济南某场地地下水污染控制技术研究

马永跃，靖新艳，韩昱，刘玉想，魏善明

(1.济南市生态环境局章丘分局，山东 济南 250200；2.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；3.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014；4.山东大学，山东 济南 250100)

0 引言

近年来，随着我国城市化进程加速和产业结构调整，由于工矿企业搬迁、突发环境污染事件、污染物或固废的非法倾倒、填埋等因素引发的土壤和地下水污染[1-5],对我国紧缺的地下水资源造成威胁[6-8]。废弃矿山的污染治理，受到国家宏观政策等因素影响逐步受到重视，众多存量问题和增量问题亟待解决。煤矿区的地下水污染问题，埋藏深度大、污染机理复杂、修复难度高[9-10]，在短时间内无法溯源和控制风险，成为困扰从业者的棘手问题。开展煤矿区地下水污染的控制技术研究具有重大的现实意义和良好的应用前景[11]。

2015年济南某地突发重大环境事件导致人员死亡，由于不法分子向废弃矿井倾倒化学废液导致土壤、地下水、巷道气体受到污染(图1)，污染深度为80～120m。事故井周边5个自备井内检测出萘、1-甲基萘、2-甲基萘、邻苯二甲酸二甲酯等微量有机物，位于场地下游3km左右的水源地遭受严重威胁。任由污染物随着地下水在地下空间迁移和扩散，将直接影响当地数十万市民的用水安全。该污染事件的突发性、危害的严重性、污染的复杂性、处置的高风险性和不确定性，对地下水污染进行阻断和控制是核心技术问题的重点难点。

图1 场地污染模型

1 地质背景

场地地处华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)泰山-济南断隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)的北部，呈NE倾向的单斜构造。地层自下而上分别为奥陶纪马家沟群、石炭纪月门沟群本溪组、石炭-二叠纪月门沟群太原组以及第四系。场地所处煤矿于1990年建井，2005年12月闭坑，煤矿主要开采煤层为太原组下部的10-1、10-2，煤层倾向NNE，倾角10°～15°。本组地层中含石灰岩五层(由下而上为一灰—五灰)，较稳定，均为良好的标志层。矿山资料及物探勘查显示，场地中部有一条NE向断层，该煤矿采用走向短壁后退式采煤法，人工打眼，放炮落煤，全部冒落法管理顶板，局部地段采用条带式开采，矿层顶板垮落，地下空间支离破碎，地质条件较为复杂。断裂构造及陷落柱沟通矿坑水及奥灰水，存在“串层污染”的潜在风险[12-13]。

2 地下水污染特征

事故井位于原煤矿工业广场一处独立院落的东南角(图2)，事件发生后，事故井西北侧填埋的危险废弃物和受污染土壤被清挖和安全处置。

图2 场地现状图(2015年)

通过对涉事3家化工企业产污情况进行分析和检测(表1)，A企业3个样品的挥发性有机物定性分析，分别检出15种、20种及18种有机物，共检出15种相同的有机物，分别占3个样品有机物检出总量的100%、75%和 83.3%，腐蚀性pH检验结果显示，3个样品腐蚀性pH均大于14，呈强碱性；B企业废酸储罐中的废硫酸样品，呈强酸性(pH<0)，为危险废液，具有强腐蚀性；C企业桶装废弃物样品腐蚀性pH均小于0，呈强酸性，为危险废物。

表1 涉事企业样品pH、VOCs检测结果

地下水应急监测选取12个生活饮用水监测点，分别位于场地地下水上游、下游及周边可能受到污染的点位，市环境监测站监测村1、村4、村5、村10、村11、村12点位检出挥发酚、三甲基苯、萘、1-甲基萘、2-甲基萘等有机物，区疾控中心监测村4、村5、村7、村9、村11、村12点位检出萘、1-甲基萘、 2-甲基萘、邻苯二甲酸二甲酯、苯丙醇、异丙苯、联二苯等有机物(图3，表2)。

表2 地下水监测点监测指标及检出情况(事件发生后)

图3 监测点分布示意图

3 地下水污染阻断设计及实施

3.1 地下空间结构

场地地下空间结构的刻画，主要通过矿山地质资料收集分析、地球物理勘探、地质钻探等综合确定，基本查明污染深度范围内的地层结构、巷道走向、发育深度以及断层走向和破碎带发育深度。以事故井为中心，东西向、南北向贯穿一条巷道，事故井北侧发育一条断层，倾向NNE，倾角10°～15°，断裂带宽约15m。巷道层坡度方向从西南往东北，事故井位置较高，局部位置下陷与塌陷有关。第四系松散层以下为岩层，含水层主要位于石炭二叠系裂隙岩溶含水层，巷道内大部分区域处于充满水的状态。倾倒的化学废液以强酸、VOCs为主，呈粘稠状，以地下水为介质，发生复杂的气、液、固三相转化，巷道、破碎带成为优势径流通道[14]，DNAPL附着、吸附于巷道底部或裂隙中，LNAPL则伴随地下水迁移或转化为气态有机物在巷道和采空区扩散(图4、图5)。

1—事故井；2—勘察孔；3—地下水监测井；4—巷道；5—破碎带；6—推测断裂图4 场地地下空间平面分布推断示意图

1—第四系；2—石炭系；3—奥陶系；4—粉质黏土；5—泥岩；6—砂岩；7—页岩；8—砂质泥岩；9—灰岩；10—铝土岩；11—辉绿岩图5 场地地质剖面示意图

3.2 技术比选

对于历史遗留污染场地或者突发环境污染事件，根据紧急程度和识别的污染程度、分布和范围，结合污染物的迁移特性，按暴露情景，可分为污染源处理模式、暴露途径阻断模式和制度控制措施模式等。

事件发生后，事故井被紧急封闭防止有毒气体逸散，直接开挖事故井清除污染源造成二次污染和人员伤亡的可能性大。应急监测结果显示事故井周边及下游区域已检出有机物，下游水源地供水安全遭受严重威胁。暴露途径阻断模式，是通过在污染源周围构筑低渗透性的屏障，来隔离污染物[15-18]，或通过人工干预控制地下水的流场，改变污染物的迁移途径。

阻隔技术是指通过开挖沟槽或施工钻孔，在污染物周围形成一条帷幕状的隔水带，阻断帷幕内外的水力联系，防止污染物进一步迁移和扩散。阻隔技术作为一种永久性的封闭方法，一般在污染事件发生初期作为应急处置或风险管控措施，适用于风险大、危害高的地下水污染场地。常见的阻断技术有泥浆阻截墙、注浆阻截墙、土工膜复合阻截墙、板桩阻截墙、可渗透反应墙等[15]。对于深层土壤中地下水污染或者裂隙、岩溶地下水的污染，地下水的埋藏深度大，难以通过开挖来构筑阻隔墙，而是视污染物的分布情况进行有针对性的布点，根据地层的渗透性能，设置单排或双排注浆孔，不断通过压力注入膨润土泥浆或者水泥浆，直至形成连续均匀的墙体。

水动力控制法是利用井组抽水或注水，人工干预地下水流场，改变场地内的水力梯度，进而将污染水体与未污染的水体分隔[19-22]。可在污染水体的上游和下游分别布置井组，一是在上游布置注水井向目标含水层注入清洁水，形成一个地下分水岭阻止上游地下水补给污染水体；同时，在下游水井抽水对污染水进行抽出处理。二是在下游布置注水井注入清洁水，形成一个分水岭阻止污染物向下游扩散；同时在上游抽水，将抽出的污染水体进行处理。

本次污染事件的突出特点为地质条件复杂、污染深度大、污染物种类多、成分复杂、污染情况重、污染分布不明、存在有毒气体逸散风险、对周边地下水存在安全隐患，因此应急处置风险极高。地下空间支离破碎，含水层介质水文地质参数、污染物特性及其与地层介质的作用机制复杂，采用帷幕注浆技术对污染区进行永久性的封闭，并有相关矿山帷幕注浆技术规范可供借鉴，环境污染风险可控。

3.3 阻断设计方案

3.3.1 水文地质条件分析

本次污染层位为石炭-二叠纪太原组10-1煤层，污染层之上33～55m的砂岩及薄层灰岩具有一定的富水性，第四系粉质黏土垂直渗透系数为6.68E-06cm/s，采用三角形井孔法确定地下水流向为西北向，煤系地层渗透系数为0.5～1.0m/d。 场区地下水以深层孔隙裂隙水混合岩溶裂隙水为主，主要接受大气降水入渗补给，补给条件一般，但含水层透水性较差，以蒸发和人工开采为主要排泄方式。根据污染发生时间推算主要污染物的扩散距离，在事故井周围100m范围，通过建立水泥浆止水帷幕来切断污染物的扩散途径。

3.3.2 技术方法和工艺

通过三角布井以及重点区适当加密，按照6～8m孔距布置两排注浆孔(图6)，开孔口径Ф203mm，终孔口径Ф152mm，下入无缝钢管并用水泥浆固井封堵上部含水层，钻进至巷道/采空区底板2m终孔。先进行Ⅰ区(图7)注浆，待Ⅰ区注浆接顶后，然后进行Ⅱ区注浆孔注浆，采用PO42.5普通硅酸盐水泥密闭孔口压力注浆，注浆流量60～160L/min，水灰比0.4～0.6，断层北侧单孔深度115～120m，断层南侧单孔深度为75～90m，共施工115个注浆孔。根据石料休止角估计填石料量和堆积高度，石料顶端没过花管顶端0.5m开始缓慢注入高粘度水泥浆，水泥浆通过添加掺和剂提高粘度，注浆过程中不断添加石料，持续注浆一段时间后根据需要改用双液注浆。双液注浆要使水玻璃和水泥浆在孔底混合，水玻璃采用间歇注入方式，石料在注浆管下入孔底后沿钻孔投入，所需石料粒径要求1～5cm，原则上要求不会积量卡在孔壁。若一次注浆无法做到接顶，可分多阶段重复进行，待注浆第一阶段完成后，拔出注浆管，待水泥浆初凝后，下入Ф108mm钻具钻进凝固体50cm，下入注浆管、投入石料继续进行注浆，直到充分接顶。注浆过程缓慢上拔注浆管，注浆过程结束标准为注浆接顶，接顶判断依据为石料不消耗或者水泥浆难自流下渗。

1—场地红线；2—帷幕范围；3—巷道；4—事故井；5—注浆孔图6 帷幕注浆竣工示意图

图7 注浆孔平面布置示意图

4 结果与讨论

帷幕注浆的效果从2个方面论述，一是帷幕外周边及下游自备井中地下水的检出情况，二是场地详细调查阶段检测数据。从表3可以看出，2016年1月，帷幕注浆第一阶段基本完成，除了村5点检测出微量的萘之外，其他点位均未检出有机物；2016年9月，帷幕注浆全部完成，进入场地环境调查阶段，选取4个点位进行检测，有3个点位检测出微量有机物，但是浓度较低。

表3 地下水监测点监测指标及检出情况(帷幕注浆后)

为了更加客观真实的评价帷幕注浆的效果，选取场地调查阶段帷幕内外地下水监测数据进行对比分析。从图8可以看出，帷幕范围内，巷道、破碎带以及推测断裂周边的有机污染物浓度较高，符合关于优势径流通道的基本判断；帷幕范围外地下水的上游，有机污染物均未检出，下游地下水中有机污染物虽有检出，但是总体含量较低，表明帷幕注浆对污染物的截留作用较明显。

1—事故井；2—有机污染高浓度点；3—有机污染中浓度点；4—有机污染低浓度点；5—巷道；6—破碎带；7—推测断裂图8 地下水有机污染物总浓度分布图

综上所述，采取帷幕注浆技术对深层地下水污染进行阻断，构建了污染物应急阻隔封堵技术体系，提出了一种新型巷道和采空区注浆孔布设系统，即“双排—正三角形”布孔系统，该系统具有使用水泥浆液、骨料少，可接顶，防渗性强等优势。但是需要注意的是，污染场地地层岩性、污染物分布高分辨率的刻画是地下水污染阻断技术的设计基础，在污染扩散风险可控的前提下，应通过现场水文地质试验，求取含水介质水文地质参数，掌握污染场地地下水的水文地球化学特征，识别污染物的基本特性、与含水介质的作用机理等，推断污染物的迁移方式、路径、速度等，更加有针对性地进行污染物阻断工程设计。设计要充分考虑屏障的几何形状、进行地层应力分析、优选有效的阻截材料并保障与污染物的兼容性，确定高效可行的构筑方法，建立构筑质量监控体系，确保构筑阻断墙体的连续性。

5 结论

(1)通过对场地地质背景的分析、地下水污染特征的分析，对地下空间平面分布、地层结构进行刻画，根据污染情况、事件的紧急程度，进行技术比选和技术研发。面对此类污染，首先要对污染源进行控制和清除，通过阻断、吸附等手段，防止污染源进一步扩散，确保污染的风险可控。

(2)本次采取帷幕注浆技术，并对注浆工艺、布井方式等进行创新，“双排—正三角形”布孔方法，优化注浆方式、配比和流量等，注浆孔充分接顶并连接成屏障，既保障了污染物的阻断效果，又提高了效率，节省了材料，具有极强的经济型、可操作性，可在类似工程中推广应用。

(3)面对该类复杂的地下水污染场地，要结合地质结构和污染物分布特征，从源头出发采取管控措施，对现有治理技术进行有机组合，并不断在实践中进行技术改进和升级，从而达到风险管控的效果。