典型建设项目地下水污染源识别与源强计算

刘国东 黄玲玲 邢冰 徐涛

典型建设项目地下水污染源识别与源强计算

刘国东 黄玲玲 邢冰 徐涛

以化工、火电、造纸和输油管道4个典型项目为例，简单介绍了各类项目的特点和主要工艺，分析了各类项目污染地下水的主要途径且进行污染源识别。针对不同污染途径，给出了污染源计算方法，并用计算结果予以验证。分析表明，建设项目正常情况下地下水污染源强较小，而在非正常情况或风险事故下地下水污染源强较大；大多数情况下可用达西公式计算污染源强。

建设项目；地下水污染；污染源识别；源强计算

建设项目地下水环境影响预测的可信性主要取决于对污染源强的识别与计算，2011年2月，环保部颁布了《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610—2011），并于当年6月1日实施。该导则较详细地规定了建设项目的地下水环境污染评价技术与方法，但对建设项目的污染源识别与源强计算没有更详细的规定。本文将以4个典型的建设项目为例，通过对各类项目地下水污染途径的分析，识别主要的污染源，进而提出计算方法。

1 化工项目污染源识别与源强计算

1.1 项目简况

化工项目具有以下几个主要特点：①流程长、设备多，经常采用特殊材质，自动化程度高；②广泛使用催化过程和高压、高温、深冷等化学工艺过程；③原料多样化、生产方法多样化、产品多样化；④有毒、易燃、易爆、易腐蚀；⑤在生产过程中常含有CO、H2、CH4等易燃、易爆的各种气体，各种酸、碱物料等易腐蚀液体，硫化物及各类有毒有机物质等。若意外渗漏，将会造成严重的环境危害。此外，化学工业排放的废弃物多种多样，若不合理排放，容易对环境造成污染。

某项目在原厂址规模的基础上扩建两条生产线，需要新征土地。工艺以木浆粕或棉短绒浆粕、醋酸酐和冰醋酸、乙酰胺、硫酸、甲醛、高氯酸等为原料和反应剂，通过乙酰化反应、皂化（水解）、过滤、沉淀和熟化、洗涤、沥水、挤压、干燥、研磨生产醋酸纤维薄膜，属于化工类项目。项目建设内容包括生产区、公用工程区、仓储区和辅助生产区，没有特殊防渗措施，只是地面硬化，在车间设置防腐贴面。项目位于长宁河一个山间谷地，厂区地势较平坦，地表为第四系粉质黏土和少量的冲洪积砂砾石层，厚度2～6 m，渗水试验测得垂向渗透系数Kv=0.07 m/d；下伏侏罗系中统遂宁组砂岩、泥岩风化裂隙潜水含水层，是当地居民饮用水井的主要取水层位，地下水位埋深3～15 m，矿化度小于1 g/L。

1.2 地下水污染源识别

分析认为，该项目可能造成地下水污染的主要因素是：①乙酰化生产车间的装置阀门、管道发生化学品“跑、冒、滴、漏”，通过混凝土地面裂隙渗入地下，造成地下水污染，主要污染物是醋酸和硫酸，质量浓度分别为1 708 mg/L和290 mg/L；②运营后期，污水处理池底部长期受压，基础发生不均匀沉降，混凝土开裂，污水渗入地下造成污染，主要污染物为有机污染物，COD质量浓度约为3 000 mg/L。

1.3 源强计算

（1）乙酰化生产车间的“跑、冒、滴、漏”量按流量计的测量误差估计。作为生产原料，经营者主观上不容许物料出现大量损失，应控制在测量误差0.5%以内[1]，则车间内“跑、冒、滴、漏”量M·为：

（2）污水处理池渗透。污水池（底面积5 000 m2）在生产初期，由于基础夯实，水池采用钢筋混凝土结构，具有防渗功能。但在后期，会由于基础不均匀沉降，混凝土出现裂缝，污水渗入地下。如果裂缝太多，出现大量渗水，污水池的计量仪器会有所反应，生产单位将会修复。根据人们对误差的认识，一般情况下，当裂缝面积小于总面积0.3%时不易发觉。因此，参考最严格的水准测量允许误差标准[2]，假设本项目污水池在运营后期池底出现0.3%的裂缝。水池有水，池水进入地下属于有压渗透，这里按达西公式计算源强，计算公式见式（2），计算结果见表1。

式中：Q为渗入到地下的污水量，m3/d；Ka为地面垂向渗透系数，m/d；H为池内水深，m；D为地下水埋深，m；A裂缝为污水池池底裂缝总面积，m2。

表1 污水处理站源强计算结果

2 火力发电项目

2.1 项目简况

火力发电将燃煤热能转化为电能，是高耗能产业。生产过程中，耗水、排污量大且集中，对环境有较大的影响。火电厂所排放的污染物中，对地下水环境可能产生影响的主要来自生产过程中液态物料和废水渗漏以及固体废物淋滤液的渗透。废水包括含煤废水、脱硫废水；固体废物包括粉煤灰、渣和脱硫石膏等。

某火力发电项目设计规模为2×1 000 MW，同步建设烟气脱硫、脱硝设施。厂区北侧设煤场及储煤基地，汽机房朝西，500 kV GIS、主变、厂变及其备变合并进主厂房、毗邻汽机房A排屋内布置；冷却塔区布置于厂区西侧山脚下，油库区及液氨储存区（钢罐）均分别布置于主厂房区固定端，制氢站利用2座冷却塔之间空地布置，厂前建筑布置于厂区东侧，脱硫装置区、除灰设施区均分别布置于烟囱两侧和外侧，厂区总用地面积为90.8 hm2。电厂灰场位于厂址东南侧，坝顶高程为644.00 m，坝长约100 m，坝高20 m。在灰场运行过程中采用袋装灰渣形成石膏分隔。当灰渣和石膏堆至667.00 m高程时（最大堆高为43 m），灰场库容约340×104m3，可满足堆放3年的灰渣和石膏，灰场堆灰面积约27.8 hm2。灰场底部铺设人工防渗层，渗透系数不大于1×10-7cm/s。项目生产废水包括化学酸碱废水、反渗透浓水及反洗排水、脱硫废水、含油废水、含煤废水、锅炉酸洗废水、循环水系统排水等就地分类收集并处理后全部回用。煤场和发电厂区生活污水通过处理能力为10 m3/d和60 m3/d的2个生化处理池处理，含煤废水沉煤池收集预沉再进行过滤处理。所有废、污水均不外排。该项目设有500 m3（底面积100 m2）复用水池1座，含煤废水、生活污水处理合格后的排水，用复用水泵通过管道输送到除灰、运煤等对水质要求不高的用户那里重复使用。水池采用钢筋混凝土结构，池底和内池壁涂抹防腐层。

2.2 地下水污染源识别

厂区水池、柴油罐、氨罐主要通过底部破损而渗透到地下，灰场也因防渗层破损而渗入地下。在正常状态下：①运营后期复用水池和冷却塔循环水池（直径146 m）池底破损，水池中的废水通过裂口渗入地下影响地下水质。复用水池的主要污染物为COD，质量浓度为100 mg/L；冷却塔循环水池中的主要污染物为SO42-和TDS（全盐量），质量浓度分别为611 mg/L和1 320 mg/L。②2个柴油储罐（2×500 m3）、2个氨罐（2×90 m3）罐底埋于地下，底部（面积分别为100 m2和20 m2）长期腐蚀可能发生破损。柴油和液氨通过破损处渗入地下水中，污染物为石油类和氨氮。储罐腐蚀后，底部出现多个腐蚀洞，当泄漏量过大，将会被发现而得到治理，因此可按底面积0.3%计算不被发现的腐蚀洞面积。③灰场防渗层出现破损，灰水从破损处渗入地下水。同源煤质灰渣和石膏浸出试验得到污染物为Hg和SO42-，其中灰渣中Hg和SO42-的质量浓度分别为0.022 mg/L和490.31 mg/L，石膏中Hg和SO42-的质量浓度分别为0.065 mg/L和8 367.63 mg/L。

2.3 源强计算

（1）复用水池、循环水池等池底破损面积按0.3%计算，通过破损处的渗入量仍按公式（2）计算，结果见表2。

表2 复用水池、循环水池源强计算结果

（2）氨罐和柴油罐罐底泄漏量可用伯努利公式[3]计算，即

式中，A为罐底破损面积，m2；ρ为液体密度，kg/m☒；P为储罐内压力，Pa； P0为环境压力，Pa； h为裂缝之上液体的高度，m。储罐下的包气带环境压力为1个大气压，P0=0.1 MPa，对于柴油，P=P0；对于液氨P=0.8 MPa。计算结果见表3。

表3 柴油储罐源强计算结果

（3）灰场灰渣堆面积17.4 hm2，石膏堆面积10.4 hm2。设置防渗层后，降水渗入到灰体并在灰体内形成一个以渗滤液导水管为基点的浸润曲面，防渗层破损后，通过破损面的渗透量可按公式（2）计算，破损面积取灰场占地面积的0.3%，水层厚度取最大堆灰厚度的一半。计算结果见表4。

表4 灰场灰水入渗计算结果

3 造纸项目

3.1 项目简况

造纸厂耗水量大，是工业用水大户，也是大的水污染源。制浆过程污染最大，制浆废水中的污染物主要有黑液、碎屑、渣浆等，主要污染因子是有机物。

某项目建设20万t/a漂白竹浆生产线及其配套设施，并配套建设45万亩竹林基地。项目采用硫酸盐法制浆、低能耗间歇蒸煮、中浓度氧脱木素和无元素氯漂白等工艺；黑液提取率>97%，碱回收率>95%。主要工艺流程如图1。主要生产车间有备料车间、制浆车间、浆板车间、碱回收车间和二氧化氯制备车间，所有车间均采用抗渗混凝土地面，表面涂抹防腐层。项目有液碱、硫酸、甲醇等多种贮罐，罐体均为钢罐，还有黑、白液应急池和污水事故池，厂外设一个占地面积6.85 hm2的渣场，用于堆埋不可综合利用的碱回收绿泥、石灰渣、泥沙等。全厂排水采取“雨污分流、清污分流”，需处理污水量为21 766 m3/d，废水处理将采用“物化预处理+曝气好氧+芬顿氧化及化学混凝沉淀”工艺。

图1 纸浆生产工艺流程概图

3.2 地下水污染源识别

根据分析，该项目对地下水的污染主要包括：①正常工况下生产车间和管道“跑、冒、滴、漏”落到地面或渗入地下，主要污染物为AOX，质量浓度为8.74 mg/L；②储罐泄漏进入地下；③运营后期废水池（底面积1 750 m2）、黑白液应急池（底面积分别为1 250 m2和500 m2）等底部裂缝渗漏污染地下水，主要污染物为COD；④厂外渣场渗透污染地下水。根据工程分析，主要污染物为Pb。除储罐泄漏可视为瞬时点源污染外，其他均属于持久性面状污染源。

3.3 源强计算

（1）生产车间主要物料为AOX，则“跑、冒、滴、漏”形成的污染物源强按公式（1）计算，管道内液体流量623 m3/h，则AOX的滴漏速率为19.06 g/h。

（2）储罐以硫酸储罐最大（80 m3），腐蚀后泄漏对地下水污染明显，泄漏量按公式（3）计算：储罐底面积20 m2，腐蚀孔总面积0.06 m2，浓硫酸密度为1 840 kg/m3，罐内液体高度4 m，则腐蚀后浓硫酸泄漏速率为585 kg/s。

（3）废水池、黑白液应急池等底部裂缝（0.3%底面积）渗漏按公式（2）计算，结果见表5。

表5 废水池和黑白液事故池源强计算结果

（4）厂外渣场利用山凹，通过修建渣坝围成渣库。库区内沿设计的渣顶等高线修建了截洪沟，则渣库只汇集渣堆占地面积上的全部雨水，其余雨水由截洪沟排走。由于本项目的废渣颗粒较粗，一次降雨全部渗入渣中，表面几乎没有积水，因此渣库雨水将全部渗入地下，渗入量Q选用地下水环境影响评价导则推荐的公式，即

式中， α为降水入渗补给系数，由于未形成地表径流也未蒸发，这里α=1；F为渣场汇水面积，m2； X为降水量，mm/a；其他符号含义同上。本地降水量为1 147.1 mm，计算渗漏量为215.3 m3/d；根据该公司其他纸浆场渣场的检测，Pb的质量浓度为2 mg/L，计算Pb渗透速率为0.018 kg/h。

4 输油管道项目

4.1 项目简况

输油管道项目主要由输油管和站场组成。管道布置形式一般有单管系统、双管系统及独立管道系统。敷设方法分为地面敷设、埋地敷设和管沟敷设。为了减少土地占用，一般采用埋地敷设，埋深一般在5 m 范围以内。除站场有少量生活污水排放外，输油管道项目不直接向环境中排放污染物质，环境风险是其主要的环境问题。原油输送过程中，输油管道可能因为自然或人为因素产生破裂，导致油品泄漏。泄漏若发生在河流穿越处，会污染河流；若发生在其他地段，会对浅层地下水造成污染。

某原油管道工程总长199 km，设首站、中间站和末站3个站场。首站至中间站管道外径φ790、输油能力3 000×104t/a；中间站至末站管道外径φ690、输油能力1 500×104t/a。首站设有8座浮顶罐，容积80×104m3。管道敷设方式主要为埋地敷设，设计埋深为1.2 m、山区地段1.0 m。首末站均在海边，管线也沿海边布设，距海岸2～25 km。管线经过平原、丘陵山地、台地和平原，沿线地层有志留系连滩组（Sl）、泥盆系莲花山组（D1l）、信都组（D2x）、天子岭组（D3t）、帽子峰组（D3m）、石炭系尧云岭-英塘组并层（C1y-yt）、黄金组（C1h）、大赛坝组（Cds）、白垩系罗文组（K2l）、第三系南康组（Nn）、第四系更新统湛江组（Qz）、北海组（Qb）、湖光岩组（Qh）、全新统残坡积层（Qdel）和曲界组(Qq)等地层。浅层含水层有第四系粘土、粉质粘土及砂性土（细砂、中砂、粗砂、砾砂等）不等厚互层的松散岩类孔隙潜水，地下水类型有砾岩、含砾砂岩夹粉砂岩、泥质粉砂岩页岩的碎屑岩类裂隙水；有灰岩、白云质灰岩夹少量泥质灰岩、炭质灰岩的碳酸盐岩类溶隙裂隙溶洞水和燕山期花岗岩裂隙水。沿线村落较多，以饮用地下水为主，采取机井、土井和压水井等多种方式开采地下水。

4.2 地下水污染源识别

营运期各站场工作人员日常生活用水、设备设施冲洗废水等经污水处理系统处理后达标排放或用于站场地面冲洗及绿化回用；首站罐区内的含油污水排入含油污水调节池，依托工程含油污水处理站处理达标后排放；输油管道采用外防腐层与强制电流阴极保护相结合的防腐方式，不会渗（泄）漏。因此，正常工况下站场和管道不会对地下水造成污染。

事故风险状态下，（1）首站储油罐在火灾、爆炸、地震等事故状态下，可能导致储油罐破裂，发生原油泄漏，进而污染地下水。（2）输油管道由于地震、人为等因素发生破裂，导致原油泄漏渗入地下，造成地下水污染。

4.3 源强计算

（1）事故风险状态下，假设首站内一组油罐发生破裂，原油泄漏在防火堤内并迅速扩散，且因火灾致使20%的硬化地面被破坏，则原油透过破坏地面渗入地下，造成污染。渗入到地下的原油量可以用公式(2)计算。进入地下水的渗漏速率可用下式计算：

式中，K吸附为包气带土壤对原油的吸附系数，油类物质在土壤中极易被吸附，迁移性弱。研究证明，粘性土对油的去除能力达90%以上[4]。在连续和间歇入渗条件下，在壤土中，柴油大部分集中在深度小于25 cm的土层中[5]；在砂土中，柴油绝大部分集中在35 cm的土层中。按最不利情况考虑，本次计算K吸附取0.8。

根据项目设计资料，原油密度ρ=0.887 t/m3，一个油罐区防火堤内总面积为67 600 m2，防火堤高度为2 m，除去该罐组占地20 096 m2，则防火堤内空地面积为47 504 m2，那么事故破坏的面积A破坏为9 500.8 m2。渗水试验测得原地表Ka=1.27 m/d，地下水位埋深D=2.3 m，油深H=2 m，按达西公式计算渗油量Q=23 266 m3/d，进入地下水的原油渗透率 4 002 t/d。设泄漏6 h后，事故得到有效处理，则6 h内渗入到地下水的原油质量为1 000 t。

（2）事故风险下管道泄漏源强计算。根据设计一旦事故发生，安全监测系统将发出警报，自动阀门将在10 s之内关闭；手动阀门可在15 min之内关闭。按最不利情况考虑，设造成20 m管道被损坏，则原油泄漏速率可用下式计算：

式中，W管存为被损坏管道管存量，kg； W输为泄漏时间内石油输送量，kg；t为泄漏时间，s；d为输油管道内径，m；L为被损坏管道管长，m； ρ为原油密度，kg/ m3； Q输为原油输送流量，kg/ s。

本文假设2处泄漏点，一处位于首站－中间站之间处于地质断裂带附近的黄村，一处位于中间站－末站之间处于岩溶区的大王境村。原油密度最大值为0.887 t/m3，设手动阀门的响应时间为15 min。计算结果见表6。

表6 管道泄漏源强计算结果

5 结论

（1）由前述分析可见，由于污、废水设施都有防渗性能，正常情况下，污染源大小可按工程误差进行估计，一般取防渗区0.3%的破损面积较为适当。通过计算，正常情况下渗入地下的污染物强度很小，一般不会造成地下水污染；

（2）非正常和事故风险情况下，防渗区破损严重，对于火灾、爆炸情景，破损面积可按20%计算。

（3）污染源源强计算要根据污染源的特点选用不同计算公式，而达西公式则是应用最广的公式。

（4）由于地下水环境影响评价起步较晚，尚无系统的观测资料，文中除水文地质参数、设计参数、设施尺寸和污染物浓度外，其他一些参数值来自于假设，其结果尚需斟酌，但污染源识别方法和源强计算公式可为同类建设项目地下水污染源计算提供参考或借鉴。

[1] 翟智民. 液体涡街流量计示值误差不确定度评定[J]. 计量与测试技术, 2008, 35(10): 58-60.

[2] 孙景春, 王玉英. 水准测量允许误差的确定[J]. 吉林水利, 2001(4): 10-12.

[3] 贾沛, 祝启坤. 盐酸储罐泄露事故定量分析[J]. 广州化工, 2009, 39(6): 139-140.

[4] 周丽梅. 腰英台油田(1号区块)石油开发地下水环境影响预测与评价[J]. 地下水, 2009, 31(3): 89-91.

[5] 宁丽, 曾溅辉, 陈广. 柴油在土壤中迁移的试验模拟研究[J]. 安全与环境学报, 2008, 8(3): 1-6.

X523

A

2095-6444(2014)04-0042-05

2013-08-10

刘国东，四川大学水利水电学院教授，博士生导师；黄玲玲、邢冰、徐涛，四川大学水利水电学院。