垃圾填埋場(chǎng)滲濾液地下遷移的數(shù)值模擬及其模型參數(shù)的敏感性分析

馮兆洋，張 輝，董少剛

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢 430074）

垃圾填埋場(chǎng)滲濾液地下遷移的數(shù)值模擬及其模型參數(shù)的敏感性分析

馮兆洋1，張 輝2，董少剛2

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢 430074）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水的污染日趨嚴(yán)重，尤其是垃圾填埋場(chǎng)滲濾液對(duì)地下水的污染，一直是社會(huì)各界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。利用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件GMS對(duì)松鼠嶺區(qū)垃圾填埋場(chǎng)的滲濾液遷移規(guī)律進(jìn)行了模擬，根據(jù)采樣結(jié)果，將氯離子作為污染物主要成分來(lái)模擬其地下遷移和擴(kuò)散的情況。結(jié)合研究區(qū)的區(qū)域地質(zhì)概況和水文地質(zhì)條件，選取了水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)和孔隙度這3個(gè)主要的模型參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果顯示，當(dāng)3個(gè)參數(shù)值都縮小0.5倍時(shí)，對(duì)氯離子濃度幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)3個(gè)參數(shù)值均放大到2倍后，水平滲透系數(shù)對(duì)氯離子濃度影響較為敏感，垂直滲透系數(shù)和孔隙度對(duì)離子濃度的影響很小。研究結(jié)果在一定程度上佐證了研究區(qū)地下水流模型和滲濾液污染物遷移模型的合理性和可靠性。

垃圾填埋場(chǎng)；數(shù)值模型；參數(shù)敏感性

污染物在土壤及地下水中的遷移、轉(zhuǎn)化和積累是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物綜合作用的過(guò)程［1］。目前對(duì)于各種污染物地下運(yùn)移問(wèn)題的研究，主要通過(guò)2種方式開展：一是通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)和野外示蹤實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得污染物的實(shí)時(shí)濃度變化，分析其運(yùn)移規(guī)律；二是通過(guò)建立研究區(qū)的概念模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行污染物運(yùn)移過(guò)程的數(shù)值模擬，進(jìn)而分析污染物濃度的時(shí)空變化規(guī)律，并預(yù)測(cè)污染物未來(lái)在地下運(yùn)移的可能路徑和影響范圍［2］。本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法真實(shí)再現(xiàn)松鼠嶺垃圾填埋場(chǎng)污染物在地下的遷移過(guò)程，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

松鼠嶺垃圾填埋場(chǎng)位于湖州市市區(qū)西北部楊家埠，距市區(qū)10 km。填埋場(chǎng)靠王母山，面對(duì)104國(guó)道，其原始地形為東、北、西三面高，向東南敞開的山坳。填埋場(chǎng)1991年4月開始填埋，二期工程于2001年8月竣工投入使用，填埋場(chǎng)占地面積15.67 hm2。填埋場(chǎng)的整個(gè)區(qū)域高程在2.2～171.9 m之間。周圍土壤為中生界侏羅系上統(tǒng)黃尖組的灰色含礫晶屑熔結(jié)灰?guī)r風(fēng)華后的黃褐色黏土［3］。

1.2 水文地質(zhì)條件

填埋場(chǎng)下方分布有新生界第四系及中生界侏羅系、古生界二疊系地層。本區(qū)第四系地層分布不甚規(guī)律，缺少全新統(tǒng)。上更新統(tǒng)下段洪積層（蓮花組PLQ3）以黃色黏土、亞黏土組成，缺少砂礫層位。中更新統(tǒng)洪積層（之江組PLQ2）以棕紅色黏土、亞黏土組成，結(jié)構(gòu)緊密。第四系下覆有埋芷形裂隙巖溶水，含水層由古生界二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）、石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）、中統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成。第四系中、上更新統(tǒng)地層的土壤含水率在22.3%～2.57%之間，天然重度18.7～20.5 kN／m3，密度2.67～2.76 t／m3，孔隙比介于0.65～0.91之間，滲透系數(shù)約為4.7×10－6m／d。

場(chǎng)區(qū)三面環(huán)山，與單斜地層基本構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。淺部孔隙水含水層與基巖孔隙-裂隙水含水層接受大氣降水補(bǔ)給，淺層地下水一方面垂直入滲補(bǔ)給底部基巖裂隙含水層，另一方面從地勢(shì)高處向低處排泄，于陡坎處以泉流方式出露地表，泉流量0.005～0.03 L／s。

1.3 松鼠嶺垃圾填埋場(chǎng)水污染概況

為防止?jié)B濾液直接流入填埋場(chǎng)下方的小溪，在填埋場(chǎng)下方挖有3個(gè)容積合計(jì)為5 341 m3污水池，通過(guò)導(dǎo)流以收集滲濾水［3］。區(qū)內(nèi)無(wú)大型水源地，淺層地下水的開采主要來(lái)自于當(dāng)?shù)鼐用竦纳钣盟?，開采量較小。在垃圾填埋場(chǎng)運(yùn)行以前，該區(qū)山谷的河水及地下水均可飲用。但自從填埋場(chǎng)開始運(yùn)行后，處于下游溝谷區(qū)的水井大多因水質(zhì)惡化而報(bào)廢。

2 填埋場(chǎng)區(qū)地下水流動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 概念模型

研究區(qū)總體上自地表向下可概化為3個(gè)含水層：淺部孔隙水含水層、基巖孔隙-裂隙水含水層和底部基巖裂隙含水層［4］。地下水的流向基本與地形一致，從周邊向溝谷方向流動(dòng)，沿溝谷由北向南流動(dòng)，可以概化為非均質(zhì)各向異性的地下水三維非穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，選擇地下水模擬軟件GMS中MODFLOW模型來(lái)模擬研究區(qū)的地下水流動(dòng)規(guī)律。

2.2 數(shù)值模擬軟件介紹

地下水模擬系統(tǒng)（Groundwater Modeling System），簡(jiǎn)稱GMS，是美國(guó)Brigham Young University環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室及美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站集成MODFLOW，F(xiàn)EMWATER，MT3DMS，RT3D，SEAM3D，MODPATH，SEEP2D，NUFT，UTCHEM等已有地下水模型開發(fā)的一個(gè)綜合性圖形界面模擬軟件。本文研究區(qū)的地下水屬于三維不穩(wěn)定流，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：K為滲透系數(shù)（m／d）；μs為含水層單位儲(chǔ)水系數(shù)（L－1）；H（x，y，z，t）為地下水水頭（m）；H0（x，y，z，t）為地下水初始水頭（m）；f1（x，y，z，t）為第一類邊界Γ1上的水位（m）；W為含水層系統(tǒng)源匯強(qiáng)度（m3／（d·m2））；q1（x，y，z，t）為第二類邊界Γ2上的流量（m3／（d·m））。

2.3 網(wǎng)格剖分

本次模擬研究采用等間距矩形網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行離散化，x方向（水平方向）網(wǎng)格間距約39 m，y方向（垂向）網(wǎng)格間距為40 m。依據(jù)概念模型和巖性分布狀況，模型在垂向上分為3層。平面上整個(gè)研究區(qū)剖分為1 945個(gè)單元，整個(gè)模擬區(qū)域共剖分為5 862個(gè)單元［5］。

圖1 模擬區(qū)三維網(wǎng)格剖分Fig.1 3-D meshes of the simulated area

2.4 初始水位

在地下水?dāng)?shù)值模擬中，通常根據(jù)研究區(qū)內(nèi)所有觀測(cè)孔、抽水孔（井）和地表水位資料，插值獲得各結(jié)點(diǎn)的初始水頭值［6，7］。

本次模擬研究開始于垃圾填埋場(chǎng)填埋時(shí)刻（1991年），因此很難獲得當(dāng)時(shí)的觀測(cè)水位。由于研究區(qū)地下水位比較穩(wěn)定且模擬面積較少，根據(jù)水均衡原理，首先應(yīng)用穩(wěn)定流模型，模擬出初始流場(chǎng)，再用作模型的初始水位［8－10］。

2.5 模擬時(shí)段及模型檢驗(yàn)

本次模擬時(shí)間段為1991年1月至2050年1月，應(yīng)力期以月為單位，時(shí)間步長(zhǎng)為1 d。由于該區(qū)沒(méi)有大的開采井，地下水位比較穩(wěn)定，地表水出露較多，因此在沒(méi)有長(zhǎng)期觀測(cè)井的情況下，采用地表出露水位檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性［11］。從檢驗(yàn)結(jié)果看，模型基本上能夠反映出該區(qū)地下水位的變化狀態(tài)。

3 填埋場(chǎng)區(qū)垃圾滲濾液遷移的數(shù)值模擬

3.1 污染源強(qiáng)度及彌散度取值

垃圾填埋場(chǎng)位于溝谷之內(nèi)，較容易接受降雨的補(bǔ)給，垃圾產(chǎn)液量較高。在本次模擬中，采用降雨量即是垃圾滲濾液產(chǎn)量的方法，粗略模擬垃圾滲濾液的影響范圍［11，12］。

該填埋場(chǎng)填埋垃圾已逾20年，采樣分析時(shí)間只是在最近幾年展開。從采樣分析結(jié)果來(lái)看，滲濾液中的氯離子濃度非常高，且濃度變化大。基于合理性考慮，本文采用氯離子作為保守性離子來(lái)模擬地下污染物的擴(kuò)展范圍，沒(méi)有考慮吸附解析及其他化學(xué)作用，并將5次采樣的氯離子平均濃度（5 547 mg／L）作為垃圾滲濾液的污染物濃度。

污染物遷移模擬參數(shù)見表1，表中aL為縱向彌散度；θ為土壤含水率。

表1 污染物遷移模擬參數(shù)表Table 1 Parameters of contam inantmovement simulation

3.2 模擬結(jié)果

研究區(qū)最重要的一口開采深井為永力機(jī)械廠的供水井HS119，位于垃圾填埋場(chǎng)下游800 m左右。

圖2為井HS119所在位置淺層含水層中氯離子濃度變化曲線。從圖中可以看出，垃圾填埋場(chǎng)運(yùn)行約7年后（2 500 d），該區(qū)就受到垃圾滲濾液的影響，14年之后氯離子濃度穩(wěn)定在0.25 mg／L左右。

圖2 井HS119所在位置淺層含水層中氯離子濃度變化Fig.2 Change of chloridion concentration in top aquifer of well HS119 against time

圖3 為井HS119所在位置深層含水層中氯離子濃度變化曲線。從圖中可以看出垃圾填埋場(chǎng)運(yùn)行14年（5 000 d）左右，該含水層受到垃圾滲濾液的影響，氯離子濃度最終穩(wěn)定在7×10－6mg／L左右。

圖3 井HS119所在位置深層含水層中氯離子濃度變化Fig.3 Change of chloridion concentration in lower aquifer of well HS119 against time

模擬結(jié)果顯示該井明顯地受到了垃圾滲濾液的影響，與采樣分析的結(jié)果相吻合。

4 模型參數(shù)的敏感性分析

4.1 參數(shù)值的設(shè)置

由于該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性變化大，模型的彌散參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值，因此只分析3個(gè)典型參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響，即水平滲透系數(shù)、垂直滲透系數(shù)和孔隙度。本次分析采用單一變量原則，將這些參數(shù)值均放大2倍和縮小0.5倍，并與參數(shù)原值結(jié)果進(jìn)行相比。模型原參數(shù)見表2。

表2 模型原參數(shù)Table 2 Originalmodel parameters

4.2 結(jié)果分析

因氯離子濃度隨著深度的增加而減小，因此參數(shù)變化理論上應(yīng)對(duì)上層氯離子濃度影響更加明顯。因此本文只選擇第一層3個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行分析，cell 572，cell2204，cell2868（井HS119），3個(gè)點(diǎn)分別位于填埋場(chǎng)東側(cè)150 m、填埋場(chǎng)下游600 m和填埋場(chǎng)下游800 m左右。

綜合分析圖4至圖6可明顯看出，當(dāng)3個(gè)參數(shù)分別縮小0.5倍時(shí)，它們對(duì)3個(gè)網(wǎng)格處的氯離子濃度變化影響很小，與模型原參數(shù)值效果基本一致。

圖4 HS119采樣點(diǎn)氯離子濃度與參數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between chloridion concentration at sampling point HS119 and parameter value

圖5 Cell572氯離子濃度與參數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between chloridion concentration at samp ling point Cell572 and parameter value

圖6 Cell2204氯離子濃度與參數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between chloridion concentration at sampling point Cell2204 and parameter value

綜合分析圖7至圖9可明顯看出，當(dāng)參數(shù)值分別放大2倍時(shí)，垂向滲透系數(shù)和孔隙度對(duì)3個(gè)網(wǎng)格處的氯離子濃度變化影響很小，而水平滲透系數(shù)對(duì)氯離子的濃度影響很大。由此可見，該地區(qū)滲濾液中氯離子濃度的分布對(duì)水平滲透系數(shù)的變化較為敏感。

圖7 HS119采樣點(diǎn)氯離子濃度與參數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between chloridion concentration at sampling point HS119 and parameter value

圖8 Cell572采樣點(diǎn)氯離子濃度與參數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between chloridion concentration at samp ling point Cell572 and parameter value

圖9 Cell2204采樣點(diǎn)氯離子濃度與參數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between ch loridion concentration at samp ling point Cell2204 and parameter value

5 結(jié) 論

本文根據(jù)湖州松鼠嶺地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)概況和水文地質(zhì)條件，利用已建立的研究區(qū)地下水概念模型和GMS模擬軟件對(duì)滲濾液中氯離子的遷移過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。選用研究區(qū)下游的觀測(cè)井HS119，進(jìn)行了模型參數(shù)的敏感性分析。結(jié)果表明研究區(qū)的概念模型具有一定的合理性與可靠性。

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（編輯：趙衛(wèi)兵）

Numerical Simulation of Subsurface M ovement of Land fill Leachate and Sensitivity Analysis of M odel Parameters

FENG Zhao-yang1，ZHANG Hui2，DONG Shao-gang2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The worsening groundwater pollution，particularly polluted by landfill leachate has been receiving wide concerns from the society.Themovement of leachate from Songshuling landfillwas simulated with groundwater numerical simulation software GMS（Groundwater Modeling System）.Based on leachate sampling results，chloridion was determined as themain componentof the pollutantwhichmoves and spreads in the simulation.With the regional geology and hydro-geological conditions of the studied area，the sensitivity of chloridion to threemain parameters，namely horizontal K，vertical K and porosity are analyzed.The results show thatwhen the three parameters are all reduced by 50%，the chloridion concentration barely changed；whilewhen the three parameters aremagnified 2 times，the chloridion concentration aremuchmore obviously affected by horizontal K than by vertical K and porosity.The results also proved that themodels of groundwater flow and leachatemovement are rational and reliable.

landfill；numericalmodeling；parameter sensitivity

X523

A

1001－5485（2011）12－0107－05

2011-10-25

長(zhǎng)江科學(xué)院博士啟動(dòng)基金（CKSQ2010077）

馮兆洋（1984-），男，山東泰安人，碩士，主要研究方向?yàn)樗h(huán)境污染治理與修復(fù)，（電話）15927076004（電子信箱）fengzy1314＠126.com。