垃圾滲漏液在包氣帶及含水層中的聯(lián)合運移模擬

周瑞靜，周 磊，陳 瑾，黃 棟（北京市地質工程勘察院，北京100048）

垃圾滲漏液在包氣帶及含水層中的聯(lián)合運移模擬

周瑞靜，周 磊，陳 瑾，黃 棟
（北京市地質工程勘察院，北京100048）

近年來，全國各地新建了大量的垃圾填埋場，其中多有不符合垃圾處理處置場地建設規(guī)范的，垃圾填埋場滲濾液對地下水的污染風險也逐年凸顯，這就要求對后續(xù)垃圾填埋場建設時，在環(huán)評階段做好垃圾填埋場滲濾液對地下水的污染風險預測，為垃圾填埋場地下水污染預防設施的設計與建設提供指導。本文探索了垃圾滲濾液在包氣帶和含水層中的聯(lián)合運移模擬，首先利用Hydrus建立包氣帶模型，模擬垃圾滲濾液中氨氮在包氣帶中的遷移轉化，在此基礎上用Visual Modflow軟件建立地下含水層模型，對比滲濾液經過包氣帶過濾和沒經過包氣帶過濾兩種情景下的污染范圍和程度。模擬結果顯示，包氣帶和含水層聯(lián)合運移模擬滲濾液泄漏后的運移途徑和路線，更接近滲濾液進入含水層的實際情況。

包氣帶；含水層；垃圾滲濾液；聯(lián)合運移模擬

0　引言

隨著城市化進程的加快，城市生活垃圾數(shù)量快速增長，北京市2012年生活垃圾產生量達到了6.48×106t（宋國君等，2015）?，F(xiàn)在并且在較長時期內都會選擇土地填埋的方式處理城市中的固體廢棄物（王敏，2010）。垃圾滲濾液一旦發(fā)生滲漏就會通過包氣帶進入地下水，對其周邊地下水產生污染，而且填埋場滲濾液對地下水的污染是一個長期的過程，填埋場封場后生物分解過程還會持續(xù)10～20a，即使在封場后70～100a的時間仍可能有滲濾液滲出（趙章元，2002）。近些年來，垃圾填埋場產生的垃圾滲濾液污染地下水的事故屢見不鮮。

北京市作為嚴重缺水的特大城市，供水水源有60%以上為地下水，而北京市潛水含水層已有55%遭受了不同程度的污染，這也在一定程度上加劇了北京市的供水危機。鑒于地下水對北京市的重要性，以及垃圾填埋場對地下水的潛在污染風險，使得垃圾滲濾液對地下水的污染風險預測顯得尤為重要。隨著環(huán)境影響評價地下水導則的發(fā)布，建設項目對地下水的環(huán)境影響評價被提到了一個新的高度。研究清楚垃圾滲濾液對地下水的污染途徑以及滲濾液在地下水中的遷移規(guī)律，才能在有限的經濟技術條件下，最大限度地預防垃圾滲濾液對地下水的污染風險。

垃圾滲濾液在土壤中的傳輸釋放過程的研究屬于滲流問題研究范疇（苑蓮菊等，2001）。Hydrus模型充分考慮了污染物在包氣帶遷移過程中非飽和帶土壤對淋溶液中污染物的吸附等物理化學過程，能夠相對客觀的預測污染物在非飽和帶土壤中的遷移規(guī)律。目前已有將其利用在垃圾滲濾液在包氣帶運移的研究中，結果表明Hydrus 軟件能夠較精確的模擬包氣帶中有機物和陰離子的遷移過程，可以為垃圾填埋場滲漏液中污染物穿過包氣帶進入含水層濃度的定量化提供重要依據(jù)（方堃等，2009；葉永紅等，2009；龐雅婕等，2013）。

目前國際上先進的地下水滲流和溶質運移的標準可視化專業(yè)軟件是Visual Modflow 軟件，該軟件是由加拿大Water-loo 水文地質公司在原Modflow 軟件的基礎上應用可視化技術開發(fā)研制的，以操作簡單、界面友好等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用于地下水不同污染物運移模擬與預測不同管理方案對污染物運移的影響（王翊虹等，2002；張翠云等，2007）。已有研究報道了運用數(shù)值模擬，對不同污染控制措施在垃圾填埋場地下水污染防治效果進行評價或提出了最優(yōu)的控制方案（張艷等，2010；Dong SG et al.， 2008；Zheng C et al.， 1991；趙勇勝等，2002；郭麗敏等，2009），這些研究中都是假設污染物直接進入含水層中，沒有考慮到污染物泄漏后首先要通過包氣帶，而包氣帶對地下水含水層起到防護作用?？梢妴渭兊哪M污染物在含水層中遷移來預測滲濾液對地下水的污染，會在一定程度上夸大滲濾液對地下水的污染風險，不但增加了地下水污染預防的難度和經濟成本，也在一定程度上提升了垃圾填埋場建設的公眾阻力。

本研究基于對某垃圾綜合處置中心進行現(xiàn)場勘察及資料收集和整理的基礎上，選擇滲漏液中的典型污染物氨氮為研究因子，先用Hydrus-1D建立典型場地包氣帶模型，模擬氨氮在包氣帶中的運移規(guī)律，計算出氨氮穿過包氣帶到達含水層的濃度，再應用Visual Modflow建立地下水水流模型和溶質運移模型，對比垃圾填埋場滲濾液發(fā)生泄漏后，滲濾液中的氨氮在穿過包氣帶和不穿過包氣帶兩種情況下對含水層的污染程度和范圍變化。

1　氨氮在包氣帶的運移模擬

1.1地層概化

根據(jù)建設場地水文地質勘查結果，本廠區(qū)內含水層接近包氣帶底部，第四系深度即為本次模擬的包氣帶厚度，觀測點設在包氣帶的最底部。由于場區(qū)內第四系差異較大，本次模擬在污水處理廠滲濾液處理池旁選取一個典型位置，建設場地包氣帶概化模型。

研究區(qū)的水流模型可概化為非均質各向同性多孔介質，飽和-非飽和剖面一維非穩(wěn)定流，上邊界為地表，下邊界為潛水面。土壤溶質運移模型根據(jù)多孔介質溶質運移理論，考慮土壤吸收的飽和-非飽和。

經工程勘察和土工試驗室測定，每層取多個土壤樣品，經實驗室測定后取平均值，結果如表1所示。根據(jù)已建成同類垃圾填埋場滲濾液中污染物種類和濃度，本次模擬選擇垃圾滲漏液中濃度及影響較大的氨氮進行模型的識別和計算。垃圾滲漏液中氨氮初始泄漏濃度采用北京市某已建垃圾填埋場滲濾液監(jiān)測濃度，為1980mg/L。氨氮理化參數(shù)采用經驗值，見表2。

1.2預測結果

從圖1可得，氨氮進入包氣帶后，經18d到達包氣帶底部，之后氨氮在包氣帶底部快速累積，136d后達到最大值為1160 mg/L，該值較滲濾液中氨氮的初始濃度降低了40%，可見此廠區(qū)6.6m厚的包氣帶對氨氮起到了有效的攔截和滯留作用，對地下含水層有一定的防護功能。

圖1　包氣帶底部氨氮濃度隨時間變化曲線Fig.1 The concentration curve of ammonia nitrogen at the bottom of aeration zone

2　氨氮在含水層的運移模擬

該垃圾填埋場位于山坡上的凹地，廠區(qū)下游有多口農村集中式飲用水水源井，這些水源井均屬于垃圾填埋廠項目的地下水敏感點，廠界距離最近的農村集中式飲用水水源井約1.5km。

2.1含水層結構概化

研究區(qū)地處沖洪積扇前緣地區(qū)，含水層主要賦存于第四系松散地層內，地下水的補給及排泄比較簡單，含水層為細砂及粗中砂，含水介質富水性在不同地段差異較大，根據(jù)已有的抽水試驗結果可知，滲透系數(shù)在0.11～2.38 m/d之間。

從垂向上分析，根據(jù)鉆孔資料、物探成果及水文地質剖面成果，第四系厚度在30～70m左右，地下水主要以水平運動為主，含水層主要由細砂及粗中砂形成單一潛水含水層結構。潛水含水層以下為密實的白云巖、片麻巖等弱透水層，根據(jù)已有的鉆孔資料可知該層厚度50～70m，滲透性小。弱透水層以下為基巖裂隙含水層，根據(jù)已有的鉆孔資料揭露地層可知，基巖裂隙含水層厚度達到500m。

綜上所述，本模型在空間上分為3層，即潛水含水層、弱透水層和基巖裂隙含水層。

2.2邊界條件概化

表1　Hydrus軟件輸入參數(shù)1Tab.1 The parameters of Hydrus input 1

表2　Hydrus軟件輸入參數(shù)2Tab.2 The parameters of Hydrus input 2

模型的西北為模型的山區(qū)側向流出邊界，南部為山前地帶，定義為側向補給邊界，東邊界為地下水流入邊界，西邊界由于地下水流向與模型西部界線基本垂直，為零通量邊界。邊界側向流量可用達西定律計算（盧文喜，2003；沈媛媛等，2008）。

潛水含水層自由水面為系統(tǒng)的上邊界，通過該邊界，潛水含水層與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換，如接受河渠補給、田間入滲補給、大氣降水入滲補給、排泄等。

2.3水流模型建立

在水文地質概念模型建立的基礎上，利用Visual Modflow 建立地下水流數(shù)值模型。網格剖分采用有限差分的離散方法，對潛水含水層、隔水層、基巖裂隙含水層進行剖分，每層剖分為32959個網格。

根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，模擬驗證時期為2006 年10月到2012年10月，以一個月作為一個時間段，對模擬結果進行識別與驗證，以保證模擬結果的可靠性。在此基礎上對該危險廢物填埋場防滲膜發(fā)生滲漏后20a內滲濾液中污染物對填埋場周邊地下水的影響進行模擬預測。

2.4溶質運移模型建立

模擬區(qū)三維非穩(wěn)定流地下水流系統(tǒng)中，污染物的運移符合對流-彌散原理，且彌散作用符合費克定律。模擬區(qū)地下水中氨氮本底值濃度較低，其吸附符合平衡等溫線性吸附。

溶質運移模型的范圍和邊界位置與水流模型一致，邊界性質均按濃度邊界處理。模擬工況為污水調節(jié)池防滲層破裂，滲濾液中氨氮濃度選擇Hydrus-1D計算得的包氣帶底部最大濃度值1160 mg/L，以及垃圾滲濾液中氨氮的初始濃度值1980 mg/L。

2.5模擬結果

從表3、圖2、圖3可見，滲濾液經過包氣帶吸附降解作用的情況下，模型預測結果顯示基巖裂隙含水層在20a模擬期內未受到滲濾液中氨氮的污染，只是在隔水層中有一定范圍的污染。滲濾液不穿過包氣帶而直接進入含水層情況下，模型預測基巖裂隙含水層在垃圾滲濾液滲漏5a內受到污染，雖然氨氮濃度并未超標，但是氨氮沿水流方向最大運移距離達數(shù)百米，潛水含水層中氨氮沿水流方向最大運移距離以及超標面積均明顯大于滲濾液穿過包氣帶的情況。兩種情況下預測的滲濾液滲漏20a后，滲濾液中氨氮在潛水含水層中沿水流方向最大長度分別為746m 和1579m，超標范圍分別為0.457km2和0.776km2。

圖2　氨氮初始濃度為1160 mg/L情況下運移20a污染立體示意圖Fig.2 The 3D map of contaminated scope and extent in aquifers in 20 years， as the initial concentration of ammonia nitrogen was 1160mg/L

表3　氨氮在含水層中的污染范圍表Tab.3 The contaminated scope and extent of ammonia nitrogen in aquifers

圖3　氨氮初始濃度為1980 mg/L情況下運移20a污染立體示意圖Fig.3 The 3D map of contaminated scope and extent in aquifers in 20 years， as the initial concentration of ammonia nitrogen was 1980mg/L

3　結論

（1）模擬場地以粉質粘土為主的6.6m厚包氣帶能過濾掉滲濾液中40%以上的氨氮，表明包氣帶對氨氮有一定的吸附降解能力，對含水層起到有效的防護作用，并將包氣帶對含水層的防護能力量化。

（2）滲漏的滲濾液中氨氮濃度對氨氮在含水層中隨水流方向運移距離以及氨氮在含水層中超標范圍起重要作用。相同時間內，氨氮進入含水層的初始濃度越高，氨氮在含水層中的運移距離越遠、污染程度越嚴重。

（3）運用包氣帶和含水層的聯(lián)合運移模擬可以更加準確地預測滲濾液對含水層及下游敏感點的污染風險，可以更真實、更完整地展示污染物從地表到含水層的過程和途徑，既準確預測了垃圾滲漏液對下游敏感點的污染風險，也避免了過量夸大滲濾液在非正常工況下對下游敏感點的污染程度，在理論上為合理地降低垃圾填埋場項目建設的公眾阻力提供科學依據(jù)。

［1］宋國君，杜倩倩，馬本. 城市生活垃圾填埋處置社會成本核算方法與應用——以北京市為例［J］. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（8）：57～63.

［2］王敏. 生活垃圾的可持續(xù)填埋［J］. 地球與環(huán)境，2010，18（5）：20～22.

［3］趙章元. 垃圾填埋場滲漏快速檢測前景廣闊［J］. 中國環(huán)境報，2002，11（5）：34～37.

［4］苑蓮菊，李振栓. 工程滲流力學及應用［M］. 中國建材工業(yè)出版社，2001：451.

［5］方堃，陳曉民，杜臻杰，等. 低山丘陵區(qū)紅壤酸雨中典型陰離子垂直遷移狀況及模擬［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28（1）：107～111.

［6］葉永紅，寧立波. 石油類污染物在包氣帶中的遷移預測-以蘭州西固商業(yè)石油儲備庫為例［J］.環(huán)境科學與技術，2009，32（11）：186～189.

［7］龐雅婕，劉長禮，王翠玲，等. 某化工廠廢液CODCr-在包氣帶中的遷移規(guī)律及數(shù)值模擬［J］.水文地質工程地質，2013，40（3）：115～120.

［8］王翊虹，趙勇勝. 北京北天堂地區(qū)城市垃圾填埋對地下水的污染［J］.水文地質工程地質，2002，29（6）：45～47.

［9］張翠云，馬琳娜，張勝，等. Visual Modflow 在石家莊市地下水硝酸鹽污染模擬中的應用［J］.地球學報，2007，28（6）：561～566.

［10］張艷，何江濤，李鵬，等. 開封市垃圾場污染物運移模擬與控制［J］.地下水，2010，32（3）： 15～27.

［11］Dong SG， Liu BW， Tang ZH. Investigation and modeling of the environment impact of landfill leachate on groundwater quality at Jiaxing， Southern China［J］. Journal of Environmental Technology and Engineering，2008，1（1）∶23～30.

［12］Zheng C， Bennett GD， Andrews CB. Analysis of ground-water remedial alternatives at a Superfund site［J］. Ground Water，1991，29（6）：838～848.

［13］趙勇勝，蘇玉明，王翊紅. 城市垃圾填埋場地下水污染的模擬與控制［J］.環(huán)境科學，2002，23（增刊）：83～88.

［14］郭麗敏，王金生，劉立才. 非正規(guī)垃圾填埋場地下水污染控制技術比較［J］.水資源保護，2009，25（4）：28～36.

［15］盧文喜. 地下水運動數(shù)值模擬過程中邊界條件問題探討［J］.水利學報，2003，（3）：33～36.

［16］沈媛媛，蔣云鐘，雷曉輝，等. 地下水數(shù)值模擬中人為邊界的處理方法研究［J］.水文地質工程地質，2008，35（6）：12～15.

The Combined Transport Simulation of Landfill Leachate in Aeration Zone and Aquifer

ZHOU Ruijing， ZHOU Lei， CHEN Jin， HUANG Dong
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

In recent years， a lot of garbage disposal sites have been built across the country. The risk of contamination to groundwater of landfill leachate has being increased year by year. Then， the pollution risk of landfill leachate to the groundwater is needed to predict at the stage of environmental impact assessment， which can provide guidance to the design and construction of the landfill pollution prevention facilities. This paper explores the method of combined transport simulation of landfill leachate in aeration zone and aquifer on the basis of one project example. The Hydrus model first has been chosen to simulate the distribution and conversion behavior of ammonia nitrogen in aeration zone. Then the numerical simulation of aquifer has been established by Visual Modflow-3D， to compare the contaminated scope and extent of the landfill leachate through the aeration zone or not. The simulation calculation results show that the route of landfill leachate is similar to the actual situation in the aquifer.

Aeration zone； Aquifer； Landfill leachate； Combined transport simulation

X523

A

1007-1903（2016）01-0016-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.004

周瑞靜（1984- ），女，碩士，工程師，主要從事環(huán)境地質、水文地質研究。Email∶ ruijingzhou@mail.bnu.edu.cn