某垃圾場(chǎng)滲濾液在地下水中遷移擴(kuò)散模擬研究

馮瑞，鄭百錄，李曉龍

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都　610061； 2.四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都　610041)

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某垃圾場(chǎng)滲濾液在地下水中遷移擴(kuò)散模擬研究

馮瑞1，鄭百錄2，李曉龍1

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610061； 2.四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川成都610041)

擬建的某填埋垃圾場(chǎng)位于四川盆地西部,垃圾場(chǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生的滲濾液必將對(duì)周圍環(huán)境造成一定影響.本次模擬運(yùn)用Visual ModFlow軟件對(duì)滲濾液在地下水中的遷移擴(kuò)散進(jìn)行模擬研究,研究結(jié)果表明：正常情況下，污染物在一定范圍內(nèi)擴(kuò)散和運(yùn)移，影響距離及濃度都較小，不會(huì)遷移至附近地表水系。而對(duì)滲濾液事故情況下，污染影響范圍廣，濃度大，持續(xù)時(shí)間長。

垃圾場(chǎng)滲濾液；污染物；遷移擴(kuò)散

近年來，越來越多的環(huán)境問題成為了人們討論的話題，由此更多的人加入了環(huán)境保護(hù)的行列。在日益嚴(yán)重的環(huán)境問題中，地下水生態(tài)環(huán)境問題也在逐漸進(jìn)入人們的視線。對(duì)地下水環(huán)境的保護(hù)是城市垃圾處置及污染防治的突出問題[1-2]。由于地下水污染防治的復(fù)雜性，尋找科學(xué)有效的處理水污染問題的方法，對(duì)地下水環(huán)境保護(hù)起著重要作用[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬地下水系統(tǒng)的方法很多，歸納起來主要有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等，本次模擬借助Visual Modflow軟件，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)運(yùn)行過程中滲濾液中污染物在地下水中大的擴(kuò)散遷移問題進(jìn)行模擬研究[5]。

1　地下水滲流場(chǎng)模型的建立

1.1數(shù)學(xué)模型的建立

在理想狀態(tài)下，不考慮水的密度變化的條件下，孔隙介質(zhì)中地下水在三維空間的流動(dòng)可用偏微分方程來表示[4-5]：

式中，Kxx、Kyy和Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y和z方向的分量，LT-1，L代表長度，T代表時(shí)間，這里假定滲透系數(shù)主軸與坐標(biāo)軸方向一致；h為水頭，L；W為單位體積流量，代表流進(jìn)源或流出匯的水量，T-1；Ss為孔隙介質(zhì)的貯水率或給水率，L-1；t為時(shí)間，T。

地下水中污染物的遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)極為復(fù)雜的過程，不僅存在物理作用(對(duì)流、彌散等)，也存在各種化學(xué)反應(yīng)(離子交換)和生物化學(xué)反應(yīng)(微生物降解)。這些物理化學(xué)反應(yīng)在不同的環(huán)境下，其強(qiáng)度甚至方向都會(huì)有很大不同，在本文中對(duì)污染物只考慮對(duì)流和彌散作用。因此，本次模擬采用對(duì)流—彌散方程來描述污染物在地下水中的運(yùn)移，即：

qsCS-λθC

初始及邊界條件為：

C(x,y,0)=C0(x,y)

式中，c為溶解于水中的污染物的濃度，mg/L；θ為地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；t為時(shí)間；R為阻滯因子，無量綱；x為運(yùn)移的距離，m；v為滲透速度，m/d；D為彌散系數(shù)，m2/d；C為源或匯的濃度。

1.2模型的建立

1.2.1模型范圍

模型范圍以垃圾場(chǎng)為中心，向外擴(kuò)展至次級(jí)分水嶺或區(qū)內(nèi)最低排泄面(河流)，整個(gè)模型范圍在同一個(gè)水文地質(zhì)單位內(nèi)，具有一套相同且較為完整的補(bǔ)給、徑流、排泄條件。

模型三維方向X、Y、Z分別表征水平EW方向、水平SN方向及海拔高度的垂直方向，見圖1。

圖1　數(shù)值模擬范圍Fig.1　Numerical simulation range

1.2.2空間離散

模型空間范圍EW方向長度為5 900 m，SN方向?qū)挾葹? 400 m；平面上共剖分單元格295×170(列×行)，垂向上按照區(qū)域及鉆孔資料，分為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)分化泥質(zhì)砂巖，中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖三層，共計(jì)150450個(gè)網(wǎng)格，見圖2、圖3。

圖2　三維地質(zhì)模型Fig.2　Three-dimensional geological model

圖3　模型空間離散Fig.3　Spatial discretization of the model

1.2.3邊界條件概化

模擬區(qū)為區(qū)域水文地質(zhì)單元內(nèi)的一個(gè)很小部分，根據(jù)場(chǎng)地地形地貌特征，模型范圍在一個(gè)相對(duì)小的水文地質(zhì)單元內(nèi)，西側(cè)山脊分水嶺為邊界，南北側(cè)為通用流入流出邊界，東側(cè)以河流為最低排泄點(diǎn)，定為河流邊界。

1.2.4參數(shù)選取

水文地質(zhì)模型建立主要包括各個(gè)地層滲透系數(shù)、區(qū)域降雨量等重要指標(biāo)；污染物運(yùn)移模型中，主要參數(shù)包括彌散系數(shù)、初始濃度、補(bǔ)給濃度、降解系數(shù)。

(1)滲透系數(shù)。根據(jù)區(qū)域及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料，滲透系數(shù)按照試驗(yàn)及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)取值，見表1。

(2)匯源項(xiàng)。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降雨，部分來自地下水的側(cè)向補(bǔ)給。河流作為最低侵蝕基準(zhǔn)面，是區(qū)內(nèi)地下水最終排泄點(diǎn)。

表1滲透系數(shù)取值表

Table 1Permeability coefficient value

地層Kx/(m/s)Ky/(m/s)Kz/(m/s)粉質(zhì)黏土4×10-74×10-74×10-7強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖5.5×10-65.5×10-65.5×10-6中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖6×10-76×10-71.2×10-7

注：中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖垂向的K值根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》分別取橫向K值的1/5。

大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給是一個(gè)復(fù)雜的過程，地下水接受降雨的程度同降雨強(qiáng)度、時(shí)間、接受降雨地區(qū)的地形地貌、植被條件等多種因素有關(guān)，同時(shí)地下水的埋藏深度、包氣帶的含水率也對(duì)降雨入滲量有一定影響。通過大量實(shí)踐總結(jié)，前人把影響入滲的各種因素用降雨入滲系數(shù)代替，簡化采用下式計(jì)算：

Q=α·F·P

式中，α為降水入滲系數(shù)；F為接受降水入滲的地表面積，km2；P為多年平均的年降雨量，m/a。根據(jù)該地區(qū)的水文資料，年平均降雨量為828.5 mm，結(jié)合相關(guān)規(guī)范手冊(cè)及工程經(jīng)驗(yàn)，降水入滲系數(shù)取0.15。

(3)彌散系數(shù)。彌散度表征尺度效應(yīng)，是含水介質(zhì)彌散特征的重要參數(shù)，它反映了含水層介質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性。綜合研究區(qū)地形、巖性及含水層類型。參考《水文地質(zhì)手冊(cè)》彌散系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，橫向與縱向彌散度比率為10，垂向與縱向彌散度比率為10。

(4)初始濃度。污染物在此模型中考慮成恒定面源，根據(jù)《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，將COD的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)作為初始濃度，即300 mg/L；考慮滲濾液處理事故時(shí)，污染物進(jìn)入地下水濃度假設(shè)為正常排放標(biāo)準(zhǔn)的10倍，即COD濃度分別為3 000 mg/L連續(xù)排放15天后按正常標(biāo)準(zhǔn)取值，其他條件與正常排放標(biāo)準(zhǔn)一致(如降解系數(shù)等)。

(5)補(bǔ)給濃度。填埋場(chǎng)運(yùn)行期為17年，產(chǎn)生滲濾液是一個(gè)持續(xù)過程，因此模型中污染物進(jìn)入地下水考慮為持續(xù)不斷供給的關(guān)系，即假設(shè)濃度為一個(gè)固定值，從運(yùn)行期開始到結(jié)束不隨時(shí)間變化而變化的連續(xù)源。

(6)降解系數(shù)。COD作為反應(yīng)性污染物代表物質(zhì)，這類污染物在遷移過程中會(huì)吸附于含水層介質(zhì)上，同時(shí)自身發(fā)生降解反應(yīng)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及工程類比，COD降解系數(shù)取0.25 d-1。

2　模型的校驗(yàn)

由于空間物理模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)條件的具體概化，對(duì)邊界條件的概化、參數(shù)選取的合理性等需要進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)主要是對(duì)天然滲流場(chǎng)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

模型校驗(yàn)主要是利用給定的各個(gè)參數(shù)帶入天然條件下滲流場(chǎng)計(jì)算中做穩(wěn)定流分析，獲得各單元中的地下水位數(shù)據(jù)。同時(shí)，在模型區(qū)選取相應(yīng)的鉆孔，根據(jù)鉆孔水位埋深資料，與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)模擬結(jié)果與實(shí)際水位誤差在一定范圍內(nèi)時(shí)，說明天然滲流場(chǎng)較為符合實(shí)際情況，這時(shí)，天然滲流場(chǎng)的水頭即可作為整個(gè)計(jì)算的初始水頭，可帶入后續(xù)的計(jì)算。

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合的程度，選取 ZK66、ZK80、ZK96作為觀測(cè)孔進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見表2。

表2觀測(cè)孔的水位與模擬水位對(duì)比表

Table 2Comparison between the water level and simulated water level of observation hole

項(xiàng)目ZK66ZK80ZK96實(shí)際水位/m471.33472.23467.05觀測(cè)水位/m471.1471.9471.0誤差/m0.230.333.95

通過水位對(duì)比驗(yàn)證，ZK66、ZK80模擬與實(shí)測(cè)水位誤差值小于0.5 m，ZK96誤差稍大，但整體而言，模擬水位于觀測(cè)水位誤差均在可接受范圍，能反應(yīng)場(chǎng)地地下水的真實(shí)情況。說明初始模型的建立比較符合實(shí)際，用于后續(xù)模擬計(jì)算是較為合理的。

3　模擬結(jié)果分析

3.1天然條件地下水滲流場(chǎng)特征

在地下水溶質(zhì)模擬之前，先進(jìn)行地下水水流模擬，其中包括地下水位、地下水流向、流速的模擬。模擬結(jié)果見圖4～圖6。

圖4　地下水滲流場(chǎng)三維特征圖Fig.4　Three-dimensional characteristics of groundwater seepage field

圖5　地下水滲流場(chǎng)特征平面圖Fig.5　Characteristics graph of groundwater seepage field

圖6　地下水滲流場(chǎng)特征剖面圖Fig.6　Characteristics profile of groundwater seepage field

從地下水滲流特征圖上看，該地區(qū)地下水總體上由坡頂向坡腳運(yùn)移，與地形坡向基本一致，但變化趨勢(shì)較地形小。同時(shí)在小區(qū)域內(nèi)，原始河流和原始地形對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)方向具有控制作用，因此部分地區(qū)的地下水還體現(xiàn)了向溝匯集的特征。區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式為沿水力坡降方向，向區(qū)內(nèi)最低排泄基準(zhǔn)面(垃圾場(chǎng)E側(cè)的河流)排泄。

3.2污染物運(yùn)移數(shù)值模型模擬

在天然狀態(tài)下，地下水滲流場(chǎng)模型建立后，可在模型中加入各個(gè)污染物因子(滲濾液)，進(jìn)行污染物運(yùn)移的模擬。

考慮到滲濾液中各種污染物的降解、遷移、反應(yīng)機(jī)理差別較大，本次評(píng)價(jià)選用COD作為預(yù)測(cè)因子。

對(duì)污染物遷移的模擬的求解，采用PMWIN軟件中的MT3D程序包，分別模擬不同污染物質(zhì)在地下水中的移流、擴(kuò)散和濃度的變化。本次模擬計(jì)算就是在自然條件下，垃圾填埋場(chǎng)建成后，由于各種原因?qū)е挛廴疚镫S著滲濾液進(jìn)入地下水中的遷移情況。模擬時(shí)間為1年、5年、10年、15年、17年以及垃圾場(chǎng)停止運(yùn)行后5年(即22年)。

由于污染物遷移的復(fù)雜性，在垃圾放置、儲(chǔ)存過程中，垃圾體會(huì)發(fā)生各種物理、化學(xué)變化而產(chǎn)生熱量，熱量有一個(gè)逐漸向外遷移的過程，因而垃圾填埋后其溫度會(huì)先升高，而后隨著熱量外遷而降低，本次模擬假設(shè)模型處于等溫狀態(tài)，模擬計(jì)算僅研究等溫狀態(tài)的滲流情況。

3.3模擬結(jié)果分析

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行污染因子的運(yùn)移計(jì)算，COD濃度小于地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2 mg/L未作考慮，其運(yùn)移特征如圖7～圖13所示。

圖7　COD在地下水中的初始三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.7　Initial three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater

圖8　COD地下水中1年后三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.8　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after one year

圖9　COD地下水中5年后三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.9　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after 5 years

圖10　COD地下水中10年后三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.10　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after 10 years

圖11　COD地下水中15年后三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.11　Three dimensional concentration field (normal condition) of COD groundwater in 15 years

圖12　COD地下水中17年后三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.12　Three dimensional concentration field (normal condition) of COD groundwater in 17 years

根據(jù)模擬結(jié)果，正常情況下，隨著時(shí)間的推移，污染物逐漸向下游運(yùn)移和擴(kuò)散；事故情況下，污染物同樣向下游運(yùn)移和擴(kuò)散，但擴(kuò)散的距離和濃度都有明顯不同。各監(jiān)測(cè)孔濃度情況如圖14和圖15所示，其影響程度如表3所示。

圖13　COD在地下水中22年后三維濃度場(chǎng)(正常情況)Fig.13　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after 22 years

表3　COD影響程度分析

注：(1)時(shí)間為垃圾場(chǎng)運(yùn)行年限；(2)范圍以垃圾場(chǎng)為起始點(diǎn)，向西的距離。

圖14　COD濃度監(jiān)測(cè)情況(正常)Fig.14　Concentration of COD (normal)

圖15　COD濃度監(jiān)測(cè)情況(事故)Fig.15　Concentration of COD (accident)

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，從垃圾場(chǎng)投入運(yùn)行開始，污染物逐漸向下游擴(kuò)散。正常情況下，受到污染物自身特性及地形等因素影響，其遷移速率隨著時(shí)間的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。在垃圾場(chǎng)停運(yùn)后，污染物還將繼續(xù)向下游運(yùn)移，但由于再無補(bǔ)給來源，加之污染物自身的降解，其運(yùn)移距離有限，濃度也將逐漸降低?？梢灶A(yù)計(jì)，在垃圾場(chǎng)停運(yùn)后，污染物不會(huì)運(yùn)移到區(qū)內(nèi)最近的河流等地表水系。

從濃度監(jiān)測(cè)情況來看，在垃圾場(chǎng)運(yùn)行時(shí)期，污染物濃度都存在一個(gè)先急劇上升然后降低的過程。在距離垃圾場(chǎng)最近的監(jiān)測(cè)孔，COD濃度達(dá)到峰值的時(shí)間大約為3 000 d，而其他位置檢測(cè)孔也均存在一個(gè)峰值期，但其峰值期濃度都比距離垃圾場(chǎng)最近的監(jiān)測(cè)孔要小。而由于COD自身降解速度相對(duì)較快，稍遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)孔濃度在各個(gè)時(shí)期基本符合標(biāo)準(zhǔn)。

滲濾液處理事故時(shí)，兩種污染物的遷移距離約為正常排放時(shí)的1.5～2倍。同時(shí)，COD濃度在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，這說明事故時(shí)污染物所需的降解時(shí)間將大于22年，預(yù)計(jì)影響時(shí)間為50～80年，不但影響范圍廣且時(shí)間長。

3　結(jié)論

(1)垃圾場(chǎng)建成運(yùn)行后，會(huì)產(chǎn)生一定濃度的滲濾液，滲濾液中含有大量污染物，擴(kuò)散至地下水中將對(duì)一定范圍區(qū)域造成影響。

(2)通過Visual M0dflow軟件能有效的預(yù)測(cè)滲濾液中污染物在地下水中的遷移，對(duì)污染物的防治和處理起到重要作用。

(3)通過模擬得出，隨著垃圾場(chǎng)的運(yùn)行，正常情況下，滲濾液在地下水中向附近區(qū)域存在一定程度的擴(kuò)散和運(yùn)移，但擴(kuò)散距離不大，擴(kuò)散濃度也較低，對(duì)周圍地下水、地表水系等影響較小。但在事故性排放情況下，垃圾滲濾液污染濃度高，擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，影響范圍廣，影響時(shí)間長。

(4)在垃圾場(chǎng)建設(shè)及運(yùn)行過程中，需嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定，對(duì)污染物進(jìn)行處理和排放。

[1]張紅梅, 速寶玉. 垃圾填埋場(chǎng)滲濾液及對(duì)地下水污染研究進(jìn)展[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2003(6): 110- 115.

[2]鄭曼英, 李麗桃, 邢益和, 等. 垃圾浸出液對(duì)填埋場(chǎng)周圍水環(huán)境污染的研究[J]. 重慶環(huán)境科學(xué), 1998, 6(3): 17- 20.

[3]HAN K W, HEINONEN J, BONNE A. Radionactive wastedisposal: global experience and challenges[J]. IAEA Bulletin, 1997(1): 33.

[4]周振江, 寧立波. 洛陽市某垃圾場(chǎng)滲濾液對(duì)地下水的污染預(yù)測(cè)[J]. 中國西部科技, 2013, 12(3): 60- 62.

[5]尉鵬翔. Visual Modflow在地下水污染物運(yùn)移模擬中的應(yīng)用[J]. 水資源保護(hù), 2011, 27(4): 19- 21.

Study on Migration and Diffusion Simulation of Landfill Leachate in Groundwater

FENG Rui1, ZHENG Bai-lu2, LI Xiao-long1

(1.Southwest Exploration and Design Institute of Nuclear Industry, Chengdu 610061, China;2.Sichuan Provincial Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Chengdu 610041, China)

The proposed landfill locates in western Sichuan Basin, and the leachate emissions will certainly pose some impact on the surrounding environment after the landfill construction is completed. Therefore, the software Visual Modflow was used in this study to simulate the migration and diffusion of leachate in groundwater, and the results showed that in normal cases pollutants migrated and diffused within a certain range, with a small impact distance and concentration, and they would not migrate to nearby surface water. However, on condition of leachate accidents, the impact had a long duration with wide range and high concentration.

landfill leachate; pollutants; migration and diffusion

2016-07-14

馮瑞(1987—)，女，工程師，碩士，主要從事水文地質(zhì)、巖土工程等方面的工作，E-mail：18066165@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.05.022

X523

A

2095-6444(2016)05-0082-07