罗炳佳, 杨胜元, 罗 维, 杨秀丽

贵州省地质环境监测院, 贵州贵阳 550004

岩溶地下水有机污染特征分析
——以贵阳市某加油站为例

罗炳佳, 杨胜元, 罗 维, 杨秀丽

贵州省地质环境监测院, 贵州贵阳 550004

许多有机化合物对人体和生物有毒害作用, 其中一些具有“三致作用”。地下水有机污染研究开始于20世纪60—70年代, 经过半个世纪的发展, 国际上已把地下水污染研究的重点从无机污染物转向有机污染物。在岩溶发育地区, 地质环境脆弱, 防污能力差, 地下水具有易污染性, 有机污染物在岩溶地区的分布有别于其他地区。本文以贵阳市某加油站15年前发生的油灌泄漏污染事件为例, 通过地面调查、地质雷达、钻探、样品分析和综合研究等方法查明了地下有机污染物的运移规律、分布范围以及地下有机污染物的组分特征。经分析对比1999年、2007年以及2012年的研究成果, 结果表明: (1)受岩溶发育形态的影响, 场地内有机污染物在地下具有富集与稀释的双重特性; (2)在岩溶管道发育、地下水水头高度低于基岩面的地带,有机污染物组分含量总体呈减少的趋势; (3)在以溶蚀裂隙为主、地下水水头高度高于基岩面的地带, 有机污染物不断富集, 年扩散速率仅为12 m。

岩溶; 地下水; 有机污染; 扩散

我国加油站数量不断增大, 现全国加油站总数已超过11万个(何炜等, 2012)。随着时间的推移, 这些加油站以及油库因地下储油罐、输油管等严重老化开始渗漏, 泄漏的油品污染土壤、地下水和有关的岩层。地下水有机污染在20世纪60—70年代在北美被发现(刘菲等, 2010), 从70年代末到80年代初, 北美、欧洲的发达国家地下水污染研究的重点从无机污染物转向有机污染物。由于许多有机化合物对人体和生物有毒害作用, 其中一些具有“三致作用”(致癌、致畸、致突变), 有研究表明苯和甲苯百万分之一致癌概率含量为0.671 μg/L(Mchammed et al., 1996), 这些物质一旦进入土壤和水环境, 可以通过生物链积累在动植物组织内, 并长期存在(刘征涛, 2005), 破坏或改变未来的遗传物质。到20世纪90年代, 地下水中发现的有机污染物达到184 种, 包括卤代烃类、芳烃类以及农药类等, 有机污染物对环境和地下水资源的污染已成为当前国际上地下水污染防治与保护的焦点问题(Pettyjohn et al., 1983), 并引起了国内外许多学者和各级政府部门高度重视。2011年我国69个主要城市地下水有机污染检出率较高, 主要检出有机污染组分为氯仿、苯并[a]芘、总六六六、β-六六六、四氯乙烯、1,2-二氯乙烷、1,2-二氯丙烷、四氯化碳、三氯乙烯、二氯甲烷和苯(高存荣等, 2011), 随着经济社会的持续发展, 越来越多的有机化学污染物将进入土壤和地下水环境(孙剑锋等, 2011; 刘荣芳等, 2007; 李政红等, 2010; 周迅, 2007; 刘瑾等, 2014; 孔祥胜等, 2014), 从而对地下水系统造成有机污染。石油产品通常具有高毒性和低溶解性, 进入地下后往往成为地下水长期的污染源(刘玉兰等, 2011; Yoon et al., 2009; 贝迪恩特等, 2010; Lu et al., 1999), 华北平原加油站抽样调查结果显示, 20%的加油站存在渗漏和安全隐患, 加油站附近的浅层地下水都受到不同程度的污染(谢云峰等, 2013; 环境保护部, 2011),有机污染对地下水的影响大(张兆吉, 2012)。开展有机污染物在地下水中的调查研究, 有助于对地下水中的有机污染物进行修复治理。

1 场地概况及污染事件

1.1 场地概况

场地位于贵阳市云岩区城市中心地带(图 1),市北路穿过整个场地中央, 将场地一分为二, 场地内建筑密集, 居民众多, 道路四通八达, 地下管网、线网密布, 通视条件差, 环境条件复杂多变。地形上以加油站后山最高, 向北东、东、东南、南和南西方向地形逐渐降低, 场地岩溶发育, 主要岩溶形态为溶沟、溶槽、岩溶裂隙、溶洞等, 地貌类型属于溶蚀峰丛谷地。

图1 场地条件及污染点分布图Fig. 1 Field conditions and distribution of pollution points

场地内断裂构造发育, 主要为NE向断裂(F1、F2断裂)和近南南东向断裂(F3断裂)。其中F1断裂属区域性阻水断裂, 呈北东向展布, 倾向南东, 为压性断裂; F2、F3断裂属导水断裂。地层产状受构造影响变化较大, 中部岩层倾向220°, 倾角10°～35°。场地出露岩石地层主要有三叠系下统安顺组白云岩和分布在地势低洼处以红粘土为主的第四系松散层;红粘土主要分布于南东侧, 一般厚 3～8 m、局部超10 m, 北西侧相对较薄, 厚0～2 m。

场地地下水类型主要为岩溶水, 受F1断裂影响,场地地下水主要受大气降水渗入补给, 主要由北北西向南迳流, 集中于下扁井以下降泉形式出露, 流量5～12 L/s, 地下水主要沿岩溶管道流动、迳流快,总体上地下水位低于基岩面; 场地东南部地下水总体上自北向南迳流, 遇阻水断层 F1后, 地下水自南东向北西缓慢迳流(图 2), 地下水水头高度总体上高于基岩面。

1.2 污染事件

1998年9月9日至1999年7月10日间, 贵阳市加油站储油罐发生三次较大规模的 70号汽油渗漏事件, 且均发生在当天或前几天大雨过后, 某单位宿舍化粪池间以及公路东侧堡坎脚出现汽油渗出,共清除油水混和物约 4 t; 同期位于加油站以东320 m处的下扁井受到污染, 当时贵阳市消防队在此抽出约20 t油水混和物; 2000年, 场地内楼1西侧基础人工挖孔桩施工期间, 桩孔中也发现有较浓的汽油味, 施工人员用火柴即可点燃孔中气体; 2003—2004年间, 楼2、楼 3、楼4住宅楼基础施工时也发现有汽油味, 但未能够用明火点燃; 2007 年2月, 楼5、楼6在基础人工挖孔桩施工期间, 桩孔中发现有较浓的汽油味, 用火柴可点燃孔中气体,同时开挖后的土体暴露在空气中后很快变为黑色(图3)。

图2 研究区地下水流场图Fig. 2 Map of groundwater flow field in the study area

图3 桩孔中开挖出的土体在空气中变为黑色Fig. 3 Soil that turns black in the pile hole

2 地下有机污染调查

2.1 有机污染调查方法

野外有机污染调查采用地面调查、物探与钻探结合的综合调查方法。地面调查主要是调查地层岩性、构造、污染源以及已知污染点; 物探调查确定地层异常区, 圈定污染范围; 钻探用于确定地层纵深污染。

常见的地下水有机污染, 污染源一般在地面。污染物经在地表泄漏后, 首先进入地表土壤或地表水体。有机污染物从地表或地表水体进入浅层地下水必然要经过包气带。在岩溶发育区, 地质环境脆弱, 岩溶水系统的防污性能差, 使得污染物容易进入地下含水层, 并在岩溶管道中快速地运移(陈立华等, 2012; 高赞东等, 2008), 致使岩溶地下水容易遭受不同程度的污染, 其防污性能主要取决于上覆土层的厚度。研究场地内岩溶发育, 红粘土层分布不均, 厚度0～8.5 m, 加油站处厚度小于3 m, 而且泄漏点(地下储油罐及其附属管道)位于地下, 污染源直接与碳酸盐岩地层接触, 有机污染物沿岩溶管道直接进入地下水中, 因此选用恰当的物探方法对地下有机污染物进行探测极为关键。我国地下水污染物探技术方法主要采用地质雷达、磁法、电法、地震折射、地磁测量和核磁共振等(中国地质调查局, 2008), 在场地地下水污染调查中, 选用的物探方法为地质雷达。

地质雷达是利用高频电磁波束的反射来探测地下目标的一种高分辨率电磁方法, 也指利用地表以下的电磁波反射图形断面进行分析工作的方法(Moffat et al., 1976), 具有无损性和可连续探测的特点。自20世纪80年代以来, 地质雷达在技术装备上有了突破性的进展, 抗干扰性、采样率和数据处理技术都有很大提高, 在地下水及土壤有机污染探测方面的应用越来越多, 地质雷达探测能有效地解决油气污染的范围和油气污染的强度(曾昭发等, 1998; 刘海生等, 2003; 葛佳等, 2013; 康晓钧等, 2013), 勘测工作采用250 MHz和100 MHz屏蔽天线进行重复作业。

场地处于人口密集区, 钻探工作难于开展, 工作中钻探的主要目的是用于对地质雷达探测结果的验证和样品采集, 钻探结果(图 4)表明地质雷达解译结果是可信的。

图4 岩芯显示有机污染物被吸附在裂隙面上Fig. 4 Organic pollutants adsorbed on the fracture surface

2.2 运移模式

研究场地内石油类污染物进入地下后, 主要运移模式有三种(图5): 第一种快速迁移, 污染物通过岩溶管道快速迁移, 大量污染物随地下水一起集中排出地表, 本场地东侧从加油站至下扁井一带, 由于有相对集中泄漏通道(岩溶管道)存在, 大量的污染物沿该通道快速迁移, 从下扁井随地下水排出地表(罗炳佳, 2011), 仅有部分污染物进入地下盲管被保留下来, 还有部分污染物被岩溶管道壁、裂隙面以及土岩结合面所吸附; 第二种运移方式为缓慢运移, 主要表现在场地西侧, 地下没有明显的岩溶管道, 污染物随地下水在溶蚀裂隙、构造裂隙中缓慢运移; 第三种运移模式为污染物沿土岩结合面向下扩散, 在场地南部, 由于受阻水断层的影响, 地下水不能继续向南运动, 受地下水的顶托作用和凸起的基岩面以及“红粘土墙”的阻拦, 有机污染物被富集, 在土岩结合面上缓慢向下方扩散(图6)。

图5 有机污染分布及运移模式示意图Fig. 5 Sketch map showing organic pollution distribution and migration mode

图6 水文地质剖面图(AA’剖面见图5)Fig. 6 Hydrogeological section(for profile AA’, see Fig. 5)

2.3 场地有机污染分布

2007年地质雷达探测结果表明, 地下石油类污染物分布不均, 总体上地下有机污染物以加油站为顶点, 沿着土岩结合面及溶洞、溶隙和裂隙向北东、东、东南、南和南西方向呈扇形大范围迅速扩散, 污染范围南北长约350 m, 东西长约410 m, 污染总范围约9.6万m2。

研究场地内进入西侧的有机污染物相对较东侧要少, 但进入西侧的地下有机污染物无法直接排出地表, 除少部分污染物在建筑施工过程中因桩基及基坑开挖时被挖出外, 其余的有机污染物长期存在于地下; 虽然污染事件发生时, 进入场地东侧的污染物相对较多, 但在经过人工抽排和自然排泄后,现存于地下的有机污染物东侧明显少于西侧, 这也是地质雷达探测出的污染晕西侧多、东侧少的主要原因。

3 有机污染特征

3.1 有机污染组分浓度

天然状态下地下水中一般不存在有机组分, 因此, 一旦地下水中出现一种或多种有机组分即可认定为外来污染物。经2007年、2009年、2010年和2011年对下扁井水取样做有机分析(表 1), 其地下水中有机污染物组分浓度变化明显(图 7), 受取样时间与检测单位检测限不一的影响, 除二氯甲烷和溴二氯甲烷组分含量变化不稳定外, 其余有机组分如三氯甲烷、苯、甲苯、邻二甲苯、萘等含量呈下降趋势, 表明下扁井石油类有机污染物被地下水不断稀释排出地表, 组分含量呈减少趋势。

3.2 有机污染组分变化特征

从分析结果来看, 地下水中的主要污染物来源于加油站泄露的汽油, 检出组分都是汽油的组成成分。由质谱仪获得的定性污染相关信息也指示了地下水中的污染物质恰恰是汽油的主要组分, 含有大量C5-C8的烷烃、烯烃类化合物、苯、苯的烷烃、烯烃类取代物、硝基苯类取代物、苯的甲基、乙基等烷烃类取代物(姜月华等, 2011)。监测结果表明,污染事件发生 15年后, 地下水中仍然存在石油类有机污染物, 污染组分浓度受地下水不断稀释, 总体上在逐渐减少。2010年和2011年检测结果表明,水中石油类污染物检出组分有所减少, 检出浓度也有一定程度降低。

4 地下有机污染变化特征

4.1 污染范围变化

1998年污染事件发生后, 原贵州省地质环境监测总站曾对该区域进行了调查评价工作, 主要工作方法是地面调查、钻探以及采样分析, 由于受测试分析所限, 当时未做有机样品测试, 主要是通过肉眼观察水、土样品有无悬浮油和鼻嗅有无汽油味,并结合测试水中铅元素含量的异常来探测污染分布,圈定了当时的污染范围约7.9万m2(图8)。根据2007年探测和 1998年探测结果进行对比, 场地内地下有机污染范围进一步扩大, 扩大面积约 1.7万 m2,扩大范围主要位于场地南西侧。

表1 下扁井水样石油类污染物检出浓度表(单位: μg/L)Table 1 Detectable concentrations of oil pollutants in Xiabianjing water sample (unit: μg/L)

图7 下扁井有机污染组分变化图Fig. 7 Variation histogram of organic pollutant components in Xiabianjing water sample

图8 场地有机污染范围变化图Fig. 8 Variation of organic pollution range

4.2 污染范围扩大原因分析

场地地下有机污染范围的变化, 是与所处地质环境条件密切相关的, 地下有机污染物扩大范围的地段红粘土层较厚, 地下水水头高度高于基岩面,地下水流速相对缓慢, LNAPL的特性决定了来源于汽油的地下有机污染物被顶托, 随着时间的推移,不断在土岩结合面处富集, 在静水压力作用下, 污染物向下方的土岩结合面缓慢扩散。经计算, 有机污染物向下方土岩结合面扩散的速率约为12 m/a。

5 结论

1)岩溶地区地下有机污染物受岩溶发育与地下水位的影响, 出现了不断稀释与相对富集的两种截然不同的情况。

2)在岩溶管道发育, 地下水水头高度低于基岩面的北东侧, 地下有机污染物逐渐被稀释, 组分含量总体上在减少的趋势。

3)在以溶蚀裂隙为主, 没有岩溶管道, 地下水水头高度高于基岩面的南西侧, 地下有机污染物不断富集于土岩结合面上, 并在静水压力作用下, 缓慢向下方扩散, 年扩散速率仅为12 m。

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Analysis of Organic Pollution Characteristics of Karst Groundwater: A Case Study of a Gas Station in Guiyang

LUO Bing-jia, YANG Sheng-yuan, LUO Wei, YANG Xiu-li
Guizhou Institute of Geo-environmental Monitoring, Guiyang, Guizhou 550004

Many organic compounds are toxic to humans and living things, and some of them have a “three-induction effects”. Groundwater organic pollution studies began in the 1960s and 1970s. After half a century’s development, the international groundwater contamination study has turned its focus from inorganic contaminants to organic contaminants. The geological environment is fragile and the antifouling capability is poor in karst regions, where the organic pollutant distribution and migration are different from things of other regions. Exemplified by the case of the leakage of the tank at a gas station in Guiyang 15 years ago, the authors investigated the migration regularity of the underground organic pollutants, the pollution distribution and the characteristics of the organic pollutants by means of field survey, GPR, drilling and sample analysis. Through a comparative study of the results obtained in 1999, 2007 and 2012, the authors have reached some conclusions: (1) The organic pollutants have dual characteristics of enrichment and dilution in the underground affected by the karst morphology; (2) In the area where karst channel is developed and the groundwater level is lower than the bedrock surface, the underground organic pollutants content tends to decrease generally; (3) In the area where the fissures are dominant and the groundwater level is above the bedrock surface, the organic pollutants are accumulated and diffused downward slowly, and the diffusion rate can reach 12 m per year.

karst; groundwater; organic pollutants; diffusion

P642.25; X523

A

10.3975/cagsb.2014.02.19

本文由贵州省地勘基金项目(编号: [2007]172号; [2009]94号)和贵州省地矿局科研项目(编号: [2009]20号)联合资助。

2013-09-26; 改回日期: 2014-02-12。责任编辑: 张改侠。

罗炳佳, 男, 1967年生。高级工程师。主要从事水文地质工程地质环境地质研究。通讯地址: 550004, 贵州省贵阳市中华北路164号五矿大厦15楼。电话: 0851-6829078。E-mail: 76942006@qq.com。