包氣帶巖土滲透系數(shù)在地下水環(huán)境影響評價中的意義

獨仲德，王 磊

(中國輻射防護研究院，山西 太原030006)

巖土滲透性:巖土的滲透性通常是指巖土允許水或其他流體滲入和穿過的性能。通常用滲透系數(shù)、滲透率表示。對于大氣降水和渠系水、農(nóng)田灌溉水通過包氣帶巖土向地下水的遷移量也用入滲系數(shù)表示。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢污水和各類固體廢物經(jīng)水淋溶產(chǎn)生的淋濾液，以不同途徑對地下水造成污染影響的過程中，不同巖土的滲透性對于污染物遷移途徑、運動速率和污染影響程度起著至關重要的作用。在建設項目地下水環(huán)境影響評價中，巖土的滲透性對評價初期評價等級的判定、區(qū)域和項目場地環(huán)境水文地質(zhì)條件的掌握、了解各含水層之間以及含水層與地表水體之間的水力聯(lián)系、地下水污染影響預測、以及針對項目對地下水存在的潛在污染影響提出切實可行的環(huán)境保護措施具有重要作用。

1 包氣帶巖土滲透性與防污性能

包氣帶是降水入滲補給地下水的通道，也是防止和減輕廢污水通過包氣帶對地下水造成污染的保護層。以往包氣帶作為入滲補給通道作用的研究比較深入且成熟，但是作為保護地下水的防污層的滲透性能的研究需進一步加強。在《環(huán)境影響評價技術導則 地下水環(huán)境》[1]的地下水環(huán)境影響評價工作分級中，作為劃分依據(jù)的第一項便是包氣帶防污性能分級，按包氣帶巖土層厚度、飽水垂向滲透系數(shù)和巖土層連續(xù)、穩(wěn)定性三個方面分為強、中、弱三級。說明巖土層的防污性能決定于巖土層厚度、滲透性能及其連續(xù)穩(wěn)定性。在三個方面中，項目場地的巖土層厚度及連續(xù)穩(wěn)定性，通過項目場地巖土工程勘察或其他勘探方式可以比較準確地取得，巖土層的滲透系數(shù)卻由于其顆粒組成不同，垂向穿過的巖土層數(shù)、層厚及層序不同，使得確定巖土層滲透系數(shù)應綜合考慮和方面因素。

對于某一建設項目，涉及可能對地下水造成污染的設施有多處，應在充分了解建設項目場地巖土工程勘察結(jié)果和項目平面、豎向布置的基礎上進行分析。以某新建鋼鐵項目為例，擬建廠址區(qū)為中等切割的山前洪積扇區(qū)，包氣帶厚度(即潛水水位埋深)45～57m，自南向北由厚變薄。工程勘察鉆孔最大深度30.0m，包氣帶淺部地層由粉土(12～15m)、粉質(zhì)粘土(10～12m)、砂礫石(3～8m)、砂卵石(5～8m)組成。

可能對地下水產(chǎn)生污染的主要設施和場所有煉鋼連鑄車間水處理裝置污水池(槽)、軋鋼車間水處理裝置污水池(槽)、各車間濁環(huán)水旋流沉淀池、廢污水埋地管道、廢污水處理站污水池、廢油暫存間、原料場、廠內(nèi)水渣和鋼渣臨時堆場等。其中各類污水池均為地下式或半地下式，基礎埋深5m，各車間濁環(huán)水旋流沉淀池基礎埋深18m，廢污水管道基礎埋深1.2m。考慮到埋深大的設施除其池底會因某種原因產(chǎn)生裂縫引起廢污水泄漏，池壁也存在發(fā)生泄漏的可能。因此按距離地下水位最近的池底埋深大的旋流沉淀池之下的包氣帶介質(zhì)特性作為判定包氣帶防污性能的依據(jù)。根據(jù)工程勘察結(jié)果，該處包氣帶地層自設計基準面向下依次為粉土約14m、粉質(zhì)粘土約11m、砂礫石約5m、砂卵石約6m。因此，旋流沉淀池底之下是約7m厚的粉質(zhì)粘土，該層粉質(zhì)粘土對污水向地下水的滲漏有一定的阻滯作用。

本例中粉質(zhì)粘土層滲透系數(shù)的確定可以通過巖土工程勘察時取未擾動巖土樣進行室內(nèi)滲透系數(shù)測試、通過類比，也可以取經(jīng)驗值。一般情況下，工程勘察結(jié)果中沒有滲透系數(shù)項，保守起見取經(jīng)驗值的高值比較合適。根據(jù)上述條件，依據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則 地下水環(huán)境》，本例包氣帶防污性能可劃為“中”。

2 地下水污染影響預測源強分析

在正常工況下，由于各涉及廢水、污水和固體廢物的設施均采取了有效的防滲等措施，不會對地下水造成污染影響，因此只對本項目主要地下水污染源煉鋼連鑄車間水處理裝置污水池(槽)、軋鋼車間水處理裝置污水池(槽)、各車間濁環(huán)水旋流沉淀池、廢污水處理站污水池在事故工況下對地下水水質(zhì)的影響按照要求進行影響預測。源強分析涉及到各污水池、沉淀池形狀、大小、有效水深;污水的污染因子、污染物濃度;包氣帶各巖土層厚度、滲透系數(shù);污染景象設置等幾個方面。其中前兩方面一般在項目可行性研究報告中已經(jīng)給出，巖土層厚度在項目場工程勘察報告中也已給出，巖土滲透系數(shù)和污染景象需評價中重點分析。

污染景象是指造成涉污建構(gòu)筑物中的污染物在事故工況下進入包氣帶的途徑。從各類污水池、沉淀池結(jié)構(gòu)看，防滲的薄弱區(qū)是池體伸縮縫、后澆帶、施工縫等，均為線狀[2]。按相關規(guī)范進行了滿水試驗達到防滲要求，但在地基不均勻沉降、防滲材料老化失效等事故情況下，這些部位可能會發(fā)生污水滲漏。一般考慮有1/5個伸縮縫出現(xiàn)事故，事故伸縮縫約1/3長度出現(xiàn)滲漏，滲漏縫寬度約3 mm。

包氣帶由單一巖性的巖土層構(gòu)成的，其滲透系數(shù)可通過入滲試驗取得或取經(jīng)驗值。對于由多層組成的包氣帶，滲透系數(shù)可按各層經(jīng)驗值再估算出整個包氣帶均值。由此取得的均值一般偏大，為保守值。該均值的取得基于如下條件。

當入滲水流流向與水平巖土層分界面垂直情況下，在均勻流動時，通過每一層的滲透速度都相同，但因各層的滲透系數(shù)不同，因此水力坡度不同。對于每一層可分別表示為:

式中:V為滲透速度，m/s;K1、K2、…、Kn為各層滲透系數(shù)，m/s;△H1、△H2、…、△Hn為各分層內(nèi)的水頭差;M1、M2、…、Mn各分層的厚度，m;I1、I2、…、In為各分層的水力坡度。

通過整個巖土層的總水頭損失，為通過每一層的水頭損失之和，如果從整個巖土層的平均值來考慮，按照達西定律則有如下形式。

式中:Kcp為整個巖土層平均滲透系數(shù)，m/s;

上述相同的入滲速度受控于滲透性弱的巖土層。實際的入滲是當滲流遇到滲透性弱的巖土層時會優(yōu)先在其上滲透性相對強的巖土層中運動，或同時存在水平運動和垂向入滲，以往的研究也給出了明確的結(jié)果[3]。但從地下水環(huán)評考慮，可采用上述保守的包氣帶巖土層滲透系數(shù)的均值來估算各污染源污水到達含水層的污水量和污染物濃度。估算中的滲漏斷面即上述污染景象的滲漏縫大小，水力坡度由各池有效水深和巖土層巖性決定。

3 污染防治措施

各類污水池、沉淀池等廢污水貯集處理設施的設計和建設都有相關的防滲技術要求，包氣帶巖土層厚度、垂向滲透系數(shù)及連續(xù)穩(wěn)定性在巖土工程勘察中給出。在此前提下進行的地下水環(huán)境影響預測結(jié)果如果對項目地下水環(huán)境保護目標產(chǎn)生污染，不能滿足地下水環(huán)境功能要求，則需要采取更為嚴格的防滲措施，增強池體防滲性能，設置工程防滲層。

在設計和建設過程，通常的做法是在鋼筋混凝土池體內(nèi)表面涂刷防滲阻水材料，在池體底部及外側(cè)設排滲層和柔性防滲層，如采取防滲土工膜防滲層等。預測在采取這些防滲措施后的地下水環(huán)境影響結(jié)果，直到采取的措施使項目對地下水環(huán)境的影響滿足環(huán)境功能要求。

管理方面，按照行業(yè)生產(chǎn)的相關管理要求，各排水及水處理設施應與其他主體生產(chǎn)設施一樣建立定期檢修維護制度，把廢水污水的非正常外泄控制在未出現(xiàn)之前。發(fā)現(xiàn)隱患及時處理。

建立地下水長期監(jiān)控系統(tǒng)，包括科學、合理地設置地下水污染監(jiān)控井，建立完善的監(jiān)測制度，配備先進的檢測儀器和設備，以便及時發(fā)現(xiàn)并控制地下水污染。

4 結(jié)語

包氣帶巖土的滲透性是地下水環(huán)境影響評價工作分級中包氣帶防污性能分級的主要因素。對于由多層巖土層組成的包氣帶，項目場地有幾個污染源時，可按基礎最深的設施所對應的巖土層滲透系數(shù)和巖土層厚度、連續(xù)穩(wěn)定性劃定包氣帶防污性能分級。

在地下水污染影響預測源強的確定中，包氣帶滲透系數(shù)可用各巖土層滲透系數(shù)計算取得的偏保守均值。實際入滲可能因弱滲透層的存在而部分或全部改變流向，成為水平、垂向都存在的流動或者只有水平流動。但與只考慮垂向入滲的平均滲透系數(shù)相比減輕了對地下水的影響程度。污染景象的設置應從涉污建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特征，以防滲薄弱區(qū)池體伸縮縫、后澆帶、施工縫等作為可能發(fā)生污水滲漏的部位，并確定滲漏部位形狀、大小。

在按相關技術規(guī)范設計的采取防滲措施前提下，進行項目對地下水影響預測，如果預測結(jié)果不能滿足地下水環(huán)境功能要求，使環(huán)境保護目標受到污染，則應要求增強池體防滲性能，設置工程防滲層，直到采取的措施使項目對地下水環(huán)境的影響滿足環(huán)境功能要求。各涉污水設施應與其他主體生產(chǎn)設施一樣建立定期檢修維護制度，建立地下水長期監(jiān)控系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并控制地下水污染。

[1]環(huán)境保護部.環(huán)境影響評價技術導則 地下水環(huán)境(HJ610－2011).中國環(huán)境科學出版社.2011.

[2]丁兆民，李聰婷，雷重軍.論污水處理廠混凝土工程防滲措施.市政技術.2009，27(1):49－52.

[3]于青春，陳崇希.滲水試驗的飽和－非飽和水運動數(shù)值模擬分析.14－19.