基于Landsim的填埋場(chǎng)長(zhǎng)期滲漏的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

徐 亞,顏湘華,董 路,能昌信,劉玉強(qiáng),黃啟飛 (中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京100012)

基于Landsim的填埋場(chǎng)長(zhǎng)期滲漏的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

徐 亞,顏湘華,董 路,能昌信,劉玉強(qiáng)*,黃啟飛 (中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京100012)

介紹了Landsim模型的基本理論及其填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)、導(dǎo)排系統(tǒng)長(zhǎng)期性能變化的表征方式，在此基礎(chǔ)上提出了填埋場(chǎng)長(zhǎng)期滲漏風(fēng)險(xiǎn)的表征方式..通過(guò)Landsim和HELP模型的耦合,彌補(bǔ)了Landsim模型中堆體入滲計(jì)算過(guò)于簡(jiǎn)單的缺陷.運(yùn)用耦合的Landsim-HELP模型評(píng)價(jià)了西南地區(qū)某危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)的長(zhǎng)期滲漏的地下水污染風(fēng)險(xiǎn).結(jié)果表明,該耦合模型可以準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)填埋場(chǎng)性能變化條件下的滲漏量及其對(duì)應(yīng)概率;該填埋場(chǎng)在短期內(nèi)(1～3a)地下水被污染的概率風(fēng)險(xiǎn)較小(≤0.33),而在長(zhǎng)期內(nèi)(≥4a)被污染的風(fēng)險(xiǎn)較大(≥0.68).建議在制定填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需考慮防滲膜、導(dǎo)排管等重要單元長(zhǎng)期性能的變化,從而減小其長(zhǎng)期滲漏造成的地下水污染風(fēng)險(xiǎn).

填埋場(chǎng)；長(zhǎng)期性能；地下水污染；Monte Carlo分析

據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó) 81.7%的固體廢物都采用填埋處理[1],至2009年我國(guó)各類填埋場(chǎng)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到 935個(gè)[2].因此,固體廢物處置的環(huán)境后果主要通過(guò)填埋場(chǎng)造成,而填埋氣和滲濾液的泄漏和釋放是填埋場(chǎng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要表現(xiàn)形式[3-4].監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5-7]表明,滲濾液中含有多種重金屬和有機(jī)物組分,一旦發(fā)生滲漏可產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境后果.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以有效的量化填埋場(chǎng)滲漏的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而通過(guò)敏感性分析指導(dǎo)填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行以降低滲漏量,減小滲漏概率,最終降低填埋處置的環(huán)境危害.近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的填埋場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作[8-13],與此同時(shí),填埋場(chǎng)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)的專業(yè)軟件也發(fā)展起來(lái),其中既有確定性的填埋場(chǎng)水文過(guò)程評(píng)價(jià)軟件 HELP和Fill,也有不確定性的 EPACMTP、Landsim 等軟件;既有定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[8-11],也有半定量的指標(biāo)體系方法[12-13].

上述針對(duì)填埋場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)都基于防滲系統(tǒng)和導(dǎo)排系統(tǒng)長(zhǎng)期性能不變的假設(shè).而 Fleming等[14]VanGulck等[15]針對(duì)填埋場(chǎng)導(dǎo)排系統(tǒng)的研究表明,導(dǎo)排管在運(yùn)行一段時(shí)間后將發(fā)生淤賭,導(dǎo)排介質(zhì)的滲透系數(shù)也將發(fā)生數(shù)量級(jí)的衰減.國(guó)外對(duì)土工防滲材料的研究也表明,溫度、紫外線照射,化學(xué)腐蝕等都會(huì)造成HDPE膜防滲性能下降,漏洞數(shù)量增多,并最終導(dǎo)致滲濾液滲漏量增加

[16-17].另一方面,目前填埋場(chǎng)污染控制相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范,都是基于材料的現(xiàn)狀性能制定的,沒(méi)有考慮其長(zhǎng)期性能的變化.長(zhǎng)期來(lái)看按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的填埋場(chǎng)均存在潛在的滲漏風(fēng)險(xiǎn).因此急需基于相關(guān)材料的長(zhǎng)期性能變化規(guī)律,開展?jié)B漏的長(zhǎng)期污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究.Landsim模型可解決填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能變化對(duì)滲漏量及污染風(fēng)險(xiǎn)的影響[5,18-19].

本 文 擬基于 Landsim 2.5(landfill performance simulation)開展填埋場(chǎng)長(zhǎng)期滲漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究.文章介紹了 Landsim的理論框架及其對(duì)填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能參數(shù)的刻畫,并應(yīng)用該模型研究了西南地區(qū)某山區(qū)填埋場(chǎng)的滲漏風(fēng)險(xiǎn),比較了其短期和長(zhǎng)期滲漏的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

1 研究方法

1.1 Landsim簡(jiǎn)介

Landsim是由Golder Associates開發(fā)的填埋場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件,目前已在英國(guó)和威爾士等國(guó)的環(huán)境管理實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[18-21].在 Landsim中,滲濾液的滲漏風(fēng)險(xiǎn)定義為地下水被污染的程度及其對(duì)應(yīng)的概率分布,并以目標(biāo)觀測(cè)井中污染組分濃度表征地下水污染程度.為計(jì)算濃度的概率分布, Landsim集成了一個(gè)確定性模塊和一個(gè)不確定性模塊,確定性模塊用于刻畫滲濾液及其組分產(chǎn)生、泄漏以及在包氣帶和地下水中遷移、擴(kuò)散、吸附解析的物理過(guò)程;不確定性模塊即Monte Carlo模塊用來(lái)生成確定性模塊所需的輸入?yún)?shù),可根據(jù)參數(shù)類型和特性靈活定義其概率分布函數(shù).Monte Carlo方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境、填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)和導(dǎo)排系統(tǒng)性能等相關(guān)參數(shù)不確定性的定量描述,以反映其對(duì)最終風(fēng)險(xiǎn)的影響.

1.2 模型框架

Landsim中的確定性模塊包括組分溶出模型、滲漏模型和多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移模型三個(gè)子模型,分別刻畫堆體中污染組分的溶出過(guò)程、滲濾液的滲漏過(guò)程以及污染組分在環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化行為.確定性模塊和不確定性模塊之間通過(guò)圖1所示方法耦合,首先由Monte Carlo算法根據(jù)參數(shù)的概率分布隨機(jī)生成一組參數(shù),將其代入到確定性模型中計(jì)算,經(jīng)過(guò)多次重復(fù)計(jì)算就可得到目標(biāo)觀測(cè)井中污染組分濃度的概率分布.

圖1 Landsim模型算法的基本流程Fig.1 Basic procedure of Landsim model

1.3 填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能變化的模型刻畫

填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能的變化主要體現(xiàn)在以下 3個(gè)方面:最終覆蓋層老化導(dǎo)致的堆體入滲量增加、導(dǎo)排系統(tǒng)失效導(dǎo)致的膜上飽和水位升高以及防滲膜老化導(dǎo)致的滲漏量增加.

1.3.1 最終覆蓋層老化 覆蓋層材料的老化,導(dǎo)致填埋場(chǎng)雨水入滲量增加的過(guò)程可概化如圖 2所示.無(wú)覆蓋入滲代表沒(méi)有任何覆蓋條件下的入滲量,填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋以后入滲急劇減小達(dá)到設(shè)計(jì)入滲量,隨著防滲材料老化入滲量逐漸增大,當(dāng)覆蓋層材料完全老化后達(dá)到最大值.

圖2 Landsim對(duì)入滲過(guò)程的概化Fig.2 Conceptualization of infiltration in Landsim

1.3.2 導(dǎo)排管失效 導(dǎo)排管失效泛指所有生物、物理和化學(xué)因素導(dǎo)致的導(dǎo)排管淤積、堵塞和斷裂,進(jìn)而引起的導(dǎo)排不暢.當(dāng)一根導(dǎo)排管失效,其受影響區(qū)域的最高水位會(huì)抬升 1倍;兩根導(dǎo)排管失效,受影響區(qū)域的最高水位抬升2倍.

圖3 導(dǎo)排管失效對(duì)飽和液位的影響Fig.3 Impact of drainage pipe on saturated table above the geomembrane

導(dǎo)排管失效的數(shù)量服從 Poisson分布(見(jiàn)式1).

其中:P為導(dǎo)排管失效x根的概率;k表示導(dǎo)排管失效的數(shù)量;λ表示失效率.

1.3.3 防滲膜老化 防滲膜老化的主要表現(xiàn)為漏洞數(shù)量隨時(shí)間增加,本文假設(shè)HDPE膜漏洞數(shù)量在第100a開始增加,每隔250a漏洞數(shù)量增加1倍[18].

2 案例研究

2.1 填埋場(chǎng)基本信息

以東南沿海地區(qū)某危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)為例.填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)庫(kù)容為66萬(wàn)m3,填埋庫(kù)區(qū)庫(kù)底防滲結(jié)構(gòu)采用復(fù)合襯層設(shè)計(jì).水文地質(zhì)勘測(cè)資料顯示,填埋場(chǎng)下伏承壓含水層,含水層水位動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定,可近似處理為穩(wěn)定流.以填埋場(chǎng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,水流方向?yàn)閤 軸方向,水流法線方向?yàn)閥軸方向;目標(biāo)觀測(cè)井位于填埋場(chǎng)下游800m處;模型時(shí)間步長(zhǎng)為年,步長(zhǎng)數(shù)為1200,總計(jì)模擬1200a.

表1 模型計(jì)算所需的主要參數(shù)Table 1 Summary of main model parameters

該填埋場(chǎng)主要處理廢物為電鍍污泥和水處理污泥.對(duì)填埋樣品取樣進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)樣品中鉻、鎳和鉛(分別為0.01, 0.68, 0.46mg/L)超出了地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848)中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值,因此取其作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的目標(biāo)污染物.

2.2 模型基本參數(shù)

Landsim所需的輸入?yún)?shù)大致包括以下幾類:入滲參數(shù)、填埋場(chǎng)及廢物特性參數(shù)、防滲系統(tǒng)參數(shù)以及多孔介質(zhì)水流和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)(如表1所示).

堆體入滲量是滲濾液的直接來(lái)源,影響滲漏量和滲濾液濃度并最終影響滲濾液的地下水污染風(fēng)險(xiǎn).本研究采用填埋場(chǎng)滲濾液水文特性評(píng)價(jià)模型(HELP)進(jìn)行計(jì)算.Field等[22]基于HELP對(duì)多個(gè)填埋場(chǎng)的水文過(guò)程進(jìn)行了演算,其結(jié)果表明HELP模型能較好的模擬堆體長(zhǎng)期(如幾年)的入滲規(guī)律,可用于填埋場(chǎng)長(zhǎng)期滲漏的污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).

本文利用 HELP計(jì)算得到的自然入滲強(qiáng)度為(379±114)mm/a;封場(chǎng)后的入滲強(qiáng)度為(77.9±6.9)mm/a.

2.3 結(jié)果和討論

2.3.1 模型基本精度驗(yàn)證 為驗(yàn)證模型基本精度,比較了觀測(cè)井中實(shí)測(cè)濃度值(第2a)與模型模擬值(如圖 4所示).其中鉻的模擬濃度值接近0,與實(shí)測(cè)結(jié)果(未檢出)的結(jié)論一致;實(shí)測(cè)的Pb和Ni都在模擬的濃度區(qū)間之內(nèi),且分別等于模擬的99%和96%分位值,這說(shuō)明模擬結(jié)果基本滿足要求.

圖 5為膜上飽和液位(以 50%分位值表示)隨時(shí)間的變化規(guī)律.膜上水位隨時(shí)間逐漸增加,至1000a(設(shè)定的頂蓋完全失效時(shí)間)達(dá)到最大值后不再變化.導(dǎo)致膜上水位隨時(shí)間增加的原因有 2個(gè):其一是因?yàn)樽罱K覆蓋層老化后滲透系數(shù)增大導(dǎo)致堆體入滲量增加;其二是因?yàn)閷?dǎo)排管失效,導(dǎo)致側(cè)向?qū)帕繙p少,從而使膜上水位逐漸抬升.

圖 6為滲濾液通過(guò)防滲系統(tǒng)的滲漏量(以50%分位值表示).同樣的,滲漏量隨著時(shí)間增加.一方面這是因?yàn)槟ど下┒粗饾u增加,另一方面隨著膜上飽和液位升高,膜上水力坡度增加,根據(jù)Darcy滲流定理,滲流速度等于滲透系數(shù)乘以水力坡度.在滲透系數(shù)不變的條件下,水力坡度的增加會(huì)導(dǎo)致滲濾液滲漏速度的增加.

圖4 第2年觀測(cè)井中污染組分濃度的實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.4 Measured concentration and simulated

圖5 膜上飽和液位隨時(shí)間的變化Fig.5 Saturated water level above the geomembrane

圖6 滲濾液滲漏強(qiáng)度隨時(shí)間的變化Fig.6 Leaking rate of leachate through holes in geomembrane

2.3.2 污染組分隨時(shí)間的變化規(guī)律 圖 7為觀測(cè)井中Pb和Ni濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì).模擬初期,Pb和Ni的濃度都較低,之后隨時(shí)間逐漸增大.若分別以 10%、50%和 95%分位值表示樂(lè)觀情況、正常情況和最不利情況下,觀測(cè)井中污染物的濃度值.以 Pb為例,樂(lè)觀情況下,其濃度值在第4.5a達(dá)到地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中3類水的Pb濃度限值(0.050mg/L),在第 7a達(dá)到最大值(0.451mg/L);正常情況下,觀測(cè)井中的Pb濃度在第3.5a達(dá)到3類水限值,在第 7a達(dá)到最大值(0.453mg/L);最不利情況下,觀測(cè)井中的Pb濃度在第2.5a達(dá)到地下水 3類水標(biāo)準(zhǔn)限值,在第 7a達(dá)到最大值(0.455mg/L).

圖7 觀測(cè)井中鉛與鎳濃度的歷時(shí)曲線Fig.7 Historical curve of Pb and Ni concentration in

2.3.3 地下水污染風(fēng)險(xiǎn) 如上所述,地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)為其被污染的程度及對(duì)應(yīng)概率.若認(rèn)為觀測(cè)井中污染物濃度超過(guò) 3類水限值為地下水污染,那么根據(jù)其濃度值的累計(jì)概率分布,可求出地下水被污染的概率.以地下水被Ni污染為例,地下水在不同時(shí)期被污染的概率如圖 8所示.在第 1,2,3,4,5,6,7,10a,地下水被污染的概率分別為0、0、0.33、0.68、0.84、0.98、0.99 和 1.

可見(jiàn)在填埋場(chǎng)運(yùn)行初期(1～3a),由于防滲層粘土和包氣帯的阻隔作用,滲濾液中污染組分進(jìn)入地下水中的量較少,地下水被污染的概率較小.在填埋場(chǎng)運(yùn)行后期(4a以后),滲濾液穿透粘土層和包氣帯,進(jìn)入地下水中,此時(shí)地下水污染概率逐漸增大,在第10a后達(dá)到最大值;第10a以后,盡管滲濾液中組分濃度逐漸衰減,但是頂蓋和防滲系統(tǒng)的老化,以及導(dǎo)排管失效等事件導(dǎo)致滲漏量增加,兩個(gè)因素同時(shí)作用下使得在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)(≥100a)地下水都存在著較大的污染風(fēng)險(xiǎn).

圖8 不同時(shí)期內(nèi)地下水被污染的概率Fig.8 Probability risk of groundwater to be contaminated in different time

3 結(jié)論

3.1 僅就本填埋場(chǎng)而言,在短期內(nèi)(1～3a)導(dǎo)致地下水被污染的風(fēng)險(xiǎn)較小(污染概率≤0.33);而在長(zhǎng)期內(nèi)(大于等于 4a)地下水被污染的風(fēng)險(xiǎn)較大(污染概率≥0.68),至第10a達(dá)到最大值(污染概率=1).

3.2 填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)需考慮其防滲膜、導(dǎo)排管等重要單元長(zhǎng)期性能的變化,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上適當(dāng)提高防滲標(biāo)準(zhǔn)從而減小其長(zhǎng)期滲漏的風(fēng)險(xiǎn).

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Pollution risk assessment of long-term leaking in landfill-based on the Landsim model.

XU Ya, YAN Xiang-hua, DONG Lu, NAI Chang-xing, LIU Yu-qiang*, HUANG Qi-fei
(Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1355～1360

This paper briefly introduced the basic theory framework of Landsim with especial focus on its way to conceptualize long-term performances of cap layer, liner layer and drainage pipe. The infiltration module of HELP model was introduced to couple with Landsim to improve its accuracy of infiltration calculation. This coupled model was then applied to assess the long-term leaking risk of a hazardous waste landfill in the Southwest China. The measured concentration of target contaminant falls in the range of predicted value. The groundwater pollution risk caused by the leachate leakage was ignorable in short-term(1～3year) with the pollution probability smaller than or equal to 0.33, but large in long-term (≥4year) with the pollution probability larger than or equal to 0.68. The case study suggest that insetting the national standards and guidelines about the design and operation of landfill, the long-term change of cap layer, liner layer and drainage pipe should be taken into consideration to reduce the risk of leachate leakage.

landfill; long-term performance; groundwater pollution; Monte Carlo simulation

X820.4

A

1000-6923(2014)05-1355-06

2013-07-28

國(guó)家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201209022);2012年度院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2012YSKY16)

* 責(zé)任作者, 工程師, liuyq@craes.org.cn

徐 亞(1985-),男,湖南岳陽(yáng)人,工程師,碩士,主要從事固體廢物管理和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作.發(fā)表論文10余篇.