入渗补给地下水的通道，也是防止和减轻废污水通过包气带对地下水造成污染的保护层。以往包气带作为入渗补给通道作用的研究比较深入且成熟，但是作为保护地下水的防污层的渗透性能的研究需进一步加强。在《环境影响评价技术导则 地下水环境》[1]的地下水环境影响评价工作分级中，作为划分依据的第一项便是包气带防污性能分级，按包气带岩土层厚度、饱水垂向渗透系数和岩土层连续、稳定性三个方面分为强、中、弱三级。说明岩土层的防污性能决定于岩土层厚度、渗透性能及其连续稳定性。在三个方面中，项目场地的岩土层厚度及连续稳定性，通过项目场地岩土工程勘察或其他勘探方式可以比较准确地取得，岩土层的渗透系数却由于其颗粒组成不同，垂向穿过的岩土层数、层厚及层序不同，使得确定岩土层渗透系数应综合考虑和方面因素。

对于某一建设项目，涉及可能对地下水造成污染的设施有多处，应在充分了解建设项目场地岩土工程勘察结果和项目平面、竖向布置的基础上进行分析。以某新建钢铁项目为例，拟建厂址区为中等切割的山前洪积扇区，包气带厚度(即潜水水位埋深)45～57m，自南向北由厚变薄。工程勘察钻孔最大深度30.0m，包气带浅部地层由粉土(12～15m)、粉质粘土(10～12m)、砂砾石(3～8m)、砂卵石(5～8m)组成。

可能对地下水产生污染的主要设施和场所有炼钢连铸车间水处理装置污水池(槽)、轧钢车间水处理装置污水池(槽)、各车间浊环水旋流沉淀池、废污水埋地管道、废污水处理站污水池、废油暂存间、原料场、厂内水渣和钢渣临时堆场等。其中各类污水池均为地下式或半地下式，基础埋深5m，各车间浊环水旋流沉淀池基础埋深18m，废污水管道基础埋深1.2m。考虑到埋深大的设施除其池底会因某种原因产生裂缝引起废污水泄漏，池壁也存在发生泄漏的可能。因此按距离地下水位最近的池底埋深大的旋流沉淀池之下的包气带介质特性作为判定包气带防污性能的依据。根据工程勘察结果，该处包气带地层自设计基准面向下依次为粉土约14m、粉质粘土约11m、砂砾石约5m、砂卵石约6m。因此，旋流沉淀池底之下是约7m厚的粉质粘土，该层粉质粘土对污水向地下水的渗漏有一定的阻滞作用。

本例中粉质粘土层渗透系数的确定可以通过岩土工程勘察时取未扰动岩土样进行室内渗透系数测试、通过类比，也可以取经验值。一般情况下，工程勘察结果中没有渗透系数项，保守起见取经验值的高值比较合适。根据上述条件，依据《环境影响评价技术导则 地下水环境》，本例包气带防污性能可划为“中”。

2 地下水污染影响预测源强分析

在正常工况下，由于各涉及废水、污水和固体废物的设施均采取了有效的防渗等措施，不会对地下水造成污染影响，因此只对本项目主要地下水污染源炼钢连铸车间水处理装置污水池(槽)、轧钢车间水处理装置污水池(槽)、各车间浊环水旋流沉淀池、废污水处理站污水池在事故工况下对地下水水质的影响按照要求进行影响预测。源强分析涉及到各污水池、沉淀池形状、大小、有效水深;污水的污染因子、污染物浓度;包气带各岩土层厚度、渗透系数;污染景象设置等几个方面。其中前两方面一般在项目可行性研究报告中已经给出，岩土层厚度在项目场工程勘察报告中也已给出，岩土渗透系数和污染景象需评价中重点分析。

污染景象是指造成涉污建构筑物中的污染物在事故工况下进入包气带的途径。从各类污水池、沉淀池结构看，防渗的薄弱区是池体伸缩缝、后浇带、施工缝等，均为线状[2]。按相关规范进行了满水试验达到防渗要求，但在地基不均匀沉降、防渗材料老化失效等事故情况下，这些部位可能会发生污水渗漏。一般考虑有1/5个伸缩缝出现事故，事故伸缩缝约1/3长度出现渗漏，渗漏缝宽度约3 mm。

包气带由单一岩性的岩土层构成的，其渗透系数可通过入渗试验取得或取经验值。对于由多层组成的包气带，渗透系数可按各层经验值再估算出整个包气带均值。由此取得的均值一般偏大，为保守值。该均值的取得基于如下条件。

当入渗水流流向与水平岩土层分界面垂直情况下，在均匀流动时，通过每一层的渗透速度都相同，但因各层的渗透系数不同，因此水力坡度不同。对于每一层可分别表示为:

式中:V为渗透速度，m/s;K1、K2、…、Kn为各层渗透系数，m/s;△H1、△H2、…、△Hn为各分层内的水头差;M1、M2、…、Mn各分层的厚度，m;I1、I2、…、In为各分层的水力坡度。

通过整个岩土层的总水头损失，为通过每一层的水头损失之和，如果从整个岩土层的平均值来考虑，按照达西定律则有如下形式。

式中:Kcp为整个岩土层平均渗透系数，m/s;

上述相同的入渗速度受控于渗透性弱的岩土层。实际的入渗是当渗流遇到渗透性弱的岩土层时会优先在其上渗透性相对强的岩土层中运动，或同时存在水平运动和垂向入渗，以往的研究也给出了明确的结果[3]。但从地下水环评考虑，可采用上述保守的包气带岩土层渗透系数的均值来估算各污染源污水到达含水层的污水量和污染物浓度。估算中的渗漏断面即上述污染景象的渗漏缝大小，水力坡度由各池有效水深和岩土层岩性决定。

3 污染防治措施

各类污水池、沉淀池等废污水贮集处理设施的设计和建设都有相关的防渗技术要求，包气带岩土层厚度、垂向渗透系数及连续稳定性在岩土工程勘察中给出。在此前提下进行的地下水环境影响预测结果如果对项目地下水环境保护目标产生污染，不能满足地下水环境功能要求，则需要采取更为严格的防渗措施，增强池体防渗性能，设置工程防渗层。

在设计和建设过程，通常的做法是在钢筋混凝土池体内表面涂刷防渗阻水材料，在池体底部及外侧设排渗层和柔性防渗层，如采取防渗土工膜防渗层等。预测在采取这些防渗措施后的地下水环境影响结果，直到采取的措施使项目对地下水环境的影响满足环境功能要求。

管理方面，按照行业生产的相关管理要求，各排水及水处理设施应与其他主体生产设施一样建立定期检修维护制度，把废水污水的非正常外泄控制在未出现之前。发现隐患及时处理。

建立地下水长期监控系统，包括科学、合理地设置地下水污染监控井，建立完善的监测制度，配备先进的检测仪器和设备，以便及时发现并控制地下水污染。

4 结语

包气带岩土的渗透性是地下水环境影响评价工作分级中包气带防污性能分级的主要因素。对于由多层岩土层组成的包气带，项目场地有几个污染源时，可按基础最深的设施所对应的岩土层渗透系数和岩土层厚度、连续稳定性划定包气带防污性能分级。

在地下水污染影响预测源强的确定中，包气带渗透系数可用各岩土层渗透系数计算取得的偏保守均值。实际入渗可能因弱渗透层的存在而部分或全部改变流向，成为水平、垂向都存在的流动或者只有水平流动。但与只考虑垂向入渗的平均渗透系数相比减轻了对地下水的影响程度。污染景象的设置应从涉污建构筑物结构特征，以防渗薄弱区池体伸缩缝、后浇带、施工缝等作为可能发生污水渗漏的部位，并确定渗漏部位形状、大小。

在按相关技术规范设计的采取防渗措施前提下，进行项目对地下水影响预测，如果预测结果不能满足地下水环境功能要求，使环境保护目标受到污染，则应要求增强池体防渗性能，设置工程防渗层，直到采取的措施使项目对地下水环境的影响满足环境功能要求。各涉污水设施应与其他主体生产设施一样建立定期检修维护制度，建立地下水长期监控系统，及时发现并控制地下水污染。

[1]环境保护部.环境影响评价技术导则 地下水环境(HJ610－2011).中国环境科学出版社.2011.

[2]丁兆民，李聪婷，雷重军.论污水处理厂混凝土工程防渗措施.市政技术.2009，27(1):49－52.

[3]于青春，陈崇希.渗水试验的饱和－非饱和水运动数值模拟分析.14－19.