濟南某場地地下水污染控制技術研究

馬永躍，靖新艷，韓昱，劉玉想，魏善明

(1.濟南市生態環境局章丘分局，山東 濟南 250200；2.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014；3.山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014；4.山東大學，山東 濟南 250100)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程加速和產業結構調整，由于工礦企業搬遷、突發環境污染事件、污染物或固廢的非法傾倒、填埋等因素引發的土壤和地下水污染[1-5],對我國緊缺的地下水資源造成威脅[6-8]。廢棄礦山的污染治理，受到國家宏觀政策等因素影響逐步受到重視，眾多存量問題和增量問題亟待解決。煤礦區的地下水污染問題，埋藏深度大、污染機理復雜、修復難度高[9-10]，在短時間內無法溯源和控制風險，成為困擾從業者的棘手問題。開展煤礦區地下水污染的控制技術研究具有重大的現實意義和良好的應用前景[11]。

2015年濟南某地突發重大環境事件導致人員死亡，由于不法分子向廢棄礦井傾倒化學廢液導致土壤、地下水、巷道氣體受到污染(圖1)，污染深度為80～120m。事故井周邊5個自備井內檢測出萘、1-甲基萘、2-甲基萘、鄰苯二甲酸二甲酯等微量有機物，位于場地下游3km左右的水源地遭受嚴重威脅。任由污染物隨著地下水在地下空間遷移和擴散，將直接影響當地數十萬市民的用水安全。該污染事件的突發性、危害的嚴重性、污染的復雜性、處置的高風險性和不確定性，對地下水污染進行阻斷和控制是核心技術問題的重點難點。

圖1 場地污染模型

1 地質背景

場地地處華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)泰山-濟南斷隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)的北部，呈NE傾向的單斜構造。地層自下而上分別為奧陶紀馬家溝群、石炭紀月門溝群本溪組、石炭-二疊紀月門溝群太原組以及第四系。場地所處煤礦于1990年建井，2005年12月閉坑，煤礦主要開采煤層為太原組下部的10-1、10-2，煤層傾向NNE，傾角10°～15°。本組地層中含石灰巖五層(由下而上為一灰—五灰)，較穩定，均為良好的標志層。礦山資料及物探勘查顯示，場地中部有一條NE向斷層，該煤礦采用走向短壁后退式采煤法，人工打眼，放炮落煤，全部冒落法管理頂板，局部地段采用條帶式開采，礦層頂板垮落，地下空間支離破碎，地質條件較為復雜。斷裂構造及陷落柱溝通礦坑水及奧灰水，存在“串層污染”的潛在風險[12-13]。

2 地下水污染特征

事故井位于原煤礦工業廣場一處獨立院落的東南角(圖2)，事件發生后，事故井西北側填埋的危險廢棄物和受污染土壤被清挖和安全處置。

圖2 場地現狀圖(2015年)

通過對涉事3家化工企業產污情況進行分析和檢測(表1)，A企業3個樣品的揮發性有機物定性分析，分別檢出15種、20種及18種有機物，共檢出15種相同的有機物，分別占3個樣品有機物檢出總量的100%、75%和 83.3%，腐蝕性pH檢驗結果顯示，3個樣品腐蝕性pH均大于14，呈強堿性；B企業廢酸儲罐中的廢硫酸樣品，呈強酸性(pH<0)，為危險廢液，具有強腐蝕性；C企業桶裝廢棄物樣品腐蝕性pH均小于0，呈強酸性，為危險廢物。

表1 涉事企業樣品pH、VOCs檢測結果

地下水應急監測選取12個生活飲用水監測點，分別位于場地地下水上游、下游及周邊可能受到污染的點位，市環境監測站監測村1、村4、村5、村10、村11、村12點位檢出揮發酚、三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘等有機物，區疾控中心監測村4、村5、村7、村9、村11、村12點位檢出萘、1-甲基萘、 2-甲基萘、鄰苯二甲酸二甲酯、苯丙醇、異丙苯、聯二苯等有機物(圖3，表2)。

表2 地下水監測點監測指標及檢出情況(事件發生后)

圖3 監測點分布示意圖

3 地下水污染阻斷設計及實施

3.1 地下空間結構

場地地下空間結構的刻畫，主要通過礦山地質資料收集分析、地球物理勘探、地質鉆探等綜合確定，基本查明污染深度范圍內的地層結構、巷道走向、發育深度以及斷層走向和破碎帶發育深度。以事故井為中心，東西向、南北向貫穿一條巷道，事故井北側發育一條斷層，傾向NNE，傾角10°～15°，斷裂帶寬約15m。巷道層坡度方向從西南往東北，事故井位置較高，局部位置下陷與塌陷有關。第四系松散層以下為巖層，含水層主要位于石炭二疊系裂隙巖溶含水層，巷道內大部分區域處于充滿水的狀態。傾倒的化學廢液以強酸、VOCs為主，呈粘稠狀，以地下水為介質，發生復雜的氣、液、固三相轉化，巷道、破碎帶成為優勢徑流通道[14]，DNAPL附著、吸附于巷道底部或裂隙中，LNAPL則伴隨地下水遷移或轉化為氣態有機物在巷道和采空區擴散(圖4、圖5)。

1—事故井；2—勘察孔；3—地下水監測井；4—巷道；5—破碎帶；6—推測斷裂圖4 場地地下空間平面分布推斷示意圖

1—第四系；2—石炭系；3—奧陶系；4—粉質黏土；5—泥巖；6—砂巖；7—頁巖；8—砂質泥巖；9—灰巖；10—鋁土巖；11—輝綠巖圖5 場地地質剖面示意圖

3.2 技術比選

對于歷史遺留污染場地或者突發環境污染事件，根據緊急程度和識別的污染程度、分布和范圍，結合污染物的遷移特性，按暴露情景，可分為污染源處理模式、暴露途徑阻斷模式和制度控制措施模式等。

事件發生后，事故井被緊急封閉防止有毒氣體逸散，直接開挖事故井清除污染源造成二次污染和人員傷亡的可能性大。應急監測結果顯示事故井周邊及下游區域已檢出有機物，下游水源地供水安全遭受嚴重威脅。暴露途徑阻斷模式，是通過在污染源周圍構筑低滲透性的屏障，來隔離污染物[15-18]，或通過人工干預控制地下水的流場，改變污染物的遷移途徑。

阻隔技術是指通過開挖溝槽或施工鉆孔，在污染物周圍形成一條帷幕狀的隔水帶，阻斷帷幕內外的水力聯系，防止污染物進一步遷移和擴散。阻隔技術作為一種永久性的封閉方法，一般在污染事件發生初期作為應急處置或風險管控措施，適用于風險大、危害高的地下水污染場地。常見的阻斷技術有泥漿阻截墻、注漿阻截墻、土工膜復合阻截墻、板樁阻截墻、可滲透反應墻等[15]。對于深層土壤中地下水污染或者裂隙、巖溶地下水的污染，地下水的埋藏深度大，難以通過開挖來構筑阻隔墻，而是視污染物的分布情況進行有針對性的布點，根據地層的滲透性能，設置單排或雙排注漿孔，不斷通過壓力注入膨潤土泥漿或者水泥漿，直至形成連續均勻的墻體。

水動力控制法是利用井組抽水或注水，人工干預地下水流場，改變場地內的水力梯度，進而將污染水體與未污染的水體分隔[19-22]?？稍谖廴舅w的上游和下游分別布置井組，一是在上游布置注水井向目標含水層注入清潔水，形成一個地下分水嶺阻止上游地下水補給污染水體；同時，在下游水井抽水對污染水進行抽出處理。二是在下游布置注水井注入清潔水，形成一個分水嶺阻止污染物向下游擴散；同時在上游抽水，將抽出的污染水體進行處理。

本次污染事件的突出特點為地質條件復雜、污染深度大、污染物種類多、成分復雜、污染情況重、污染分布不明、存在有毒氣體逸散風險、對周邊地下水存在安全隱患，因此應急處置風險極高。地下空間支離破碎，含水層介質水文地質參數、污染物特性及其與地層介質的作用機制復雜，采用帷幕注漿技術對污染區進行永久性的封閉，并有相關礦山帷幕注漿技術規范可供借鑒，環境污染風險可控。

3.3 阻斷設計方案

3.3.1 水文地質條件分析

本次污染層位為石炭-二疊紀太原組10-1煤層，污染層之上33～55m的砂巖及薄層灰巖具有一定的富水性，第四系粉質黏土垂直滲透系數為6.68E-06cm/s，采用三角形井孔法確定地下水流向為西北向，煤系地層滲透系數為0.5～1.0m/d。 場區地下水以深層孔隙裂隙水混合巖溶裂隙水為主，主要接受大氣降水入滲補給，補給條件一般，但含水層透水性較差，以蒸發和人工開采為主要排泄方式。根據污染發生時間推算主要污染物的擴散距離，在事故井周圍100m范圍，通過建立水泥漿止水帷幕來切斷污染物的擴散途徑。

3.3.2 技術方法和工藝

通過三角布井以及重點區適當加密，按照6～8m孔距布置兩排注漿孔(圖6)，開孔口徑Ф203mm，終孔口徑Ф152mm，下入無縫鋼管并用水泥漿固井封堵上部含水層，鉆進至巷道/采空區底板2m終孔。先進行Ⅰ區(圖7)注漿，待Ⅰ區注漿接頂后，然后進行Ⅱ區注漿孔注漿，采用PO42.5普通硅酸鹽水泥密閉孔口壓力注漿，注漿流量60～160L/min，水灰比0.4～0.6，斷層北側單孔深度115～120m，斷層南側單孔深度為75～90m，共施工115個注漿孔。根據石料休止角估計填石料量和堆積高度，石料頂端沒過花管頂端0.5m開始緩慢注入高粘度水泥漿，水泥漿通過添加摻和劑提高粘度，注漿過程中不斷添加石料，持續注漿一段時間后根據需要改用雙液注漿。雙液注漿要使水玻璃和水泥漿在孔底混合，水玻璃采用間歇注入方式，石料在注漿管下入孔底后沿鉆孔投入，所需石料粒徑要求1～5cm，原則上要求不會積量卡在孔壁。若一次注漿無法做到接頂，可分多階段重復進行，待注漿第一階段完成后，拔出注漿管，待水泥漿初凝后，下入Ф108mm鉆具鉆進凝固體50cm，下入注漿管、投入石料繼續進行注漿，直到充分接頂。注漿過程緩慢上拔注漿管，注漿過程結束標準為注漿接頂，接頂判斷依據為石料不消耗或者水泥漿難自流下滲。

1—場地紅線；2—帷幕范圍；3—巷道；4—事故井；5—注漿孔圖6 帷幕注漿竣工示意圖

圖7 注漿孔平面布置示意圖

4 結果與討論

帷幕注漿的效果從2個方面論述，一是帷幕外周邊及下游自備井中地下水的檢出情況，二是場地詳細調查階段檢測數據。從表3可以看出，2016年1月，帷幕注漿第一階段基本完成，除了村5點檢測出微量的萘之外，其他點位均未檢出有機物；2016年9月，帷幕注漿全部完成，進入場地環境調查階段，選取4個點位進行檢測，有3個點位檢測出微量有機物，但是濃度較低。

表3 地下水監測點監測指標及檢出情況(帷幕注漿后)

為了更加客觀真實的評價帷幕注漿的效果，選取場地調查階段帷幕內外地下水監測數據進行對比分析。從圖8可以看出，帷幕范圍內，巷道、破碎帶以及推測斷裂周邊的有機污染物濃度較高，符合關于優勢徑流通道的基本判斷；帷幕范圍外地下水的上游，有機污染物均未檢出，下游地下水中有機污染物雖有檢出，但是總體含量較低，表明帷幕注漿對污染物的截留作用較明顯。

1—事故井；2—有機污染高濃度點；3—有機污染中濃度點；4—有機污染低濃度點；5—巷道；6—破碎帶；7—推測斷裂圖8 地下水有機污染物總濃度分布圖

綜上所述，采取帷幕注漿技術對深層地下水污染進行阻斷，構建了污染物應急阻隔封堵技術體系，提出了一種新型巷道和采空區注漿孔布設系統，即“雙排—正三角形”布孔系統，該系統具有使用水泥漿液、骨料少，可接頂，防滲性強等優勢。但是需要注意的是，污染場地地層巖性、污染物分布高分辨率的刻畫是地下水污染阻斷技術的設計基礎，在污染擴散風險可控的前提下，應通過現場水文地質試驗，求取含水介質水文地質參數，掌握污染場地地下水的水文地球化學特征，識別污染物的基本特性、與含水介質的作用機理等，推斷污染物的遷移方式、路徑、速度等，更加有針對性地進行污染物阻斷工程設計。設計要充分考慮屏障的幾何形狀、進行地層應力分析、優選有效的阻截材料并保障與污染物的兼容性，確定高效可行的構筑方法，建立構筑質量監控體系，確保構筑阻斷墻體的連續性。

5 結論

(1)通過對場地地質背景的分析、地下水污染特征的分析，對地下空間平面分布、地層結構進行刻畫，根據污染情況、事件的緊急程度，進行技術比選和技術研發。面對此類污染，首先要對污染源進行控制和清除，通過阻斷、吸附等手段，防止污染源進一步擴散，確保污染的風險可控。

(2)本次采取帷幕注漿技術，并對注漿工藝、布井方式等進行創新，“雙排—正三角形”布孔方法，優化注漿方式、配比和流量等，注漿孔充分接頂并連接成屏障，既保障了污染物的阻斷效果，又提高了效率，節省了材料，具有極強的經濟型、可操作性，可在類似工程中推廣應用。

(3)面對該類復雜的地下水污染場地，要結合地質結構和污染物分布特征，從源頭出發采取管控措施，對現有治理技術進行有機組合，并不斷在實踐中進行技術改進和升級，從而達到風險管控的效果。