应城地区地下水无机污染成因分析

2018-12-19乐嘉祥

资源环境与工程 2018年4期

关键词：盐矿井管第四系

谭伟, 乐嘉祥, 刘勇

(湖北省地质环境总站,湖北武汉 430034)

1 水文地质背景

1.1 地下水类型

根据地下水赋存的含水介质特征、储存和运移空间形态特征,研究区内地下水类型可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碎屑岩类裂隙水和碳酸盐岩类岩溶裂隙水(图1)。

根据水力性质,研究区内地下水可分为:第四系全新统冲积层砂、砂砾(卵)石孔隙承压水,第四系上更新统冲洪积层砂、砂砾(卵)石孔隙承压水,新近系掇刀石组半固结砂岩、砂砾岩裂隙孔隙承压水,古近系云应群文峰塔组砂岩、砂砾岩裂隙承压水,震旦系上统灯影组硅质白云岩岩溶裂隙承压水。另外,第四系中更新统粘土、粘土夹砾(卵)石裂隙中还赋存有少量潜水。

1.2 地下水补径排

1.2.1 松散岩类孔隙承压水

松散岩类孔隙承压水主要分布于府河、大富水、漳河两岸,沿河呈条带状展布,河流断面呈宽“U”形,阶地地势平坦,河流常年有水,地下水主要接受大气降水和地表水垂直入渗补给。在阶地前缘由于靠近河流,除接受上部孔隙潜水补给外还接受地表水补给。在阶地后缘还接受相邻含水层侧向补给,如大富水阶地后缘主要接受新近系掇刀石组半固结碎屑岩裂隙孔隙水侧向补给(图1和图2)。

1.2.2 新近系掇刀石组半固结砂岩、砂砾岩裂隙孔隙承压水

该类地下水主要分布于三合镇—四里棚—杨岭镇—汤池镇以南云应盆地地带,地下水主要接受相邻含水层侧向径流补给,在靠近河流区域还接受上部第四系松散岩类孔隙水补给,如东部府河阶地长江埠地区,上部为第四系松散岩,下部为新近系掇刀石组碎屑岩,该地区机井多为双层含水层,单井涌水量可达500 m3/d,可满足几千人生活用水。另外在西部靠近曹武、皂市地区还接受碳酸盐岩岩溶裂隙水补给(图1和图3),如ZS-ZK7位于汤池镇大陈村,含水层仅2.1 m,但由于其靠近西北部曹武碳酸盐岩地区,地下水补给来源丰富,单井涌水量达245.46 m3/d。地下水总体由西北向东南沿砂岩、砂砾岩裂隙孔隙向盆地中心运移,其排泄方式为人工开采或向相邻含水层排泄。

图1 研究区水文地质概况图Fig.1 General picture of hydrogeology in the study area1.松散岩类孔隙水;2.碎屑岩类裂隙水;3.碎屑岩类裂隙孔隙水;4.碳酸盐岩类岩溶裂隙水;5.粘土相对隔水层;6.双层结构地下水;7.地表水体;8.剖面线及编号;9.钻孔及编号;10.地下水流向。

图2 大富水阶地地下水补径排剖面示意图Fig.2 Sketch map of groundwater rechange profile in Dafu terrace1.粘土;2.粉质粘土;3.粘土夹砾卵石;4.砂砾石;5.粘土岩;6.砂砾岩;7.泥质粉砂岩;8.第四系全新统冲积层;9.第四系上更新统冲洪积层;10.第四系中更新统冲洪积层;11.新近系掇刀石组;12.古近系云应群文峰塔组;13.古近系云应群膏盐组;14.钻孔编号;15.地下水位线;16.地下水流向。

1.2.3 古近系云应群文峰塔组砂岩、砂砾岩裂隙承压水

古近系云应群文峰塔组碎屑岩主要出露于北部地区,出露面积较小,主要接受大气降水补给、远源补给。因含水岩组呈零星式点状或小范围片状出露,导致大气降水补给有限,故水量较小。但因本套地层岩性、裂隙发育程度差异大,导致富水性极不均一,如在三合镇朱家大堰YC-ZK14单井涌水量662.82 m3/d,岩性为胶结程度极差的砂砾岩,含水层埋深>60 m,主要为深部远源补给。地下水总体由西北向东南沿砂岩、砂砾岩裂隙运移,其主要排泄方式为人工开采。

1.2.4 震旦系上统灯影组硅质白云岩岩溶裂隙承压水

地下冷水主要沿岩溶裂隙接受大气降水和相邻含水层补给,整体由西北向东南沿岩溶裂隙径流,于地势低洼处或遇相对弱透水层阻隔以泉形式排泄。区内碳酸盐岩主要为震旦系上统灯影组硅质白云岩,仅出露于汤池石堰水库一带,地表岩性极为破碎,硅化程度较高,见有明显溶蚀现象,为大气降水入渗创造了良好条件。另外,在汤池西部曹武、皂市地区地势逐渐升高,分布有三叠、二叠系灰岩,为该区碳酸盐岩岩溶裂隙水提供了补给来源[1]。

图3 新近系碎屑岩与碳酸盐岩接触带地下水补径排剖面示意图Fig.3 Sketch map of groundwater rechange pofile of contact zone between clastic rock and carbonate rocks of Neogene1.粘土;2.粉质粘土;3.砂砾石;4.粘土岩;5.砂岩;6.泥灰岩;7.第四系全新统冲积层;8.第四系上更新统冲洪积层;9.第四系中更新统冲洪积层;10.新近系掇刀石组;11.古近系云应群膏盐组;12.钻孔编号;13.不整合界线;14.地下水位线;15.地下水流向。

2 污染源调查

应城市地下水污染源主要为工业污染源,即膏盐矿等采矿企业。通过本次调查,工业污染源可分为三大类:第一类为矿业开发过程中所产生的废水和废渣;第二类为储存装置和输运管道的渗漏;第三类为事故类污染源。

2.1 工业废水

工业废水主要为盐矿生产过程中产生的含卤废水。部分盐矿企业将未经处理或处理不达标的生产废水利用管道直接排入周边河沟。特别是应城盐水河一段,由于上游盐矿企业排污,导致沿河水体浑浊,沿岸土壤盐碱化,见照片1-(a)、(b)。再如四里棚盐化大道一带,排污口设置于桥下,致使周边溪沟水体变白,见照片1-(c)、(d)。

通过对部分盐矿周边排污点河沟取样分析(表1),Na+含量最大可达12 674.86 mg/L,Cl-含量最大可达18 248.33 mg/L,已经严重超标。由于这类污染源均以点状分布、排放量大、排放点隐蔽,且具有间断性,危害极为严重。

照片1 研究区排污点Photo 1 Blowdown point in study area

表1 盐矿周边排污点部分指标检测结果Table 1 Detection results of indicators of pollution spots around salt mines

取样点Na+Cl-SO2-4NO-3F-FeMnAsHg中盐长江盐化538.01799.452302.30.510.210.21<0.001<0.05久大盐矿有限992.121 529.381604.240.380.260.4<0.001<0.05孝感广盐华源12 674.8618 248.333 900.32148.8600.780.15<0.0010.1

注:浓度单位Hg为μg/L,其他为mg/L。

2.2 工业废渣

工业废渣主要为膏矿开采产生的废弃矿渣。石膏开采过程中,废弃矿渣长期露天堆存不仅占用大量土地(见照片2),而且由于露天堆放隔水处理不合格,经过雨水淋溶作用,污染物随降水直接渗入地下水,或通过地表径流,沿河道向下游迁移入渗,造成地下水污染。

照片2 石膏矿渣露天堆放Photo 2 Open-air gypsum slag

2.3 储存装置和输运管道的渗漏

盐矿开采中的卤水通过井管运输,其渗漏与流失常常是污染地下水的重要污染源。特别是四里棚盐化大道南部,输卤管道纵横交错,由于使用年限较长,长期裸露在外,常年雨淋日晒,加上人为干扰以及管理不到位,局部井管存在跑冒滴漏等现象。卤水通过运输井管渗漏,长期不被发现的连续性污染导致周边土地盐碱化(见照片3),污染物就地下渗至地下水中,造成地下水污染。据当地百姓反映,上世纪90年代,已经产生了由盐矿管道渗漏污染造成的土壤盐碱化,每年因土壤盐碱化,造成粮食减产甚至绝收农田约13.33 km2,粮食损失约1300万kg。

2.4 事故类污染源

事故类污染源主要为盐矿开采过程中,地下井管破裂、错位导致的井管冒卤。历史上此类事故曾多次发生,如2009年久大(应城)盐矿有限公司,402号生产盐井出现冒卤现象(见照片4),并由此造成过多次盐矿地面塌陷。

照片3 卤水渗漏引起的土地盐碱化Photo 3 Salinization caused by brine leakage

照片4 盐井冒卤Photo 4 Brine of salt well

由于井管长期处于高压工作状态,部分井管年久失修、甚至带病生产,高压卤水沿井管裂口串出,沿岩层空隙直接污染地下水(见图4)。这种偶然性污染源是导致地下水污染最为直接的污染源。

3 污染途径调查

依据水力学特点,应城市地下水污染途径可分为:间歇入渗型,连续入渗型、越流型、径流型。

3.1 间歇入渗型

图4 含水层污染示意图Fig.4 Schematic diagram of aquifer pollution

图5 研究区间歇入渗型地下水污染途径示意图Fig.5 Schematic diagram of groundwater pollution pathways withinterval infiltration 1.粉质粘土;2.砂砾卵石;3.粘土岩;4.含污水;5.石膏矿渣;6.地下水流向;7.地下水位线。

3.2 连续入渗型

图6 研究区连续入渗型地下水污染途径示意图Fig.6 Schenatic map of contionous infiltration groundwater pollution in the study area1.粉质粘土;2.砂砾卵石;3.粘土岩;4.受污染地下水;5.地下水位线;6.土壤盐碱化区域;7.未受污染区域;8.地下水流向。

应城市盐化大道一带,输卤管道纵横交错,局部井管存在跑冒滴漏等现象,卤水中的污染物不断通过包气带渗入含水层(见图6)。据当地百姓反映,这种现象出现于上世纪90年代,长期卤水渗漏导致当地土壤盐碱化,在这种情况下,包气带完全饱水,污染物自上而下长期连续性入渗,污染含水层主要为第四系松散岩类孔隙水,其污染程度主要受污水浓度、包气带岩层厚度及岩性控制。

通过调查发现,盐化大道区域地貌类型为剥蚀堆积垄岗地貌,垄岗与坳沟相间排列,卤水在地势较低的坳沟区域富集,为盐分的汇集提供了良好的地形条件。卤水长期覆盖于第四系松散岩土体表层,随着水分的不断蒸发,其中的水分不断减少而留下盐分,导致Cl-、Na+长期滞留于粘性土层中并沿孔隙下渗,日积月累,土壤含盐量逐渐增加,随着卤水的流动扩散,盐碱化面积越来越大,最终形成一片白色荒地。其污染含水层深度一般在地表以下30 m以内。

3.3 越流型

长期的盐矿开采过程中,注水井始终处于加压—泄压状态,使得部分井管局部破裂造成生产事故,特别是地面塌陷、冒卤等现象时有发生。这类事故使得卤水携带污染物从井管破裂部位通过弱隔水层越流转移到其他含水层,既可以污染潜水也可以污染承压水(图7)。受地层结构及井管破裂深度影响,较难查清越流的具体深度及部位,故此类污染研究较为复杂。

图7 研究区越流型地下水污染途径示意图Fig.7 Schematic map of groundwater flow path in the study area1.粉质粘土;2.砂砾卵石;3.粉砂岩;4.砂砾岩;5.岩盐矿层;6.卤水;7.地下水流向。

通过对盐矿区域水文地质背景调查发现,该区域从上到下大致可分为两个含水层:①第四系松散岩类孔隙潜水含水层(埋藏深度在14～30 m);②新近系掇刀石组半固结砂岩、砂砾岩裂隙孔隙承压含水层(埋藏深度在20～100 m),该含水层具多层结构,由多个具有一定水力联系的含水岩段组成,其间为厚度不均的相对弱隔水层。而井管破裂部位多集中于上述两个含水层接触部位，卤水由上部①含水层通过弱隔水层越流转移至下部②含水层。据盐矿企业物探资料显示,卤水入侵深度可达70～99 m。

3.4 径流型

部分盐矿企业向河沟排污,使得污染物随地表水迁移。特别是盐水河一带,污水通过管道直接注入盐水河(见图8)。由于地表水体侧向渗入,被污染的地表水间接污染地下水,污染物以径流的形式进入含水层,污染含水层主要为第四系松散岩类孔隙水。其污染程度受河流沿岸岩石的地质结构,水动力条件以及水源地距岸边的距离等影响,由于盐水河一带含水层为第四系松散岩类,其污染深度在地表以下30 m以内,污染范围主要为沿河沟及其下游地带,污染长度达4 km。

图8 研究区径流型地下水污染途径示意图Fig.8 Schematic diagram of groundwater flow path of runoff type in study area1.粉质粘土;2.砂砾卵石;3.粘土岩;4.受污染地下水;5.地下水位线。