畜牧综合体废弃物对潜水和地表水的影响.doc

272009年第3期 畜牧综合体废弃物对潜水和地表水的影响 畜牧综合体废弃物对潜水和地表水的影响*.，.，.，.，. 02.07.2007.翻译：宋清；校对：苑惠明【摘 要】 研究探讨了邻接大型畜牧综合体区域的水文地质和水化学状况的变化；对环境可能受到的污染做了预测，并且论证了环境保护措施。畜牧综合体，特别是污水储存池中废弃物的漏泄，污染着周围区域。为了论证畜牧综合体的分布和对周围环境的影响，考虑不同因素和条件（自然-地理、地形、水文、地质构造和水文地质等）的相互作用是很重要的。综合研究环境组分可以客观地评估畜牧综合体对邻近地区生态状况的影响和论证防止不良作用的建议并及可能发生的事故。虽然畜牧综合体的影响会实际地反映在所有环境组分中（空气、土壤、包气带岩石、地表水和地下水），但本文主要关注当地潜水和地表水的潜在污染，这种污染常常使水不适于生活饮用。如果考虑到在农村潜水往往是唯一的供水源，这种影响是非常不利的。养猪场受到特别的注意，在其结构中有用于储存产生有毒废水的大规模污水池。这种污水池的体积达25,000米3以上，面积为1公顷，深度为2.5米。养猪场每年产生的废弃物量可以超过5000吨。污水池常常分布在河谷阶地和小水流（冲沟）坡地。污水池中产生产的废弃物长期处于液态和半液态稠状（含水率达95%）。表 1 养猪场污水的化学成分化 学 物 质畜 粪 馏 分液态的，毫克/升固态的，毫克/升NO3NH4P3O5KCO3HCO3SO4ClNaCaMgpH干燥残渣灼烧残渣氧化度，毫克/升O2含灰量，%悬浮物质，克4370143090049872016475820600150138270.35.27.1513 50053602-58 80020 800120048002100402620790486248.847.7-32 8001816* ,. . . ，2008 , 4, . 331-337养猪场废水为粗组分和微量成分含量高的高浓度溶液。废水的总矿化值达到了25克/升（取决于所使用的饲料）。在这种情况下，养猪场排出的废水中生源体总含量在102克/升范围内（表1），而重金属的总含量可以达到50克/升（表2）。排放的废水中含有铝、钼、镉、铬、铅、铜和一些其他重金属。表 2 养猪场污水中的金属含量元素畜粪馏分液态的，毫克/升固态的，毫克/升灌溉时最大允许量，毫克/升铝铁锰镍钛钒铬钼锌铜铅银铍镧钡硼16.216.21.60.050.30.010.020.01-0.160.050.010.010.27-18.69.51.9(27.3)0.010.90.010.01(0.2)0.19(36.8)0.05(6.9)0.01-0.090.09(3.6)1.01.52.00.50.010.15.00.011.00.15.01.00.010.151.0根据列出的数据（表1），生源体（NO3，NH4，P3O5，K），以及HCO3、Cl、CO3阴离子的浓度最高。在这种情况下，pH数值可能会从弱酸性变为碱性溶液。畜粪废水的特点是病源细菌体（大肠杆菌、葡萄球菌）含量高。在这类废水蓄积的情况下，在地面上的污水池中保存了高浓度的病源体微生物，甚至会增加。然而，在畜粪污水通过疏松介质渗透时，细菌的污染依靠粘土岩吸收和缓冲的特性，很大程度上或完全滞留在包气带上部。由于畜粪污水浓度高，而这些组分含量又非常高：NO3从30增长到800，K从5到1000毫克/升，Cl从28到400毫克/升，HCO3从200到1000毫克/升，Mg从11到100毫克/升，所以向地表水和地下水迁移的污水造成地下水污染。粗组分浓度类似的增加同样伴随着微量成分（金属）含量的相应增加，造成自然水污染，再也不能作为日常和生活供水源继续使用。为了评价畜牧综合体对自然环境的影响和研究制定预防污染的措施，应该研究主要针对具体综合体布局条件的一些相互关联的问题：详细研究区域的自然条件，其中包括根据钻探资料研究地质-水文地质特性；评价污水对潜水水质和包气带岩石的影响；数字和分析预测模拟，以此确定各种补给方案情况下的潜水水位状况和畜牧综合体污水池的渗漏情况。对位于莫斯科州的一个养猪综合体污水污染的地表水和地下水，以及这种作用可能产生的后果进行了调查。该综合体可作为最近几年在俄罗斯不同地质-水文地质条件下规划和建筑这类工程的类似实例。在这种情况下，特别注意到邻接生态系统主要污染源的畜牧业废弃物的污水池（储存池）。场地的地质和水文地质条件。研究场地位于第聂伯河冰川作用的湖相-冰川平原，具有标高明显落差的特点。该地斜度为35%。厚达10米的第四纪含水岩石，是夹带冰水粉砂薄夹层的早-中第四纪亚粘土的交互层（图1）。在覆盖的亚粘土和冰水沉积层中揭露出偶尔分布着的潜水，埋深在0.5到5.5米之间。潜水在研究场地外的沟谷网络中排泄，依靠大气降水渗透补给。潜水水位在夏季平水期位于亚粘土层。在春、秋季潜水的补给期间预计水位应会抬升11.5米，这是莫斯科州南部典型的特点。图 1 综合体主要构筑物分布地段典型地质-水文地质剖面。热力学的计算。养猪业的畜粪排放物的总矿化度达到每升几十克，生源体和重金属的总含量严重超过了卫生标准。为了评价这类污水对“水-岩石”系统矿物相的影响程度，对一些方案进行了热力学计算。“在方案中，排放废水-岩石”系统中相互作用条件复杂：矿化值、粗组分和微量成分的含量、pH值（表3）都发生了变化。表 3 “排放废水-岩石”系统中相互作用的热力学计算结果矿化作用，摩尔/升CO2浓度迁移形式量溶液饱和度：锡铅合金白云石石膏0.3150.07265-1.53-2.16-2.920.3190.004791.264.24.-3.030.3240.0041561.174.03-3.17根据计算，弱酸污水对于石膏、白云石和绿松石是有侵蚀作用的，这说明这些矿物在这类介质中的溶解度会升高。对上面提到的矿物优先进行了研究，因为它们广泛地分布在莫斯科地区覆盖层和基岩中。根据计算数据，“排出废水-岩石”系统中侵蚀性碳酸含量会增加，加强了上述矿物的脱碱作用。污水pH值上升到8，会减小绿松石和白云石的饱和度，但石膏可以在中性和弱酸性溶液中继续脱碱。除此以外，方案计算表明：在“排放废水-岩石”系统中迁移的化学物质数量可能明显增长(达150)。水文地质条件渗透图示论证。区域水文地质条件的分析可以论证渗透图示（法）。调查范围采用800800米的正方形，而设计影响半径不超过120米。上面设计区域受到主要埋深在亚粘土中的潜水水位的限制。模拟研究了早-中第四纪沉积交互层的三层介质。第一层（厚度达2米）是粘土质覆盖沉积层；第二层是总厚度达7米（含水层）的冰水亚粘土-砂岩沉积层；第三层是埋深57米的粘土沉积层。在计算示意图中，层位采用渗透系数为0.010.001米/日的下隔水边界。考虑到垂直地层的相互作用，计划的准三维地质渗透模拟与渗透图示相符合。第四纪砂-粘土沉积层中多层含水层是模型三维的条件。根据含水系统构造，渗透系数值沿径流下游增长。潜水径流的天然水压范围（露天蓄水池和分水岭）远离所计算的范围，因此根据含水层（120米）中扰动影响范围值的鉴定评估用模型顺利完成。 当地的大坡度地形和古老地表产出的弱渗透性岩石，是在研究区域降雨和洪水期间形成地表径流的原因。同莫斯科地区平均补给值60100毫米/年相比较，使潜水的天然局部补给减少。这样，计算范围不仅在平面中，也在剖面中受到限制。该范围由三个相互作用的计算（设计）层构成。在解决计算范围的反演问题并计及边界条件时，评估了含水层的渗透参数。在这种情况下，自然条件下测量的潜水水位不仅用在解决校准含水层渗透参数的反演问题，也用于确定潜水依靠大气降水补给的计算值。平面准三维模型的数学方法。有孔介质潜水空间流向用偏导数公式表示 ：式中，Kxx、Kyy和Kzz在相应x、y和z坐标轴上的水压电导率，并且z轴是垂直的（米/日），h压力水头（米），m介质弹性系数（米-1），t时间（昼夜）。通常，参数m、Kxx、Kyy和Kzz取决于x、y和z空间坐标，公式（1）用来描述潜水在不均匀各项异性介质中的不确定流向。公式（1）h(x、y、z、t)的解给出潜水流向的完整的空间-时间特性。除简单的情况外，借助数值法可以建立必要限制和初始条件下的公式（1）。对此，渗透范围划分为计算单元，每个单元内赋予介质参数值m、Kxx、Kyy和Kzz。借助导数由相应最终差数代替的公式（1）可建立求计算单元中心承压潜力值h(x、y、z、t)的计算示意图。作为公式（1）的边界条件，在流向范围界限内或得出承压潜力值h(x、y、z、t)，或得出液体流经边界的流量值。在一些情况下，合理应用潜力值和流量之间线性关系的第三类条件。潜水面z=H(x、y、t)为流量上部边界。其形式不是原先确定的，因此在其形式中应该规定两个边界条件，其中一个是运动学条件，表达式为：式中，函数z=H(x、y、t)给出自由面的形式；n有效孔隙度；而R值表示除蒸发以外潜水上方依靠大气降水的补给强度。第二个条件表示潜水表面水和大气的压力等式：Pat=g(h-H)Z=H，式中，和g相应地表示水的密度和自由降落加速度值；而Pat表示大气压力。选择计算示意图。以相等的正方形网格表示渗透计算范围。每一个渗透计算单元的规格按坐标轴采用x=y=30。网络规格符合原始数据的间距（孔距），问题的更加细化不会增加精确度。计算单元的垂直规格z和计算单元的渗透参数值是可变的。其中z是由含水层的厚度所确定的（图2）。把钻井获得的相应的潜水压力（水位）作为边界条件。因为这些数据属于夏季平水期，就是说接近最小标高；而当潜水水位同夏-冬平水期水位相比上升11.5米时，计算中预先考虑到春季补给期提高水流的方案。 采用流体动力计算软件（MODFLOW-5.1）完成了方程（1）的数值解。水文地质条件变化预测。采用两个方案，即分析模拟和数字模拟，完成了不同计算示意图条件下的预测计算。在这种情况下应强调，地质渗透模型可以考虑到上方潜水层的流体动力条件，尽管分析模型不能提供这种可能性。第一个方案计算平水期潜水水位，同时评价研究区潜水补给的特征值。图 2 计算区域垂直构造示意图覆盖沉积；呈粉状含水砂夹层的亚粘土；重亚粘土（隔水层）第二个方案用于计算潜水压力值超过平水期1.5米时的条件，与春汛期间潜水水位一致。含水层渗透参数确定在0.050.1米/日范围内。按此方案，在污水池区域和沿径流上游达100米的地方潜水水位抬升最大。这种情况下，在距离4070米处潜水埋深不超过0.5米，这和污水池混凝土管道的拦截作用有关。图3，4列出整个计算范围内的数字模拟结果(用等值线表示预测的潜水水位)。潜水径流方向用垂直等值线表示。根据所取得的结果，潜水径流流向为南和东南方向，在沟谷网络天然低洼处排泄。水位状态分析评价。利用方程（1-2）的简化形式评价污水池混凝土管道对潜水水位状态的影响：式中，KH 地层的平均输水率（立方米/日）；HH（x、y、t）压力值。如果地层输水率不大，那么在稳定的径流情况下和在R=0时由方程式（3）得出拉普拉斯方程方程： 式中，假设水流是在两个水平方向的非限定范围流淌，环流障碍物在平面中具有半径R的圆形形态，完全把含水层间隔开，而在远离障碍物的地方其压力梯度沿x轴方向并且相等（H/x）0，那么方程（4）的解如下：H=H0+(H/x)0(1+R2/(x2+y2)x根据这个方程，该点潜水压力的上升与无干扰径流相比由下式表达：式中，r表示从这个点到圆形障碍物中部的距离；表示这个点的半径矢量和沿径流上游方向之间的角度。根据这个公式计算显示，径流方面H0时水压上升，而障碍物以外水压下降，H0（因为在障碍物前，090；而在障碍物后缘，90180）。在障碍物不完全埋深的情况下，水位变化公式如下： 式中，表示径流深部截断程度：=1，与径流截断完全相符；而值=0时，即潜水水位低于障碍物底部情况下，无论如何也不会对径流产生影响。因为污水池通常被混凝土侧壁和底板隔开，平面图中没有圆形圈，那么应用该公式仅可以评价压力变化值量级和施工对潜水水位状况的影响半径。图 3 自然水流条件下潜水水位数字模拟结果 （带数字的曲线地下水位等值线，长方形主要构筑物和污水池）取数值（H/x）0=0.1作为压力剃度，半径R50厘米的污水池横向尺寸作为施工地段的半径，当=0.2时，得出位于污水池径流上游方向点位的潜水水位最大抬升0.54米，而在远离这个点50米处（沿径流上游）为0.3米。由公式（5）的分析计算，并根据简化计算示意图可以确定地下水压力的抬升。类似计算的目的评估依靠污水池地下部分的拦截作用潜水水位上升值，以及影响范围。完成的分析计算表明，在地下水压力分布最不合理情况下，污水池侧壁的水位的抬升大约为0.50.6米，而在径流上游方向远离污水池5080米处实际上没有影响。由于污水池的施工，所得数值可以作为潜水水位抬升的第上界评估。指出，根据模型和分析预测，在污水池径流上游50米处的地段正处在浸没危险状态，地下水位持续抬升2030厘米会造成区域的沼泽化。因此，为了避免这种现象的发生，在施工和区域规划时应该预先考虑地表排水（如，露天排水沟）。在污水池使用多年的情况下，混凝土底部和侧壁可能会破坏。这时候的污水经过污水池底部和侧壁渗透到潜水水位。由亚粘土构成的包气带厚度通常在37米之间，而亚粘土的垂直渗透系数为0.010.001米/日。在污水池混凝土底部完全被破坏的情况下，液态废物可能的漏泄量为10100米3/日。由于这种规模的漏泄，污水池底部下面形成了污水分流穹隆。经过75100个昼夜该穹隆的高度实际可达到污水池底部，而污水池的水实际上同含水层形成水力方面的联系。在漏泄处在稳定状态后，其总量不会超过向污水池排放的污水量。在不断漏泄情况下，分流穹隆将会逐渐向最近的地表排水沟消失，经过几年恢复正常状态。如果污水池建在渗透性很好的沉积层，如在粗砂岩地，那么渗漏实际会污染整个周围区域，因为在这种情况下污水池对潜水的影响范围直径不会是100米。在类似的情况下，必须要预先考虑在水池周围可以