大慶市地下水石油類污染系統(tǒng)成因分析

大慶市地下水石油類污染系統(tǒng)成因分析

大慶是中國(guó)著名的石油城市。它是中國(guó)石油和焦炭行業(yè)的主要基地，在經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著極其重要的作用。但由于人口的增長(zhǎng),工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展,地下水開(kāi)采量急劇增加,工業(yè)“三廢”的排放量也在增大,導(dǎo)致地下水環(huán)境發(fā)生了較大的變化。包氣帶和潛水已遭受石油類污染,尤其是納污湖泡區(qū)潛水污染嚴(yán)重。因此,需要對(duì)大慶市地下水石油類污染系統(tǒng)的形成機(jī)制加以研究,為地下水污染的防治提供科學(xué)依據(jù)。本文選取大慶市具有代表性的納污湖泡區(qū)——貼不貼泡區(qū)作為研究對(duì)象,對(duì)地下水石油類污染系統(tǒng)的形成機(jī)制進(jìn)行研究,為大慶市地下水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用策略的制定提供科學(xué)依據(jù)。1南西南西緣經(jīng)濟(jì)研究區(qū)研究區(qū)位于大慶市喇嘛甸鎮(zhèn)西北,東與向榮屯、良種場(chǎng)接壤,西與沈家北泡毗鄰,南與三棱泡交‘界,北與北十里相連(圖1)。區(qū)內(nèi)貼不貼泡呈北東—南西向分布,縱向長(zhǎng)約3km,橫向?qū)捈s1km。研究區(qū)內(nèi)地形四周高,中間低平,在南東和南西有兩處泄水口。區(qū)內(nèi)主要有四個(gè)含水巖層,自下而上依次是:第三系泰康組和第四系白土山組砂礫巖和砂礫石承壓含水層,厚約80m;第四系荒山組飽水粘性土層(弱透水層),厚約51m;最上部為第四系哈爾濱組的細(xì)砂、亞粘土、亞砂土層,厚13~19m。其中,第四系荒山組弱透水層連接著上部的潛水和下部的承壓水,構(gòu)成其上下層的水力聯(lián)系通道。2地下水污染系統(tǒng)的組成和分類2.1湖泡底泥和地下水污染嚴(yán)重人類活動(dòng)所產(chǎn)生的各種污染質(zhì),絕大多數(shù)是從地面隨下滲水流經(jīng)包氣帶進(jìn)入含水層的。很少有直接向含水層排泄廢棄污染物的情況。因此,一般地下水污染系統(tǒng)的組成包括污染源、包氣帶和含水層。因此,根據(jù)該區(qū)地下水賦存環(huán)境特點(diǎn),提出地下水污染系統(tǒng)由污染源(貼不貼泡)、湖泡底泥、潛水層、弱透水層和承壓水層組成。貼不貼泡水體處于弱堿性弱還原環(huán)境。由于石油化工業(yè)向其中排放廢水,致使湖泡水中石油類含量達(dá)0.6mg/l。在湖泡底部,存在有污染嚴(yán)重的底泥。據(jù)大慶市環(huán)保局對(duì)湖泡底泥中污染物的監(jiān)測(cè),在2m深之內(nèi)石油類和芳烴類含量達(dá)2~2900mg/kg土,并隨深度的增加而減小。湖泡下部即為潛水。通過(guò)對(duì)潛水中各觀測(cè)孔水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),對(duì)潛水水質(zhì)威脅最大的主要是石油類。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)潛水被石油類污染范圍是以湖泡為中心,向四周呈半橢球狀擴(kuò)散,構(gòu)成污染暈。其中心的污染質(zhì)濃度為0.6mg/l,向外逐漸降至0.03mg/l。在湖盆的兩個(gè)開(kāi)口處(東南角和西南角)污染暈有向外延伸的趨勢(shì)。污染深度也是以湖泡為中心向下至10m左右,石油類污染質(zhì)濃度降至0.03mg/l以下。在本區(qū)存在有51m厚的粘性土弱透水層,它是聯(lián)系上部潛水和下部承壓水的紐帶,它不僅傳導(dǎo)水壓力,而且是下部承壓水的補(bǔ)給通道。由于其具有特殊的性質(zhì),對(duì)下部?jī)?yōu)質(zhì)地下水起保護(hù)作用。目前,弱透水層中地下水除局部由于石油鉆井破損等原因造成局部污染外,還未見(jiàn)明顯的大面積污染。承壓水層是大慶市的開(kāi)采目的層,它在弱透水層的保護(hù)下,除局部點(diǎn)上由于石油鉆井破損等原因造成局部污染外,仍保持優(yōu)良水質(zhì)。2.2其他系統(tǒng)根據(jù)加拿大水文地質(zhì)學(xué)家托特(J.Toth)的潛水盆地理論循環(huán)模式和區(qū)域水力連續(xù)性理論,結(jié)合該區(qū)地下水流場(chǎng)分析,可將該區(qū)的地下水循環(huán)系統(tǒng)自上而下分為三個(gè)帶:局部循環(huán)系統(tǒng)、淺部循環(huán)系統(tǒng)和深部循環(huán)系統(tǒng)。由于地下水水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)地下水污染系統(tǒng)的形成起主導(dǎo)作用,所以,對(duì)應(yīng)地下水循環(huán)系統(tǒng)可將地下水污染系統(tǒng)劃分為局部污染系統(tǒng)、淺部污染系統(tǒng)和深部污染系統(tǒng)。局部污染系統(tǒng)位于局部循環(huán)系統(tǒng)之中,主要分布于湖泡下部,埋藏淺,分布范圍小,呈半球狀或似半球狀展布。石油類污染質(zhì)濃度0.3~0.6mg/l。淺部污染系統(tǒng)位于地下水淺部循環(huán)系統(tǒng)之中,埋藏較深,分布范圍較大。深部污染系統(tǒng)位于地下水深部循環(huán)系統(tǒng)之中,主要分布于承壓水層內(nèi),但很局部。3地下水污染系統(tǒng)的形成機(jī)制以及水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)污染物質(zhì)下游流動(dòng)的抑制作用3.1地下水污染系統(tǒng)調(diào)查研究目前,研究區(qū)內(nèi)的局部和淺部污染系統(tǒng)已經(jīng)形成,而深部污染系統(tǒng)并未產(chǎn)生。該地下水污染系統(tǒng)的形成與其所處的水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)密不可分。調(diào)查表明,本區(qū)地下水的污染源是含有石油類污染質(zhì)貼不貼泡。污染質(zhì)在對(duì)流、水動(dòng)力彌散、吸附解吸、化學(xué)反應(yīng)和生物過(guò)程等作用下,運(yùn)移于地下水中。3.1.1地下水的流動(dòng)速度ik污染質(zhì)在靜止的地下水中,只有分子擴(kuò)散遷移,而在運(yùn)動(dòng)的地下水中,污染質(zhì)可以隨著水流一起較快地遷移,這就是污染質(zhì)的對(duì)流遷移。污染質(zhì)對(duì)流遷移的數(shù)量與污染質(zhì)的濃度和地下水的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),即IK=C?V(1)ΙΚ=C?V(1)式(1)中,IK為污染質(zhì)對(duì)流遷移量,C為污染質(zhì)在地下水中的濃度,V為地下水的平均流動(dòng)速度。本區(qū)地下水中石油類污染質(zhì)的最大濃度可達(dá)0.6mg/l(湖泡底部),地下水的平均流動(dòng)速度為0.07~0.6cm/d。按(1)式計(jì)算,本區(qū)污染質(zhì)在湖泡底部最大的對(duì)流遷移量可達(dá)3.6mg/(d·m2)?？梢?jiàn),對(duì)流對(duì)該區(qū)的地下水污染系統(tǒng)的形成起極其重要的作用。3.1.2流量分布的不均一性以及流量持續(xù)增長(zhǎng)期孔隙系統(tǒng)中水體的微觀速度的分布無(wú)論其大小和方向都不均一。首先,由于水體的粘滯性,使得孔隙通道軸處的流速大,而靠近孔隙通道壁處的流速小;其次,由于孔隙通道孔徑的大小不均一,引起沿通道軸各最大流速之間的差異;最后,由于介質(zhì)固體顆粒的切割阻擋,流線相對(duì)于平均流動(dòng)方向產(chǎn)生起伏,水質(zhì)點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生迂回曲折。正是由于含水介質(zhì)孔隙系統(tǒng)中微觀速度分布的這種不均一性,使得開(kāi)始進(jìn)入潛水中彼此靠近的石油類污染質(zhì)點(diǎn)群在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地被分細(xì),進(jìn)入更為纖細(xì)的通道分支,從而使污染質(zhì)逐漸在地下水局部循環(huán)系統(tǒng)中散布開(kāi),占據(jù)多孔介質(zhì)越來(lái)越多的空間,并向地下水淺部循環(huán)系統(tǒng)擴(kuò)展,超出僅按平均流動(dòng)所預(yù)期的擴(kuò)展范圍。除微觀尺度的不均勻性外,宏觀尺度的不均勻性,即流動(dòng)區(qū)域中不同部位孔隙介質(zhì)滲透性的不均勻性,特別是本區(qū)弱透水層的存在,也造成了污染質(zhì)的機(jī)械彌散,使得污染質(zhì)在垂直向下方向上受阻,而改向水平方向彌散。3.1.3污染質(zhì)運(yùn)移的影響由于地下水中所含污染質(zhì)的濃度不均一而引起污染質(zhì)的輸運(yùn)。濃度梯度的存在,使得靠近貼不貼泡的高污染質(zhì)濃度處的污染質(zhì)向周圍低濃度處運(yùn)移,以求濃度趨于均一。在該地下水污染系統(tǒng)中,機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散以不可分開(kāi)的形式同時(shí)起作用,合起來(lái)就是水動(dòng)力彌散。水動(dòng)力彌散使污染質(zhì)既沿平均流動(dòng)方向擴(kuò)展,又沿垂直于平均流動(dòng)方向擴(kuò)展,即通常所說(shuō)的縱向彌散和橫向彌散。正是由于橫向彌散的存在,使得污染質(zhì)由局部污染系統(tǒng)向淺部污染系統(tǒng)擴(kuò)展。而縱向彌散只是使污染質(zhì)在一定的地下水循環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)移。污染質(zhì)在運(yùn)移途中,還要受到含水介質(zhì)對(duì)它的吸附,特別是粘性土弱透水層對(duì)石油類污染質(zhì)有很強(qiáng)的吸附能力。此外,含水系統(tǒng)中的生物和化學(xué)物質(zhì)對(duì)石油類污染質(zhì)也有不同程度的作用,只是在本區(qū)這種作用與其它作用相比可忽略不計(jì)。綜合上述,本區(qū)的石油類污染質(zhì)一方面在地下水對(duì)流、水動(dòng)力彌散、解吸等作用下運(yùn)移于地下水中,造成地下水中的污染質(zhì)濃度不斷增加,污染范圍不斷擴(kuò)大;另一方面,由于含水介質(zhì),特別是本區(qū)的粘性土弱透水層對(duì)石油類污染質(zhì)具有的吸附作用,多孔介質(zhì)中含有的微生物和其它化學(xué)物質(zhì)對(duì)污染質(zhì)所起的生化反應(yīng)等作用又會(huì)減小污染質(zhì)在地下水中的濃度。本區(qū)的地下水污染系統(tǒng)就是在它們的共同作用下形成的。3.2飽和粘度土弱透水層在流動(dòng)的地下水系統(tǒng)中,污染質(zhì)主要是在對(duì)流和機(jī)械彌散作用下運(yùn)移,而決定對(duì)流和機(jī)械彌散作用強(qiáng)弱和污染質(zhì)運(yùn)移方向的又是地下水水動(dòng)力場(chǎng)。也就是說(shuō),水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)地下水污染系統(tǒng)的形成和發(fā)展起決定性作用。本區(qū)潛水和承壓水之間存在有51m厚的飽和粘性土弱透水層,其滲透系數(shù)很小,小于0.2cm/d。該層的存在使得區(qū)內(nèi)形成了如圖2所示的水動(dòng)力場(chǎng)。由圖2可知,貼不貼泡具有匯的性質(zhì),其與弱透水層之間存在一“駐點(diǎn)”。“駐點(diǎn)”上方水流向上,“駐點(diǎn)”下方水流向下。這時(shí),在“駐點(diǎn)”上方,來(lái)自湖泡的本來(lái)向下運(yùn)移的石油類污染質(zhì)正好與水流方向相反。因此,這將有利于污染質(zhì)向湖泡中排泄而阻止其下移。豐水期,貼不貼泡的水位升高,具有源的性質(zhì)時(shí),貼不貼泡下部的“駐點(diǎn)”就會(huì)消失,水流與污染方向一致,污染質(zhì)下移速度將會(huì)加快,但弱透水層的存在,又使得向下的水流速度變小,對(duì)流強(qiáng)度減弱,而且,垂向滲透性的減弱導(dǎo)致垂向水動(dòng)力彌散作用減弱。豐水和枯水季節(jié)周期性的變化,“駐點(diǎn)”可周期性出現(xiàn)。所有這些又大大減緩污染質(zhì)下移速度。4水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)地下水的污染治理存在的意義(1)大慶市地下水石油類污染系統(tǒng)是被石油化工業(yè)排放的廢水污染了的湖泡水中的石油類污染質(zhì)由湖泡進(jìn)入地下含水系統(tǒng),再以地下水循環(huán)系統(tǒng)為載體,在地下水對(duì)流、水動(dòng)力彌散、吸附解吸、生化反應(yīng)等共同作用下形成的。(2)地下水對(duì)流、縱向彌散使污染質(zhì)在一定的地下水循環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)移,而橫向彌散又使污染質(zhì)向臨近的地下水循環(huán)系統(tǒng)中運(yùn)移。(3)水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)地下水污染系統(tǒng)的形成起主導(dǎo)作用,而且,不同的水動(dòng)力場(chǎng)對(duì)地下水的污染起不同的作用。當(dāng)污染源具源的性質(zhì)時(shí),此時(shí)的水動(dòng)力場(chǎng)會(huì)加劇地下水的污染。當(dāng)污染源具匯的性質(zhì)時(shí),在局部循環(huán)系統(tǒng)和深部循環(huán)系統(tǒng)之間將會(huì)出現(xiàn)“駐點(diǎn)”,此時(shí)的水動(dòng)力場(chǎng)有利于污染質(zhì)的排泄,從而控制地下水的污染,使污染了的地下水向好的方向發(fā)展。(4)具有強(qiáng)吸附能力的弱透水層的存在導(dǎo)致在弱透水層附近及其內(nèi)部垂向滲透能力減弱,垂向?qū)α?、機(jī)械彌散作用隨之減弱,再加上豐水和枯水季節(jié)周期性的變化,“駐點(diǎn)”周期性出現(xiàn),以及弱透水層粘性土又具有很強(qiáng)的吸附能力,所