某再生鉛項目地下水環境影響評價

王 帥

(河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053)

隨著社會經濟的快速發展,再生鉛工業生產的需求日益增多,隨之而來的是日益嚴重的地下水污染問題,尤其是再生鉛企業在其運營期會產生大量的工業廢水，工業廢水中含有多種高濃度污染物質，一旦發生滲漏，各種污染物就會隨滲濾液通過破裂的防滲膜和包氣帶進入地下水含水層，對地下水環境造成不同程度的污染,從而嚴重威脅人體健康。因此，通過研究廢水中污染物在地下水環境中的運移規律，從而判定重金屬生產項目的地下水環境可行性，對于評價重金屬生產項目建設對區域地下水環境的影響程度有著重要意義。

本文以某擬建再生鉛企業為研究對象,通過項目地下水環評專題報告，進行了水文地質勘察和地下水水質現狀監測評價。基于研究區的水文地質條件和污染源調查結果,建立地下水流數值模型和溶質運移模型，并基于預測結果提出地下水污染的防控措施。

1 研究區概況

1.1 擬建項目概況

本項目現有工程為無害化年處理10萬 t廢舊鉛蓄電池再生鉛與鉛合金項目，于2018年投產生產，本次改擴建項目擬對現有工程的進行技術升級改造并擴產，產能提升至年無害化處理廢舊電池25萬 t及相關附屬產品。采用全自動機械破碎和水力分選拆解工藝，通過富氧側吹爐工藝還原、火法冶煉生產精鉛，對冶煉煙氣進行凈化后采用離子液法制酸，同時對破碎后的塑殼進行水力色差自動分選后進行造粒，并配套建設純氧制備、余熱回收等公輔工程。

1.2 水文地質條件概述

1.2.1 項目區地層概況

該再生鉛企業位于豫北某工業園區，地處黃河下游沖積平原，地形較為平坦。根據水文地質勘察資料，企業附近70 m以淺范圍內地層為第四系全新統沖洪積物，地表巖性多為粉土和粉質粘土。

1.2.2 地下水類型及富水性

評價區地下水類型為松散巖類孔隙水。根據含水層的埋藏深度、補給條件及水力性質，將本區地下水分為兩種類型：即埋藏于地表下70 m以淺的淺層潛水及70以下的中深層承壓水。

淺層含水層組底板埋深一般為40～70 m，為黃河沖積層，以粉砂、細砂為主，局部見有中、粗砂，屬潛水或微承壓水。為本次調查評價的目的含水層。

中層含水層組底板埋深280～309 m，含水層巖性多為粉砂、細砂，局部見中砂，砂層頂板以上有4～40 m的粘性土，分布較穩定，隔水性能好，與上覆淺層含水層組水力聯系微弱。

評價區內淺層松散巖類孔隙水的富水性劃分為強富水區和中等富水區兩部分，強富水區分布于調查評價區的西北和東南兩塊區域，面積33.91 km2。該部分地區水位埋深較大，一般15～20 m；含水層組厚度35～45 m，含水層組巖性為細砂、局部中粗砂。單井抽水降深一般2.5～3.5 m，出水量大于1 000 m3/d，單位涌水量一般10～20 m3/h·m，滲透系數一般大于10 m/d，屬于強徑流、強富水區。

中等富水區分布在調查區中部，呈西南到東北帶狀分布，擬建項目位于該區域，面積44.18 km2。含水層厚度差異不大，西南地區水位埋深10～15 m，含水層組厚度25～30 m，東北地區水位埋深15～20 m，含水層組厚度30～35 m，含水層組巖性為細砂、局部中粗砂。單井抽水降深4～6 m，單井出水量小于1 000 m3/d，單位涌水量一般小于10 m3/h·m，滲透系數小于10 m/d，屬中等富水區(圖1)。

圖1 評價區水文地質略圖 圖2 評價區地下水流場圖

1.2.3 地下水補徑排、流場及動態特征

本區淺層地下水的補給來源主要為：大氣降水入滲補給，灌溉回滲補給，河渠滲漏補給，地下水側向徑流補給等。

徑流：從本區淺層地下水等水位線圖(見圖2)可以看出，本區淺層地下水總體流向與地形傾向一致，除局部受開采影響外，淺層地下水大致沿地形傾向東北方向徑流。

排泄：區內淺層地下水的排泄方式主要有：開采排泄、越流下滲排泄、徑流排泄等。

地下水流場特征：依據《導則》要求需在評價期內開展枯豐兩期水位監測。由淺層地下水流場圖可知，調查評價區內淺層地下水豐水期流向與枯水期流向基本一致，即整體由西南向東北方向徑流。地下水水位埋深 8.65～21.25 m，年變幅 0.93～2.39 m，平均變幅1.33 m。

1.2.4 場地水文地質特征

依據水文地質及工程地質勘察資料，場地及附近區域淺層地下水含水巖組埋藏深度在水位以下14.5～45 m。14.5 m以上以粉土、粉質粘土互層為主，局部夾有粉細砂。14.5 m以下為厚層的粉砂，中細砂為主，總體上看具有“上細下粗”的二元結構特征。含水層主要以下部粉砂、中細砂為主。

根據抽水試驗，場地所在區淺層地下水富水性屬中等富水區，單井涌水量609 m3/d。淺層地下水來源主要靠大氣降水、農田灌溉入滲補給、徑流補給。區內淺層地下水由西南向東北徑流，水位埋深在14.58 m，水位標高36m左右，平均水力坡度為0.9‰左右。場地地下水動態受大氣降水、人工開采等因素影響，屬“氣象—開采型”，其特點是水位動態變化較大，除受氣象因素制約外，尚受人工開采影響。高水位期位于豐水期，與降水時間相吻合，低水位期出現于3-5 月份，枯水期與豐水期水位變幅1.36 m。

根據滲水試驗垂向滲透系數K在1.99×10-4～2.36×10-4cm/s之間，平均值2.18×10-4cm/s，確定表層包氣帶地基土的天然防污性能為“弱”。

1.3 地下水水質現狀監測及評價

依據《導則》要求需在評價期內開展枯水期水質監測。結合調查評價區水文地質條件、項目場地位置及周邊敏感點分布等基本情況，本次工作在擬建項目場地、場地兩側及其地下水徑流方向上游和下游共選取10個地下水水質監測點進行現狀監測。其中，淺層松散巖類孔隙水水質監測點7個，中深層松散巖類孔隙水水質監測點3個。

根據監測結果，評價區內7組淺層松散巖類孔隙水 pH 值 7.22～7.30，總硬度172.1～386.3 mg/L，溶解性總固體476～998 mg/L，硫酸鹽4.02～242.5 mg/L，氟化物0.29～1.82 mg/L，地下水水化類型主要為HCO3-·SO42--Na+·Mg2+、HCO3--Na+·Mg2+型水。7組淺層地下水水樣中2組氟化物超標，其他監測因子均滿足《地下水環境質量標準》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標準。

3組中深層地下水中，pH 值 7.31～7.33，總硬度312.2～376.3 mg/L，溶解性總固體573～960 mg/L，硫酸鹽25.7～182.3 mg/L，氟化物1.45～1.74 mg/L，地下水水化類型主要為HCO3--Na+·Mg2+型水。3組中深層地下水水樣中氟化物全部超標，其他監測因子均滿足《地下水環境質量標準》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標準。

根據區域地質資料表明：區內淺層、中深層地下水水質中氟化物超標為普遍現象，超標原因也為原生地質環境所致。由監測結果表明，目前項目運行未對地下水環境造成影響。

2 地下水環境預測與評價

2.1 地下水系統概念模型

在水文地質條件勘查和地下水環境現狀監測的基礎上，本次評價采取數值法預測項目建設對地下水環境的影響。主要工作包括水文地質條件概化、數值模型的建立、模型識別與校正和模型預測等幾個部分。

本次模擬范圍是選南邊界基本上平行于地下水等水位線的河流，作為補給邊界；東邊界和西邊界垂直于地下水等水位線，作為零流量邊界；北邊界為地下水排泄邊界。

本次評價的目的含水層為淺層松散巖類孔隙水，該含水層組底板埋深一般為40～70 m，淺層含水層組之間無穩定隔水層存在，故將其概化為具有水力聯系的同一潛水含水層。淺層含水巖組底界為下更新統-上第三系粘土層，粉質粘土層，厚度大，層位穩定，隔水性能良好，上部淺層松散巖類孔隙潛水與下部中深層松散巖類孔隙潛水水量交換微弱，故可視為隔水底板。

水文地質參數主要為滲透系數K、重力給水度μ值和降雨入滲參數α等，綜合抽水實驗、滲水試驗、巖性特征、參考經驗值等給定初始值，通過模型模擬調試，最終獲得模擬所需的水文地質參數。

2.2 數學模型的建立

2.2.1 水流數學模型

根據水文地質概念模型，本研究區的地下水流可概化為非均質各向異性介質中的三維非穩定流問題，確立各變量之間的數量關系，建立了該研究區的數學模型如下，其微分方程為：

(1)

式中： K為滲透系數張量，坐標軸方向的主滲透系數分別為Kx、Ky、Kz，[LT-1]；T為時間，[T]；M為水頭，[M]；Ss為貯水率或給水度，貯水率量綱[L-1]；w為源泄項，即單位體積排除和吸收的水量，[T-1]；Ω為計算區域；H0為初始水頭，[L]；φ(x，y，z，t)為第一類邊界上的水頭，[L]；q為第二類邊界上的單位面積流量，[LT-1]。

2.2.2 溶質運移數學模型

地下水中溶質運移的數學模型可表示為：

(2)

式中：Vm，Vn分別為m和n方向上的速度分量；∣v∣為速度模；C為模擬污染質的濃度；ne為有效孔隙度；Cˊ為模擬污染質的源匯濃度；W為源匯單位面積上的通量；Vi為滲流速度；C’為源匯的污染質濃度；

聯合求解水流方程和溶質運移方程即可獲得污染物空間分布關系。

在驗證后的水流模型基礎上，結合模擬區巖性，參照已有研究中對水動力彌散系數的研究，并以確保安全為原則，取模擬區縱向彌散度為1 m，橫向彌散度為0.1 m，對污染質運移進行模擬。

2.2.3 模型識別和參數確定

(1)模擬流場及初始條件

模型的識別與驗證主要遵循以下原則：(1)模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致；(2)從均衡的角度出發，模擬的地下水均衡變化與實際要基本相符；(3)模擬的水位動態與統測的水位動態要一致；(4)識別的水文地質條件要符合實際水文地質條件。根據以上四個原則，對模擬區地下水系統進行了識別和驗證。通過反復調整參數和均衡量，識別水文地質條件，確定了模型結構、參數和均衡要素。模擬時期每個時間段內包括若干時間步長，時間步長為模型自動控制，嚴格控制每次迭代的誤差。

(2)地下水模型中參數的應用

圖3 模擬區剖分單元格圖 圖4 模擬區流場擬合圖

(3)模型的識別驗證

模型的識別與驗證過程是整個模擬中極為重要的一步工作，通常要在反復修改參數和調整某些源匯項基礎上才能達到較為理想的擬合結果。此模型的識別與檢驗過程采用的方法稱為試估—校正法，屬于反求參數的間接方法之一。

將第一期水位監測成果繪制成地下水等水位線圖，作為模型的初始流場輸入模型，然后再輸入各參數和均衡項，將模型編譯運行后，計算結果與第二期水位監測成果進行比對，根據比對結果調整模型參數。然后不斷重復上述步驟，通過反復調整參數，對模型進行不斷的識別和優化，使之能夠更接近于實際情況且能夠穩定的運行(圖4)。

根據流場擬合結果表明，所建立模型的計算水位與實測水位擬合程度較好，基本上反映了區內地下水流的變化規律，且預測各要素運行穩定，達到模型精度要求，可用于預測計算。

2.2.4 工況設計及源強

(1)地下水水流的預測

地下水水流的預測模型所運用的參數是通過模型識別確定的。預測模型的補給量或排泄量采用現狀年的資料。模型中的降雨入滲量、灌溉回滲量也是采用現狀年的資料。預測模型進行了100 d、1 000 d、10 a和30 a四個時間段的地下水水流預測。

(2)非正常工況

根據企業的實際情況分析，如果是裝置區或罐區等可視場所發生硬化面破損，即使有物料或污水等泄漏，按目前企業的管理規范，必須及時采取措施，不可能任由物料或污水漫流滲漏，而對于泄漏初期短時間物料暴露而污染的少量土壤，則會盡快通過挖出進行處置，不會任其滲入地下水。因此，只在污水處理站、沉淀池等這些半地下非可視部位發生小面積滲漏時，才可能有少量污染物通過漏點，逐步滲入土壤并可能進入地下水。

綜合考慮擬建項目物料、工藝流程、裝置設施、廢水排放等情況以及項目區水文地質條件，本次評價非正常工況泄漏點設定為污水處理站池底滲漏。

(3)預測源強設定

根據項目工程分析，采用標準指數法確定預測因子，選擇標準指數大的污染物作為預測因子，并優先選擇第一類水污染物。經計算各污染物的標準指數，選取鉛為預測因子，濃度為248.8 mg/L。

假定廢水處理站池底出現長5 m，寬2 cm 的裂縫，池底天然基礎層透系數取值0.188 m/d，滲漏量約為5×0.02×0.188×1 000=18.8 kg/d。

(4)預測時段

根據導則要求及本項目特點，本項目的預測時段選擇100 d、1 000 d、10 a、30 a。

(5)預測因子的標準限值

污染物對地下水污染程度以檢出范圍、超標范圍、最大檢出距離和最大超標距離來衡量。地下水環境影響預測結果中，污染物濃度高出檢出限的范圍稱為檢出范圍，對應的下游最遠影響距離稱為最大檢出距離；污染物濃度高出標準限值的范圍稱為超標范圍，對應的下游最遠污染距離稱為最大超標距離。

鉛超標范圍依據《地下水環境質量標準》(GB/T14848-2017)Ⅲ類標準。污染物的檢出下限值參照常規儀器檢測下限。鉛特征污染物的標準限值和檢出限值如表1所示。

表1 模型特征污染物污染標準和檢出限值

2.2.5 地下水環境影響預測與評價

根據上述預測時段和各污染物的初始濃度輸入模型，預測不同時段污染物的遷移過程，生成不同時間的污染暈遷移分布圖，下圖中紅色范圍表示地下水污染物濃度超過水質標準限值，藍色范圍表示污染物濃度可檢出。以下根據設定的污染源位置和源強大小進行預測，預測結果如下：

不同預測時段鉛污染物的超標距離、檢出距離、超標面積和檢出面積見表2，污染暈遷移分布圖見圖5。

表2 鉛污染物預測結果表

圖5 污染暈遷移分布圖(鉛)

在模型中在滲漏點下游180 m擬建項目廠區邊界處設置濃度觀測點，其計算輸出結果表明：在滲漏點下游廠區邊界(180 m)處，第4.32年(1 577 d)污染物開始檢出，后濃度呈逐漸上升狀態，至預測期滿時(30 a)達到0.009 3 mg/L，未達到超標限值。

2.2.6 污染物預測評價結果

非正常工況擬建項目污水處理站防滲層破裂發生泄漏，污染物鉛在模擬預測期內在擬建廠區邊界未檢測到超標。鉛在30 a運移距離最大為619 m，最大超標距離107 m。鉛在 30 a運移距離與最近敏感點集中供水井最近距離為2 681 m。

3 結語

根據企業現狀,設定廢水處理池池底滲漏情景,模擬和預測地下水的污染情況,通過以上研究,得出以下結論：

(1)在非正常工況下,廢水處理池池底滲漏，鉛均對地下水造成污染。

(2)在非正常工況下,鉛的最大超標范圍為3 675 m2，事故發生10 950 d后最大運移距離約619 m。

(3)經預測、分析，本項目在非正常工況下對地下水環境有一定的影響。但從泄漏概率、地面破損概率綜合考慮，廢水處理池底部滲入地下是概率很小的事件，同時其超標區域未超出廠界，對區域地下水環境敏感目標的影響較小，在采取適當的預防措施和應急處理措施后，可以把對地下水環境的影響控制在可接受程度。

(4)本項目為重金屬再生項目，主要污染為重金屬，地下水一旦污染,需要很長時間才恢復。因此針對裝置區可能發生的地下水污染，地下水污染防治措施按照“源頭控制、末端防治、污染監控、應急響應”相結合的原則，從污染物的產生、入滲、擴散、應急應全階段進行控制。對原料庫和產生危廢的生產車間應按《危險廢物儲存污染控制標準》(GB 18597-2001)(2013修訂)進行嚴格防滲，其他主要建筑物嚴格做好防滲措施，防止生產過程中的跑、冒、漏、滴等情況產生的污染物污染包氣帶，進而影響地下水水質。