基于GMS模擬預測硫酸儲罐泄漏對地下水環境的污染
——以南寧某飼料添加劑廠為例

梁一敏,藍俊康

(桂林理工大學 環境科學與工程學院,廣西 桂林 541006)

硫酸在工業生產中有著重要地位,它是化肥、醫藥、冶金、染料、化纖、精細化工、礦物加工、制藥、石油煉制和各類有機無機化工行業不可或缺的催化劑、溶劑和生產原料[1]。但硫酸具有強烈的腐蝕性和氧化性,屬于危險性極大的8.1類酸性腐蝕品[2],硫酸儲罐一旦發生泄漏后可能引發火災、爆炸、中毒等事故。資料顯示,引發硫酸儲罐泄漏的原因很多,主要有儲運設施缺乏維護,罐體或管道開裂[3],地震、大風等自然災害使硫酸儲罐發生傾覆和滑移,制罐工藝技術不合格、設備(材料)固有缺陷[4]等。

1 研究區的水文地質條件

1.1 自然地理概況

研究區位于廣西南寧市某工業區內,區內為低山丘陵地貌,地面標高65～120 m,項目西側為郁江,東為甘棠河,兩條河流地勢均較低(地面標高65 m),河間的分水嶺處較高(圖1)。區內為亞熱帶季風氣候, 雨量較為充沛, 多年平均降雨量為1 427 mm,降雨主要集中在4—9月。

1.2 地層巖性

根據水文地質測繪和區域地質資料,研究區內地下水類型主要有: 松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水兩大類,其巖性及富水性如下:

圖1 區域水文地質圖Fig.1 Regional hydrogeological map1—裸露型巖溶水,水量中等;2—裸露型巖溶水,水量貧乏;3—覆蓋型巖溶水,水量中等;4—覆蓋型巖溶水,紅層鈣質礫巖裂隙巖溶水,水量貧乏;5—層狀基巖裂隙水,水量豐富;6—層狀基巖裂隙水,水量中等;7—分水嶺;8—居民區;9—河流;10—地層界線;11—水文孔及其編號;12—地表水水位、水質監測點;13—地下水位觀測點;14—地下水流向;15—項目生產車間輪廓；16—樣號

(1)松散巖類含水巖組。其巖性主要包括填土(Qml)、 耕表土(Qh)及殘積土成因的粉質粘土(Qel),厚度0.5～4.2 m,富水性弱-中等。

(2)孔隙裂隙含水巖組。具體包括:

① 古新統(E1):上部含礫粗砂巖,不等粒砂巖,含水中等,泉水流量1～50 L/s;

② 古近系始新統(E2):底部礫巖或礫狀砂巖,下部含礫粗砂巖、礫狀砂巖,上部泥巖、砂巖,富水性弱,泉水流量0.1～1.0 L/s。

③ 白堊系(K):粉砂巖;灰黃色、棕紅色,局部夾薄層泥質粉砂巖或粉砂質泥巖,富水性弱-中,泉水流量0.1～50 L/s。

④ 泥盆系(D):東崗嶺組(D2d)和榴江組(D3l)，中—厚層狀灰巖,局部夾少量硅質巖、白云巖、生物灰巖,含水量中等,枯季泉水流量2.0～6.0 L/s。

1.3 地質構造及地震

研究區在區域地質構造上處于NEE向高峰-昆侖關復式背斜之高峰背斜南翼, 表現為向SSE 傾斜的單斜構造,調查區內無大的斷裂帶通過(圖1)。該地區建筑抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g。據歷史記載沒有4級及以上的地震發生。

1.4 地下水的補徑排特征

研究區內的地下水主要靠大氣降雨的補給[5]。受地形的控制,區內地下水流向由河間的分水嶺向兩側河流(即郁江和甘棠河)排泄。項目所在地的地下水流則向東排入甘棠河。因地層的透水性和富水性差,研究區內沒有水井,地下水的排泄主要通過徑流向附近的江河排泄。

1.5 水文地球化學特征

2 水文地質勘察

2.1 水文地質測繪

在評價區內開展1∶10 000的區域地質和水文地質綜合調查,面積約18 km2,以查明調查區內的水文地質條件并劃分出項目區所在的水文地質單元,獲得項目的區域水文地質圖(圖1)。然后對項目所在水文地質單元區進行水文地質詳查,重點調查該區域內的企業分布特點、民井分布規律、含水介質的富水性及滲透性、地下水的補排特征、地下水位及水質情況。同時對地下水露頭處和河水位進行統一的水位觀測。

2.2 鉆探

因項目區所在的水文地質單元內地下水的露頭過少(天然露頭僅4處), 需補鉆5個水文孔。 其位置分別為:廠區內上游1個(ZK2)、 廠區1個(ZK1)、 廠區西側1個(ZK3)、 廠區下游2個(ZK4、 ZK5)。 這些水文孔的孔徑均為130 mm, 孔深10～30 m, 套管護壁, 鉆孔深度以鉆到地下水位之下10 m或深入到微風化細砂巖或微風化礫巖(以微風化層為含水層的底板)為止。

2.3 水位監測

在項目區所在的水文地質單元內設立9處地下水水位監測點,利用電測水位計進行監測,同時在郁江和甘棠河也分別設點監測河水位。水位監測頻率為每月1次,連續監測9個月(跨越豐、 平、 枯水期)。

表1 2017年7月25日各監測點的水位監測值

2.4 水文地質試驗

由于研究區地層的透水性較差,抽水試驗不適宜采用,改用注水試驗求參。在勘察階段分別對ZK2、ZK3、ZK4孔的強風化層和中風化層分別作了鉆孔的注水試驗。

對于常水頭注水試驗,當試段位于地下水位以下時,測試土層的滲透系數,按《水利水電工程注水試驗規程》(SL 345—2007)推薦的公式計算。即[6]

(1)

式中:K為試驗土層的滲透系數(cm/s);Q為注入流量(L/min);H為試驗水頭(cm), 為試驗水位與地下水位之差;A為形狀系數(cm), 按下式求得。

(2)

對于降水頭注水試驗,巖土層的滲透系數也按《水利水電工程注水試驗規程》(SL 345—2007)推薦的公式計算。當試段位于地下水位以下時,有

(3)

式中：t1、t2為注水試驗某一時刻的試驗時間(min);H1、H2分別為t1、t2時的試驗水頭(cm)， 等于試驗水位與地下水位之差。

注水試驗結果顯示,隨著地層的含泥量的不同而差異很大,中風化泥質粉砂巖的透水性為0.045～0.066 7 m/d,中風化含礫粉砂巖為0.12 m/d;填土及表土的滲透系數為0.056 m/d。

3 地下水流數值模擬

3.1 地下水流場的數學模型

考慮地下水垂向流動,在預測時把地下水流視為三維的非穩定流, 據《環境影響評價技術導則 地下水環境》(HJ 610—2016)[6]及文獻[7-9]推薦的公式

(4)

3.2 邊界條件

平面分界:模擬區北部、南部邊界均以地表分水嶺為第二類邊界(隔水邊界), 東側以甘棠河為定水頭邊界(已知水頭邊界, 或第一類邊界)。西側以郁江、班江為定水頭邊界。由于含水層底板為隔水性能良好的微風化泥質砂巖,因此可按照局部分水嶺劃分出2個相對獨立的水文地質單元。

垂向分界: 上界面為潛水, 為自由邊界， 其高度根據實測水位值及插值求得; 底部以厚層狀微風化的砂巖或泥巖的頂面為隔水邊界, 即第二類邊界。

3.3 概化模型的內部結構

把含水介質概化為以下3層:① 松散的表土層(雜填土層+表土+殘積粉質粘土層);② 強風化砂巖層;③ 中風化砂巖層。把微風化砂巖層作為隔水層,其頂板作為含水層的隔水底板,即微風化層不納入到計算單元網格中。此外,為了簡化計算,各含水介質層均被概化為均質各向同性介質。

3.4 水文地質參數

(1)初值的確定:① 包氣帶的入滲系數值:調查區內表土主要為粉土、粉質粘土,且很多地方被廠房和水泥路面所覆蓋,綜合取降雨入滲系數0.10；② 含水層的滲透系數:根據鉆孔注水試驗的結果[2],并結合《環境影響評價技術導則 地下水環境》(HJ 610—2016)附錄B的經驗值取(填土及表土層0.75 m/d, 殘積粉質粘土0.075 m/d, 強風化砂巖0.65 m/d, 中風化層0.03 m/d)。

(2)反求參數:以注水試驗等所得參數為基準,將孔水位、地下水露頭等共10處地下水位實測值及河水位的實測值輸入到模型中,降雨量則采用水位觀測前3日的降雨量,通過微調有關參數,使計算所得的水位值與各觀測點的實測地下水位值吻合。當模擬的水位值與實際觀測水位很接近時(擬合效果如圖2)就認為,經過調整過的水文地質參數可信,能被用于后續的水質預測之中[10-11]。

3.5 模型的離散化

研究范圍是一個不規則的區域,綜合考慮到網格密度對求解精度和計算時間的影響及垂向上避免疏干單元的出現,需對研究區的網格進行合理的剖分。本次模擬平面上共為50行、50列,共計2 500個矩形單元體。地形高程以散列點的形式輸入到模型中,然后運用IDW插值法進行賦值,結果得到的地形圖如圖3所示。本次模擬采用3 d作為一個時間步長[12]。

圖2 監測孔的擬合效果圖Fig.2 Simulation effect for observation wells

圖3 模擬區的原始地貌圖Fig.3 Primitive landforms of the monitoring area

3.6 地下水流場的模擬結果

對地下水流場進行數值模擬,得到的計算結果用來繪制研究區的地下水等水位線圖(圖4),可以了解地下水和地表水之間的水力聯系、流場內各水質點的地下水運動方向,以預測未來污染物的遷移方向。

4 硫酸儲罐泄漏事故對地下水環境影響預測

南寧某飼料添加劑生產企業為獲得純凈的硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸銅等成品的飼料添加劑,該廠以氧化鎂粉、氧化鋅粉、氧化銅粉為生產原料,用濃硫酸浸出,再經除雜和凈化等工序,因此該廠在日常生產中需用大量的濃硫酸,這些純濃硫酸平時被儲存在兩個大的儲罐里。以下假設其中的一個儲罐突然發生泄露,對大量的濃硫酸滲入地下對地下水環境造成的污染作模擬預測。

4.1 溶質運移模型

三維水動力彌散問題的數學模型為[6,13]

初始條件:

圖4 模擬區地下水等水位線圖Fig.4 Isopiestic line of groundwater table map for simulation area

C(x,y,z,t)=C0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,t=0 ;

(6)

第一類邊界條件(給定濃度邊界):

C(x,y,z,t)|Γ1=C(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ1,t≥0;

(7)

第三類邊界條件(給定溶質通量邊界):

(8)

水動力彌散系數的確定:根據於紅等在定邊東北部潛水含水層野外彌散試驗測定,細砂、粉細砂、粉土及粉質粘土的縱向彌散度為0.005 8～0.006 4 m[14]。因此,本項目取縱向彌散度為0.006 m,橫向彌散度按縱向彌散度的1/8取經驗值[15]。

4.2 預測方法

硫酸儲罐的泄漏量估算:設儲罐的裂口面積為0.01 m2,并假設儲罐泄漏后,安全系統報警,操作人員在20 min內使儲罐泄漏得到控制,并在泄漏物料上方噴灑泡沫,覆蓋泄漏物料阻止泄漏液體揮發,同時采取有效的收集措施,將泄漏物料收集到備用儲罐。根據本項目硫酸儲罐的容積(總容積22 m3),估算出在20 min泄漏量約為552 kg。以濃硫酸密度為1.84 t/m3,泄漏的體積=0.552 t/1.84=0.3 m3=300 L, 按地表的入滲系數為0.1計算,泄漏液向地下含水層泄漏量為30 L。

4.3 預測結果

圖5 假設硫酸儲罐泄漏100、1 000和10 000 d后污染暈擴散分布圖Fig.5 Diffusion distribution map of pollution halo after 100, 1 000 and 10 000 d

各污染物運移時間/d污染暈前沿最大推移距離/m垂向運移最大距離/m 10043.15到達底板 1 00083.5到達底板 10 000469.74到達底板

5 結 論

(1)由于研究區內地層的富水性差,地下水資源匱乏,項目所在的水文地質單元及鄰近單元內沒有地下水井,企業和村民均使用自來水。因此即使硫酸儲罐泄漏事故發生造成當地地下水環境局部的嚴重污染,但所幸不會造成居民飲水中毒之類的嚴重后果。

6 建 議

(1)加強生產中對硫酸儲罐的管理,從儲存、生產、運輸、污染處理設施等全過程控制硫酸的泄漏,采取行之有效的防止泄露液滲入地下含水層的各類措施。定期檢查污染源,確保硫酸儲罐安全運行,每兩年至少檢測一次罐頂、罐壁和罐底的厚度,每三年至少一次內部檢測。發現有硫酸泄漏或滲漏,及時采取清理污染物和修補漏洞(縫)等補救措施。

(2)儲罐附近應設置有沖洗、事故池等設施,此外儲罐外圍設置圍堰。用事故池收集泄漏的硫酸,以此來控制泄漏影響面積。

(3)制定完善的泄漏突發事故的應急響應預報預案,以便能夠及時采取停產、封閉、截流、疏散、應急性供水、地表廢水突發污染處理等措施,企業必須制定有安全系統報警和完善的事故應急救援體系。當出現儲罐泄漏事故征兆、險情時,現場值班人員應立即向領導和應急救援指揮中心匯報。企業還需備有應急處置人員在泄漏時進入現場需要的防護用品和泄漏時用來覆蓋硫酸的砂土、石灰和沖洗用的自來水。