大庆市地下水石油类污染系统成因分析

大庆市地下水石油类污染系统成因分析

大庆是中国著名的石油城市。它是中国石油和焦炭行业的主要基地，在经济中发挥着极其重要的作用。但由于人口的增长,工农业生产和城市建设的迅速发展,地下水开采量急剧增加,工业“三废”的排放量也在增大,导致地下水环境发生了较大的变化。包气带和潜水已遭受石油类污染,尤其是纳污湖泡区潜水污染严重。因此,需要对大庆市地下水石油类污染系统的形成机制加以研究,为地下水污染的防治提供科学依据。本文选取大庆市具有代表性的纳污湖泡区——贴不贴泡区作为研究对象,对地下水石油类污染系统的形成机制进行研究,为大庆市地下水资源可持续开发利用策略的制定提供科学依据。1南西南西缘经济研究区研究区位于大庆市喇嘛甸镇西北,东与向荣屯、良种场接壤,西与沈家北泡毗邻,南与三棱泡交‘界,北与北十里相连(图1)。区内贴不贴泡呈北东—南西向分布,纵向长约3km,横向宽约1km。研究区内地形四周高,中间低平,在南东和南西有两处泄水口。区内主要有四个含水岩层,自下而上依次是:第三系泰康组和第四系白土山组砂砾岩和砂砾石承压含水层,厚约80m;第四系荒山组饱水粘性土层(弱透水层),厚约51m;最上部为第四系哈尔滨组的细砂、亚粘土、亚砂土层,厚13~19m。其中,第四系荒山组弱透水层连接着上部的潜水和下部的承压水,构成其上下层的水力联系通道。2地下水污染系统的组成和分类2.1湖泡底泥和地下水污染严重人类活动所产生的各种污染质,绝大多数是从地面随下渗水流经包气带进入含水层的。很少有直接向含水层排泄废弃污染物的情况。因此,一般地下水污染系统的组成包括污染源、包气带和含水层。因此,根据该区地下水赋存环境特点,提出地下水污染系统由污染源(贴不贴泡)、湖泡底泥、潜水层、弱透水层和承压水层组成。贴不贴泡水体处于弱碱性弱还原环境。由于石油化工业向其中排放废水,致使湖泡水中石油类含量达0.6mg/l。在湖泡底部,存在有污染严重的底泥。据大庆市环保局对湖泡底泥中污染物的监测,在2m深之内石油类和芳烃类含量达2~2900mg/kg土,并随深度的增加而减小。湖泡下部即为潜水。通过对潜水中各观测孔水质分析发现,对潜水水质威胁最大的主要是石油类。到目前为止,已发现潜水被石油类污染范围是以湖泡为中心,向四周呈半椭球状扩散,构成污染晕。其中心的污染质浓度为0.6mg/l,向外逐渐降至0.03mg/l。在湖盆的两个开口处(东南角和西南角)污染晕有向外延伸的趋势。污染深度也是以湖泡为中心向下至10m左右,石油类污染质浓度降至0.03mg/l以下。在本区存在有51m厚的粘性土弱透水层,它是联系上部潜水和下部承压水的纽带,它不仅传导水压力,而且是下部承压水的补给通道。由于其具有特殊的性质,对下部优质地下水起保护作用。目前,弱透水层中地下水除局部由于石油钻井破损等原因造成局部污染外,还未见明显的大面积污染。承压水层是大庆市的开采目的层,它在弱透水层的保护下,除局部点上由于石油钻井破损等原因造成局部污染外,仍保持优良水质。2.2其他系统根据加拿大水文地质学家托特(J.Toth)的潜水盆地理论循环模式和区域水力连续性理论,结合该区地下水流场分析,可将该区的地下水循环系统自上而下分为三个带:局部循环系统、浅部循环系统和深部循环系统。由于地下水水动力场对地下水污染系统的形成起主导作用,所以,对应地下水循环系统可将地下水污染系统划分为局部污染系统、浅部污染系统和深部污染系统。局部污染系统位于局部循环系统之中,主要分布于湖泡下部,埋藏浅,分布范围小,呈半球状或似半球状展布。石油类污染质浓度0.3~0.6mg/l。浅部污染系统位于地下水浅部循环系统之中,埋藏较深,分布范围较大。深部污染系统位于地下水深部循环系统之中,主要分布于承压水层内,但很局部。3地下水污染系统的形成机制以及水动力场对污染物质下游流动的抑制作用3.1地下水污染系统调查研究目前,研究区内的局部和浅部污染系统已经形成,而深部污染系统并未产生。该地下水污染系统的形成与其所处的水动力场和水化学场密不可分。调查表明,本区地下水的污染源是含有石油类污染质贴不贴泡。污染质在对流、水动力弥散、吸附解吸、化学反应和生物过程等作用下,运移于地下水中。3.1.1地下水的流动速度ik污染质在静止的地下水中,只有分子扩散迁移,而在运动的地下水中,污染质可以随着水流一起较快地迁移,这就是污染质的对流迁移。污染质对流迁移的数量与污染质的浓度和地下水的运动速度有关,即IK=C⋅V(1)ΙΚ=C⋅V(1)式(1)中,IK为污染质对流迁移量,C为污染质在地下水中的浓度,V为地下水的平均流动速度。本区地下水中石油类污染质的最大浓度可达0.6mg/l(湖泡底部),地下水的平均流动速度为0.07~0.6cm/d。按(1)式计算,本区污染质在湖泡底部最大的对流迁移量可达3.6mg/(d·m2)。可见,对流对该区的地下水污染系统的形成起极其重要的作用。3.1.2流量分布的不均一性以及流量持续增长期孔隙系统中水体的微观速度的分布无论其大小和方向都不均一。首先,由于水体的粘滞性,使得孔隙通道轴处的流速大,而靠近孔隙通道壁处的流速小;其次,由于孔隙通道孔径的大小不均一,引起沿通道轴各最大流速之间的差异;最后,由于介质固体颗粒的切割阻挡,流线相对于平均流动方向产生起伏,水质点的实际运动产生迂回曲折。正是由于含水介质孔隙系统中微观速度分布的这种不均一性,使得开始进入潜水中彼此靠近的石油类污染质点群在运动过程中不断地被分细,进入更为纤细的通道分支,从而使污染质逐渐在地下水局部循环系统中散布开,占据多孔介质越来越多的空间,并向地下水浅部循环系统扩展,超出仅按平均流动所预期的扩展范围。除微观尺度的不均匀性外,宏观尺度的不均匀性,即流动区域中不同部位孔隙介质渗透性的不均匀性,特别是本区弱透水层的存在,也造成了污染质的机械弥散,使得污染质在垂直向下方向上受阻,而改向水平方向弥散。3.1.3污染质运移的影响由于地下水中所含污染质的浓度不均一而引起污染质的输运。浓度梯度的存在,使得靠近贴不贴泡的高污染质浓度处的污染质向周围低浓度处运移,以求浓度趋于均一。在该地下水污染系统中,机械弥散和分子扩散以不可分开的形式同时起作用,合起来就是水动力弥散。水动力弥散使污染质既沿平均流动方向扩展,又沿垂直于平均流动方向扩展,即通常所说的纵向弥散和横向弥散。正是由于横向弥散的存在,使得污染质由局部污染系统向浅部污染系统扩展。而纵向弥散只是使污染质在一定的地下水循环系统中运移。污染质在运移途中,还要受到含水介质对它的吸附,特别是粘性土弱透水层对石油类污染质有很强的吸附能力。此外,含水系统中的生物和化学物质对石油类污染质也有不同程度的作用,只是在本区这种作用与其它作用相比可忽略不计。综合上述,本区的石油类污染质一方面在地下水对流、水动力弥散、解吸等作用下运移于地下水中,造成地下水中的污染质浓度不断增加,污染范围不断扩大;另一方面,由于含水介质,特别是本区的粘性土弱透水层对石油类污染质具有的吸附作用,多孔介质中含有的微生物和其它化学物质对污染质所起的生化反应等作用又会减小污染质在地下水中的浓度。本区的地下水污染系统就是在它们的共同作用下形成的。3.2饱和粘度土弱透水层在流动的地下水系统中,污染质主要是在对流和机械弥散作用下运移,而决定对流和机械弥散作用强弱和污染质运移方向的又是地下水水动力场。也就是说,水动力场对地下水污染系统的形成和发展起决定性作用。本区潜水和承压水之间存在有51m厚的饱和粘性土弱透水层,其渗透系数很小,小于0.2cm/d。该层的存在使得区内形成了如图2所示的水动力场。由图2可知,贴不贴泡具有汇的性质,其与弱透水层之间存在一“驻点”。“驻点”上方水流向上,“驻点”下方水流向下。这时,在“驻点”上方,来自湖泡的本来向下运移的石油类污染质正好与水流方向相反。因此,这将有利于污染质向湖泡中排泄而阻止其下移。丰水期,贴不贴泡的水位升高,具有源的性质时,贴不贴泡下部的“驻点”就会消失,水流与污染方向一致,污染质下移速度将会加快,但弱透水层的存在,又使得向下的水流速度变小,对流强度减弱,而且,垂向渗透性的减弱导致垂向水动力弥散作用减弱。丰水和枯水季节周期性的变化,“驻点”可周期性出现。所有这些又大大减缓污染质下移速度。4水动力场对地下水的污染治理存在的意义(1)大庆市地下水石油类污染系统是被石油化工业排放的废水污染了的湖泡水中的石油类污染质由湖泡进入地下含水系统,再以地下水循环系统为载体,在地下水对流、水动力弥散、吸附解吸、生化反应等共同作用下形成的。(2)地下水对流、纵向弥散使污染质在一定的地下水循环系统中运移,而横向弥散又使污染质向临近的地下水循环系统中运移。(3)水动力场对地下水污染系统的形成起主导作用,而且,不同的水动力场对地下水的污染起不同的作用。当污染源具源的性质时,此时的水动力场会加剧地下水的污染。当污染源具汇的性质时,在局部循环系统和深部循环系统之间将会出现“驻点”,此时的水动力场有利于污染质的排泄,从而控制地下水的污染,使污染了的地下水向好的方向发展。(4)具有强吸附能力的弱透水层的存在导致在弱透水层附近及其内部垂向渗透能力减弱,垂向对流、机械弥散作用随之减弱,再加上丰水和枯水季节周期性的变化,“驻点”周期性出现,以及弱透水层粘性土又具有很强的吸附能力,所