典型石灰岩区地下水污染途径分析_王万金.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 003典型石灰岩区地下水污染途径分析王万金，郑明英(贵州省地质矿产勘查开发局 111 地质大队，贵州 贵阳 550081)摘要贵州岩溶山区具有典型“双重”空间结构，以贵州某填埋场地区域的地下水系统为研究单元，从水文地质结构角度出发，通过收集控制点、水文地质钻探、地下水位及水质动态监测数据，并综合典型受污染地下水系统的环境水文地质数据，研究典型石灰岩区地下水污染的途径，重点针对污染物进入潜水地下水途径进行分析论证。结果表明:按照自上而下的水文地质空间结构情况，填埋场污染物进入潜水地下水的途径可归纳为 4 大途径 6 个亚途径，各途径污染物运移介质分别为大气降水 渗滤液、大气降水 表层岩溶水、大气降水 表层岩溶水 渗滤、渗滤液、表层岩溶水 潜水和潜水;其中以大气降水作为污染物运移介质的污染途径均具有间歇性，而潜水饱水带内完成的污染物迁移、运移途径(途径 4)是该类石灰岩区地下水污染的重要途径。研究结论为岩溶山区地下水污染治理提供依据。关键词岩溶;石灰岩区;地下水;污染途径中图分类号P641 2;X523文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0007 02收稿日期2023 02 06基金项目贵州省地勘基金研项目(黔自然资函 2021 244 号);贵州省水文地质志修编(MCHC ZG20212206 1)作者简介王万金(1982 )，男，贵州铜仁人，高级工程师，主要从事环境水文地质方面工作。通讯作者郑明英(1986 )，男，福建福州人，高级工程师，主要从事环境水文地质方面工作。Analysis of groundwater pollution pathways in typical limestone areasWANG Wan jin，ZHENG Ming ying(111 Geological Brigade，Guizhou Geological and Mineral Exploration and Development Bureau，Guiyang，Guizhou 550081)Abstract:Guizhou karst mountainous area has a typical dual spatial structure Taking the groundwater system of a land-fill site in Guizhou as the study unit，the research unit is based on the hydrogeological structure，collecting control points，hydrogeological drilling，groundwater level and water quality dynamic monitoring data，and integrating the environmentalhydrogeological data of typical contaminated groundwater systems to study the pathways of groundwater pollution in typical lime-stone areas，focusing on the analysis and demonstration of the pathways of pollutants into submerged groundwater The resultsshow that，according to the top down hydrogeological spatial structure，the landfill contaminants enter submerged groundwa-ter through four major pathways and six subpathways，and the contaminant transport media for each pathway are atmosphericprecipitation leachate，atmospheric precipitation surface karst water，atmospheric precipitation surface karst water percolation，leachate，surface karst water submerged and submerged，respectively;The contamination pathways that use at-mospheric precipitation as a contaminant transport medium are all intermittent in nature，while the contaminant migration andtransport pathway(pathway 4)completed within the submerged water filled zone is an important pathway for groundwatercontamination in this type of limestone area The findings of the study provide a basis for groundwater pollution management inkarst mountainsKey words:Karst;Limestone zone;Groundwater;Contamination pathways贵州省基岩裸露，碳酸盐岩面积 71 7%1，有利的岩溶山区地形，山谷和岩溶洼地成为“理想”的固体废物填埋场所，但往往也是复杂的岩溶和地质构造，造成了污染物的渗漏、污染地下水。地下水污染向来是全球关注、研究的重要问题之一。雅贝尔(1979)2 将污染物进入地下的通道归纳为:通过包气带渗入，由集中通道直接注入，由地表水体侧向渗入，含水层之间的垂直越 流 四 种 类 型。林 年 丰(1990 年)3、王 焰 新(2007)4、卢丽(2018)5 等按照水力学原理为基础，概况了地下水污染途径的四种类型:间歇性入渗型、连续入渗型、越流型、径流型。丁坚平等(2014 年)6 根据含水介质类型，将渗漏污染类型:裂隙溶洞含水系统渗漏、溶洞裂隙含水系统渗漏、裂隙溶孔含水系统渗漏和采空区系统渗漏。但针对石灰岩区地下水污染途径目前尚未有较为成熟的、系统的研究。文章以地下水系统为研究单元，通过典型的、受污染地下水系统的环境水文地质数据采集，研究污染物在“三水转化”过程中含水层子系统、流动子系统、动力场子系统、信息子系统的赋存和迁移特征，总结了石灰岩区地下水污染的途径，为岩溶山区地下水污染提供基础技术支撑。1研究区概述研究区是一个完整的地下河系统，该系统位于河间地块，补给区的岩溶地貌组合类型以溶丘洼地为主，主要含水72023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3岩组有寒武系第二统清虚洞组(2q)的石灰岩，岩溶含水介质组合类型主要为裂隙 溶洞和溶洞 管道。受地表水文网和地质构造控制，总体地下水流向由北向南径流(图 1)。图 1区域地质构造纲要图垂向上，按含水子系统角度上，地下河系统划分为表层岩溶带地下水系统(包气带水、上层滞水)与潜水带地下水系统(潜水);污染源所在区域潜水的地下水位埋藏深度 47 8 52 5 m(图 2)。图 2区域水文地质剖面图2污染途径概述本次分析的污染途径主要针对污染物是通过怎样途径进入潜水地下水。区内填埋场(污染源)地下水埋藏深度大，可排除“上游潜水地下水直接冲刷填埋场，而导致污染物进入潜水地下水”的污染途径。综合分析水文地质钻探、地下水位和水质动态测试数据，按照自上而下的水文地质空间结构情况，将填埋场污染物进入潜水地下水的途径归纳为 4 大途径 6 个亚途径(图 3和表 1)。表 1地下水污染途径一览表途径发生区域赋存空间污染物运移介质持续时间特征途径 1包气带孔隙大气降水 渗滤液间歇性途径 2 1包气带岩溶大气降水 表层岩溶水间歇性途径 2 2包气带岩溶大气降水 表层岩溶水 渗滤液间歇性途径 3 1包气带岩溶渗滤液持续性途径 3 2包气带 潜水带岩溶表层岩溶水 潜水持续性途径 4潜水带岩溶潜水持续性3污染途径特征分析3 1途径 1该途径主要在包气带内完成。大气降水落至填埋场，被填埋体吸收后，填埋体内原有、含污染物的渗滤液，接纳、吸收大气降水补给水源、再直接穿透填埋场，垂直入渗补给潜水。随着生态环保意识和措施的加强，填埋场已经封场，表面有防渗膜等措施、且填埋体内渗透系数小。为此，该途径的污染量极小。图 3地下水污染途径剖面图3 2途径 2 1该途径主要在包气带内完成。大气降水落至填埋场周边的斜坡，在斜坡一带发育的溶蚀裂隙直接冲刷填埋体，填埋体内的污染物随之进入潜水，污染地下水。调查获悉，填埋场内原始洼地内部发育表层泉，判断原始状态下，该地下水污染途径是存在的。资料显示，随着生态环保意识和措施的加强，截洪沟(集中收集雨水)、侧面和底部防渗膜的铺设，该途径直接冲刷污染物的量极小。3 3途径 2 2该途径主要在包气带内完成。大气降水落至填埋场周边的斜坡，在斜坡一带发育的溶蚀裂隙，该裂隙排泄的包气带水与填埋体有一定的水力联系，污染物在分子扩散等作用下，运移下渗进入潜水，污染地下水。该途径可由 ZK12 号钻孔的水位变幅和污染物浓度分布得到验证:由表 2 可 见，在 降 雨 前，ZK12 号 钻 孔 地 下 水 位 高 程418 20 418 21 m，污染物 1 的浓度 0 27 0 47 mg/L、污染物 2 的浓度 30 69 55 77 mg/L;降雨后，ZK12 号钻孔地下水位上涨至 460 11 m，污染物 1 和污染物 2 的浓度降低至0 05 mg/L 和 0 19 mg/L。随后，ZK12 号钻孔地下水位开始降低、恢复，但污染物 1和污染物 2 的浓度恢复较缓慢，且恢复程度差异较大，分析原因主要为包气带接受新的大气降水(无污染的溶液)，与堆积体内的污染物有一定的水力联系，且两种污染物的特性有差异(污染物 1 为较稳定、易沉淀的金属类污染物、而污染物2 为易挥发、已转换的无机污染物)，造成了 ZK12 号钻孔的污染物浓度与大气降水呈“负相关”且有明细的“滞后性”(图 4)。3 4途径 3 1该途径主要在包气带内完成。填埋体内的渗滤液直接入渗补给潜水，污染地下水。该途径可由本次调查获悉，填埋场内原始洼地内部发育有 K27、K31、K33 号落水洞，以及表层泉等表层岩溶带发育得到验证。3 5途径 3 2该途径主要在包气带与饱水带之间完成。库底发育的裂隙、溶洞、岩溶潭等岩溶空间被锰渣充填后，在毛细力作用下，污染物以分子扩散为主(高浓度扩散至低浓度)的方式，运移至潜水，污染地下水。该途径可由填埋场底部发育有一条规模较大的溶蚀裂隙，结合附近实施的(下转第 129 页)8第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月标体系，根据标准对各指标进行评价，从而确定干旱情况。(3)将该土壤墒情预测模型应用于安徽省淮北区 2018年冬季旱情评估，检验结果与实际情况基本一致，说明该模型具有很好的适用性。参考文献 1李敬明，倪志伟，朱旭辉，等 基于佳点萤火虫算法与 BP 神经网络并行集成学习的旱情预测模型J 系统工程理论与实践2018 38(05):1343 1353 2陈小凤，王再明，王振龙，等 基于土壤墒情模型的旱情评估预测模型研究J 中国农村水利水电 2014(05):165 169 3牛宏飞，张钟莉莉，孙仕军，等 土壤墒情预测模型对比J 中国农业大学学报 2018 23(08):142 150 4乔光建 北方干旱地区土壤墒情预测模型J 南水北调与水利科技 2009 7(01):39 42 5王铁英，王仰仁，战国隆，等 基于实时含水率数据的土壤墒情动态建模及预测J 中国农业气象 2021 42(01):13 23 6冀荣华，张舒蕾，郑立华，等 基于多值神经元复数神经网络的土壤墒情预测J 农业工程学报 2017 33(S1):126 131 7吴敬东 神经网络法在土壤墒情预测中的应用J 吉林农业2017(18):80 8米长虹，王铄今，侯显达，等 基于东北区吉林省监测数据的土壤墒情综合诊断模型验证J 生态学杂志 2017 36(12):3392 3398(上接第 8 页)ZK15 钻孔水位和污染物浓度得到验证。此外，该途径还存在地温差的作用，将液态的潜水地下水蒸发，形成气态、上升，到达一定高度后，受温度降低、填埋体隔水等作用，气态地下水液化时，冲刷、溶解填埋场或包气带内的污染物，再类似“途径 3 1”污染潜水地下水。表 2ZK12 钻孔地下水位及污染物浓度一览表上图编号2021 年 12 月 20 日2021 年 12 月 29 日2022 年 1 月 5 日2022 年 1 月 10 日2022 年 1 月 18 日污染物 1污染物 2污染物 1污染物 2污染物 1污染物 2污染物 1污染物 2污染物 1污染物 2浓度/mg/L0 4736 740 2730 690 3655 770 050 19 0 0050 91水位高程/m418 21418 2418 21460 11436 41备注:2022 年 1 月 9 日 10 日降雨图 4ZK12 钻孔污染物浓度历时曲线图3 6途径 4该途径主要在主要在饱水带内完成。该途径亦有“途径3 2”的毛细力作用，但主要作用为:由于塌陷或溶质运移等多方面原因，溶质(污染物)进入饱水带含水层和包气带内的岩溶空间、并储存起来(相对封闭、静态)。图 5S1 地下河出口污染物浓度与降雨量历时曲线图在无降雨时期，主要是受地下水的垂向和水平运动，以潜水地下水作为污染物运移介质，将污染物迁移、运移至下游及 S1 地下河出口;在降雨时期，在地下水动力作用下，冲刷了该部分的溶质(污染物)，致使 S1 地下河出口水中的溶质(污染物)浓度升高，呈现出与降雨量“正相关”特征(图5)。可见，该途径是该类石灰岩区地下水污染的重要途径。4结语地下水污染机理是一项极为复杂的工作，尤其岩溶山区，岩溶发育的不均匀性、地下水赋存的差异性、水动力条件的各项异性，使得污染物在岩溶水中的迁移有别于均质介质地区。文章尝试从污染物(溶质)及污染物运移介质(地下水、溶液)两大方面出发，以地下水系统为研究单位，通过综合研究水文地质钻探、地下水位和水质动态测试数据，根据水文地质空间结构特征，将填埋场污染物进入潜水地下水的途径归纳为 4 大途径 6 个亚途径，其中以大气降水作为污染物运移介质的污染途径均具有间歇性，而潜水饱水带内完成的污染物迁移、运移途径(途径 4)是该类石灰岩区地下水污染的重要途径。参考文献 1王明章 贵州省岩溶区地下水与地质环境M 北京:地质出版社 2015 2雅贝尔 地下水力学M 地质出版社 1979 3林年丰 环境水文地质学M 地质出版社 1990 4王焰新 地下水污染与防治M 地质出版社 2007 5卢丽，等 西南地区典型岩溶地下水系统污染模式J 南水北调与水利科技 20186丁坚平，等 贵州岩溶地下水渗漏污染预测及防治M 地质出版社 2014 7韩至钧，金占省 贵州省水文地质志M 1996 8贵州省地质环境监测院 贵州省地下水资源评价报告2002 9贵州省地质调查院 贵州省区域地质志 2017921第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月