天津某石化倉儲場地地下水環境影響評價

馬 超，李立偉

（天津華北地質勘查局地質研究所，天津 300170）

地下水是水資源的重要組成部分，其分布廣泛、變化穩定、水質良好，在人類生活、工業發展、農業灌溉等方面起著關鍵作用[1]。但隨著社會經濟的發展，地下水開發利用規模與日俱增，地下水污染等生態環境問題日益突出，對飲用水安全、區域生態環境、經濟社會可持續發展構成了嚴重威脅[2～3]。自《環境影響評價技術導則-地下水環境》（HJ 610-2011）實施以來，國內陸續開展了各類工程建設項目的地下水環境影響評價工作[4]，取得了豐富的成果。在地下水環境影響評價中，根據不同的評價等級和預測結果需求，常會使用數值法、解析法、回歸分析法、標準指數法等[5～7]，本文以本石化倉儲場地為例，采用單因子評價法及數值法分析場地地下水水質現狀，預測場地在事故工況下的污染物遷移趨勢及范圍。

1 研究區背景

1.1 概況

石化倉儲場地位于天津市臨港經濟區北部，倉儲場自2003年成立之后，先后開展了大量的基礎地質調查，該區地質構造分區、地層劃分、地下水系統劃分等已形成十分完備的資料體系，為研究的順利開展奠定了堅實的地質基礎[8]。

場區主要包括24個化學品儲存罐、消防泵房等其他建筑物。該區屬于海河入海口南側的灘涂淺海區，為圍海造陸而成的港口與工業一體化產業區，以人工地貌為主，地形簡單、地勢平坦。該區氣候為暖溫帶半濕潤大陸與海洋過渡型季風氣候，區內年平均氣溫10.9℃～12.3℃，多年平均降水量602.9 mm，多年平均蒸發量為1187.2 mm。

1.2 水文地質條件

場地處于天津市濱海平原沖海積咸水及鹽鹵水區內，根據區域水文地質條件的劃分，研究區500 m淺的松散巖類孔隙水分為淺層水和深層水。其中淺層地下水為鹽鹵水，可分為潛水、微承壓水或淺層承壓水。結合水文地質鉆探及試驗可知，場地潛水含水層底界埋深15 m左右，巖性以人工吹填砂、粉土、淤泥質土為主，平均厚度12.54 m，含水層較為連續及穩定；下伏隔水層厚度為5.7 m～6.9 m，巖性為粘性土，垂向滲透系數量級為10-8cm/s，且連續穩定分布。場地內潛水主要靠大氣降水入滲、地下水側向徑流補給。地下徑流通過潛水蒸發、側向流出排泄。地下水平均水位埋深為1.24 m，平均水位標高為3.20 m，地下水位年變幅較小。

由上述水文地質條件可知，地下水在潛水含水層內以水平運動為主，垂向上越流微弱，且各含水層水力聯系差。故潛水含水層為地下水環境保護目標，此次研究以潛水含水層為目的層。

2 樣品采集與分析

根據HJ610-2016中二級評價項目潛水含水層水質監測點相關規定，遵循地下水環境現狀監測點控制性布點與功能性布點相結合的原則，在場地布置了5個水質監測井（ZK1～ZK5，見圖1），成井深度均為15 m，待每個監測井水位穩定，采集地下水樣1組。

圖1 研究區示意圖及取樣點分布

根據項目特點、特征污染物和所在區域環境地質特征，以地下水調查和監測資料為依據，基于《地下水質量標準》（GB/T 14848-93）的相關要求，除了監測地下水七大離子外，還監測了基本水質因子和特征因子。樣品的采集、保存、分析與質量控制均按《地下水環境檢測技術規范》進行。

表1 地下水水質分析結果

由表1可知，研究區地下水水化學類型分別呈現HCO3·SO4-Na 型（監測井 ZK1、ZK5）、Cl·SO4·HCO3-Na 型（監測井 ZK2）、Cl-Na型（監測井 ZK3、ZK4），五眼監測井的γNa/γCij均小于0.85，水化學分布特征主要受海河的側向補給影響，且后期蒸發濃縮作用較強烈。此外，研究區內地下水溶解性總固體大于1000 mg/L，CODMn大于5 mg/L，不能直接作為生活飲用水。

3 地下水水質現狀分析

結合表1，利用單因子評價法[9]分析場地地下水現狀。根據《環境影響評價技術導則地下水環境》（HJ 610-2016）的相關規定，對屬于《地下水質量標準》（GB/T 14848-2017）中的評價因子，應按其規定的水質分類標準值進行評價；對于不屬于《地下水質量標準》中的評價因子，可參照國家（行業、地方）相關標準進行評價。對取得的地下水監測結果進行統計，結果見表2。

表2 地下水水質分析結果統計表

由表2可知，場地5眼監測井中地下水均為Ⅴ類水，為不適宜飲用地下水。5眼監測井中Ⅴ類指標主要為亞硝酸鹽、氯化物、硫酸鹽、總硬度、氟化物、溶解性總固體、高錳酸鹽指數；Ⅳ類指標主要為氨氮、硝酸鹽、揮發酚、錳；其余指標均滿足上述各類標準中的Ⅰ～Ⅲ類標準。通過分析，場地潛水含水層的污染物主要為無機污染物，有機污染物以石油類和總有機碳為主，尚未受到四氯化碳、乙苯等有機污染物污染。

4 地下水環境影響預測評價

4.1 評價等價及范圍

對照HJ610-2016中“附表A地下水環境影響評價行業分類表”可知[10]，該場地建設項目屬于Ⅰ類建設項目。調查期間在場地及周邊未發現集中式飲用水水源（包括已建成的在用、備用、應急水源，在建或規劃的飲用水水源）、準保護區等敏感區，沒有農村分散式飲水水源井等較敏感區，因此場地地下水敏感程度為不敏感。綜上，此次地下水環境影響評價為二級評價。

表3 評價工作等級分級表

因場地所在地區水文地質條件相對簡單，所掌握的資料能確定水文地質參數，故采用公式法確定本次地下水環境影響評價范圍，公式為：

式中：L為下游遷移距離，m；α為變化系數，α≥1，一般取2；K為滲透系數，0.04 m/d；I為水力坡度，0.74‰；T為質點遷移天數，取值5000 d；ne為有效孔隙度，粉質粘土取值為0.05。

經計算，5000天后質點向下游遷移5.92 m，計算值很小，無法反應評價區與周圍環境的關系，因此基于公式的計算結果考慮附近地下水敏感點及水文地質特征，確定本次環境影響評價區范圍為以本倉儲場地為界線，向北延伸至海河（上游）且以海河為北部邊界，向南延伸2000 m，向東、西各延伸800 m和1000 m，面積約 5 km2，見圖 1。

4.2 基于GMS的地下水環境影響預測分析

4.2.1 水文地質概念模型

水文地質概念模型是把含水層的內部結構、邊界性質、水力特征、滲透性能和補給排泄等條件概化為便于進行數學與物理模擬的基本模型。基于場地的水文地質條件、氣象、水資源開發利用資料，建立場地水文地質概念模型如下：

（1）含水層概化：潛水含水層為本次評價目的層，也為地下水溶質運移和流場模擬層。根據含水層土層性質，將其垂向分為潛水層和下伏弱透水層。潛水層埋深為0.87 m～2.41 m，平均水位埋深為1.24 m可概化為各向同性、非均質、連續分布、底板近似水平的含水層，滲透系數0.04 m/d，底界埋深15 m；下伏弱透水層連續穩定分布，平均厚度6.3 m，垂向滲透系數6.4×10-5m/d，因潛水含水層與承壓含水層之間的水力聯系異常微弱，故不考慮污染物繼續向下運移至下伏含水層。

（2）邊界條件：模擬區潛水含水層中地下水流以水平運動為主，北部緊鄰海河，故模擬區北部河流設定為定水頭邊界，取平均水位4.14 m，平均水力坡度0.74‰；弱透水層概化為隔水邊界；兩側邊界與地下水流向近乎垂直，側向補給量為零，故概化為零流量邊界。

（3）初始條件：以監測孔監測的水位數據作為地下水的初始流場，見表4。

表4 潛水水位標高統計表

（4）源匯項設定：研究區接受大氣降水補給和河流側向補給，排泄方式主要為徑流（從模擬區南部邊界流出）和蒸發排泄，其中年平均降水強度為602.9 mm；年平均蒸發強度為1187.2 mm。

4.2.2 地下水滲流與溶質運移模型

潛水二維非穩定流基本微分方程為[11]：

式中：Kxx，Kyy為滲透系數在 x、y 方向上的分量，m/d，此處假定滲透系數的主軸方向與坐標軸方向一致；Kn為邊界面法線方向的滲透系數，m/d；W為單位時間、面積上垂向補給含水層的水量，m/d；h 為水頭，m；H 為含水層初始厚度，m；μ 為給水度，無量綱；t0為初始時刻；h1為定水頭值，m；Γ1為滲流區域的定水頭邊界；Γ2為滲流區域的側向流量邊界；n為邊界面的法線方向；q（x,y,t）為二類邊界的單寬流量，m/d，流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

本次溶質運移模型假定溶質運移符合Fick定律，溶質運移二維地下水對流-彌散數學模型為[12]：

式中：n為介質孔隙度，無量綱；t為時間，d；Dij為水動力彌散系數張量，m2/d；vi為地下水滲流速度張量，m/d；C為污染物組分的濃度，mg/L；CS為源和匯水流中組分的濃度，mg/L；qs為源和匯，1/d；C0（x,y,t0）為已知濃度分度，mg/L；Ω為模擬的區域；ζ2是通量邊界；fi(x,y,t)為邊界ζ2上的已知的彌散通量函數。

4.2.3 事故工況下的溶質運移模擬

事故工況設定場地內柴油儲罐泄漏并將石油類作為預測對象，進行地下水溶質運移預測。溶質運移模擬范圍，按行×列×垂近似剖分為25×20×2（層），共計1000個單元格，單元格長度為100 m。假設儲油罐連續泄漏10天后得到有效控制，泄漏的石油類物質下滲進入潛水含水層。泄漏場地概化為定濃度的點污染源，污染源初始濃度2000 mg/L，場地初始濃度為5 mg/L且彌散系數為30 m2/d，污染物進入目標含水層后，不同時間的預測結果見圖2。

圖2 事故工況下石油類污染物隨時間擴散圖（紅色框為場地所在位置）

由圖2可知，柴油儲罐在防滲措施毀壞時，污染范圍隨時間擴大，污染源中心位置基本保持不變，越靠近污染源污染物濃度越高。但由于模擬區內潛水含水層巖性以人工吹填砂、粉土、淤泥質粘土為主，滲透系數低，水力坡度小，地下水流速極其緩慢，水動力彌散強度也受到限制，最終制約了污染物的擴散范圍。故即使污染物遷移2000天，其污染范圍才大致為16萬m2，對場地周邊地區地下水水質的影響很小。

5 結論

（1）由地下水環境質量現狀分析可知，場地潛水為Ⅴ類水，為不適宜飲用地下水。場地下潛水地下水環境質量較差，與原生環境、海侵影響以及地表河流的水質有關。

（2）事故工況下，泄漏的污染物通過介質體從污染源不斷向四周擴散運移，越靠近污染源濃度越高，越遠離污染源濃度越低。污染物預測結果表明：選擇適宜的存儲場地、設置必要的防滲措施、定期進行地下水監測及事故發生時應急處置均能有效地控制地下水污染。

（3）本次評價為了簡化模型，假設柴油儲罐泄漏時石油類污染物直接進入潛水含水層，未考慮其在包氣帶中的滯留轉化過程，故現實污染范圍可能會比預測值小，預測結果的精度需進一步研究。