赤泥堆场污染物对地下水环境的影响研究

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

随着现代社会的进步和发展，地下水污染的防治成为环境污染防治的重点之一。氧化铝厂产生的赤泥，由于其特殊性，需要进行堆填处理，而赤泥具有强碱性，如果处理不当，其渗滤液将对地下水环境产生很大影响。本文结合遵义氧化铝厂实例对赤泥堆场所在区域的地下水环境影响进行研究，并得出相关结论，可为相似条件的地下水环境影响评价提供参考。

1 研究区概况

遵义氧化铝厂赤泥堆场场区为低山溶丘槽谷地貌，总体呈西高东低之势，地势较平缓。场区内最高点位于东侧山顶，海拔高程885.3m，最低点位于西侧洼地处，海拔高程789.8m。谷地相对高差约15.0m。

区域地层分区为扬子地层区黔北地层分区，区内分布有第四系及中下三叠统、二叠系、中上寒武统，缺失石炭系、泥盆系、志留系。构造处于黔北凤风北东“S”形构造变形区，区内背斜、向斜多作等势发育，背斜轴部常出露寒武系，向斜核部多保存三叠系。褶皱一般长10～100km，宽10km，与褶皱配套的走向断层较发育。

播州区属于亚热带季风湿润气候类型，具有气候温和、多云寡照、四季分明、雨水集中，冬无严寒、夏无酷暑等气候特征。地下水主要受大气降水补给，次为溪沟、水库等地表水补给。降水和地表水通过溶隙、溶洞、落水洞等补给地下水。

区域上广泛分布三叠纪、二叠纪及寒武纪可溶岩地层，其间夹多层诸如龙潭组泥页岩、粉砂岩等碎屑岩岩层，受构造控制，区内地层呈北东—南西方向延伸。可溶岩地层岩性硬脆，裂隙发育，场地所在的云贵高原乌江中游新构造运动强烈上升区，地形起伏大，第四系仅分布于局部的谷地、岩溶洼地、山地的斜坡，分布零星，厚度薄。区域气候温暖湿润，降水充沛，乌江河流深切，地下水交替强烈，岩溶发育。三叠系中下统、二叠系中统厚层块状质纯灰岩岩溶发育以管道状、地下暗河为主，寒武系中上统白云岩岩溶发育以溶隙、溶洞为主，地下水分布极不均匀，主要集中于可溶岩地层的溶洞、岩溶管道、碳酸盐岩裂隙溶洞水含水岩组，包括寒武系中上统娄山关组，二叠系中统茅口组、栖霞组，三叠系下统夜郎组第一、二段、茅草铺组，中统狮子山组。岩性以灰岩、白云岩为主，地表落水洞、岩溶洼地，地下岩溶管道、地下溶洞发育，地下水主要赋存于岩溶裂隙、溶洞、岩溶管道中，富水性中至强。

地质构造控制着地层岩性与地貌分布，从而控制着地下水径流、排泄。区域上褶皱轴向呈北东向，碳酸盐岩地层与碎屑岩地层相间部分布，碳酸盐岩裂隙岩溶发育，含较丰富的裂隙溶洞水，碎屑岩裂隙不发育，起到隔水层作用，裂隙岩溶含水层各自形成基本独立的岩溶地下水系统。地下水径流通道为溶隙、溶洞和岩溶管道。岩溶水呈阶梯状向谷地进行集中排泄，地下暗河等大水量地下水排泄点，多在乌江峡谷排泄，乌江是区域上的最低排泄基准面。

2 模型构建

2.1 模型准备

2.1.1 监测孔布设

根据地下水流场以及研究区的地形地貌和周围环境，布设地下水水质监测点共17个，其中6个水质点兼做水位点(1、2、3、4、5、6号)，监测点分布于研究区的上中下游，详细位置见图1。

2.1.2 水质样品采集

按照《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)要求，现场采样，枯水期采用普通瓶取样，平水期、丰水期通过纯净水塑料瓶采集水样，采集完水样立即送回实验室检测。

2.1.3 监测因子

根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)、《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)，结合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和项目污染特征因子考虑，地下水现状监测因子选取pH值、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、挥发酚类、氰化物、砷、汞、六价铬、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、大肠菌群、细菌总数、高锰酸盐指数共21项。

2.1.4 环境水文地质勘察与试验

通过现场水文地质勘察抽水试验，可以确定相关水文地质参数，为地下水环境影响评价数值模拟计算提供背景资料和输入参数等。

赤泥堆场第四系土层均较薄，仅在洼地内存在 0～10m土层，在厂区西北侧漏斗内选取3个点，赤泥

图1 水质监测点及泄漏点位置图

堆场的西侧洼地内选取3个点做渗水试验，得到的数据统计见表1。

表1 渗水试验及土样分析结果统计

2.2 建立模型

2.2.1 模型参数

赤泥堆场内废液总碱度高，且含有铝、砷、氟化物、硫酸盐等多种污染因子，一旦库底发生泄漏，库内赤泥及其废液将泄露至地下水中，进而影响库区及其下游地下水环境。赤泥堆场内渗滤液渗漏，可能造成下游地下水中悬浮物、氟化物、pH值等超标。由于氟化物对于污染响应最明显，故本次模拟的预测因子选择氟化物。

结合项目工程场地水文地质条件和潜在污染源的特征，地下水影响预测采用一维稳定流动二维水动力弥散解析解方程——平面连续点源模型。其解析解为

(1)

2.2.2 泄漏场景

a.模拟情景设置为在有防渗条件下，赤泥沉降区围堰底部破损5%发生泄漏情景下污染物运移，根据赤泥堆场平面布置图确定泄漏点位置,见图1。

b.根据同类赤泥堆场监测的数据，污水中选择的污染物指标氟化物指数浓度为14mg/L，赤泥含水率为41.7%。

在项目厂区四周均设置了观测井，每季度手动监测1次，通过地下水质量监测系统可监测污染物浓度变化以及及时发现污染物泄漏。在防渗层底部破损的情况下，根据每天通过防渗层流失最大库容含水量的5%进行模拟，赤泥堆场最大库容2699.44万m3，故污染物泄露浓度为2699.44万m3×5%×14mg/L×41.7%=78.7967kg/d。

c.溶质运移模型参数设置。M：根据水文地质资料，项目含水层厚度约为20m；水流速度u：根据经验值，渗透系数为0.6m/d。地下水实际流速计算参数见表2。

表2 地下水实际流速计算参数

纵向x方向的弥散系数DL，参考关于纵向弥散度与观测尺度关系理论的相关研究，根据本次场地的研究尺度，模型计算中纵向弥散度选用20m。由此估算含水层中的纵向弥散系数DL=0.18m2/d。

横向y方向的弥散系数DT，根据经验一般DT/DL=0.1，因此，DT取0.0018。

d.预测结果及分析。将相关参数带入水质模型，利用Matlab软件运行得到氟化物在水平方向的运移结果(见图2～图6)，分别给出了在废水贮存池泄露100d、365d、1000d、3650d(10年)、7300d(20年)后污染物在水平方向上的运移范围。

图2 氟化物污染物泄漏100d浓度-运移曲线

图3 氟化物污染物泄漏365d浓度-运移曲线

图4 氟化物污染物泄漏1000d浓度-运移曲线

图5 氟化物污染物泄漏3650d浓度-运移曲线

图6 氟化物污染物泄漏7300d浓度-运移曲线

泄漏发生后，污染物对地下水的影响范围在逐渐增加；在径流方向上，地下水中污染物的浓度在逐渐减小，当氟化物浓度降低为0时，其距离下游保护目标仍有一段距离。因此，在天然流场中，在不考虑地下水大量开采的情况下，赤泥堆场围堰底部破损，对地下水产生的环境影响是可以接受的。

3 结 论

a.赤泥堆场周围的地下水易受污染，需要对可能发生的污染状况进行预测。

b.地下水影响预测采用一维稳定流动二维水动力弥散解析解方程——平面连续点源模型。项目选择赤泥堆场围堰底部破损5%的情景，选取氟化物作为预测因子，利用Matlab软件运行得到氟化物在水平方向的运移结果，溶质运移距离小于100m，距下游保护目标仍有一段距离。

c.赤泥堆场的渗滤液对地下水环境的影响较大，建设单位在加强管理、提高环保意识并严格执行设施防渗设计要求的基础上，应对重点区域加强防渗监测管理，制定应急预案。