滁州市某垃圾填埋廠對地下水的污染預(yù)測

汪 磊，高 尚，張 路

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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滁州市某垃圾填埋廠對地下水的污染預(yù)測

汪 磊，高 尚，張 路

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

以滁州市某固體垃圾填埋場項目為研究對象，根據(jù)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，運(yùn)用Visual Modflow建立地下水水流和溶質(zhì)運(yùn)移的三維耦合數(shù)值模型，模擬填埋場在水平及垂直防滲層均發(fā)生破壞時，滲濾液中的Cr6+在地下水中的運(yùn)移過程及范圍。結(jié)果表明：在防滲層破壞的情況下，滲濾液中Cr6+運(yùn)移的范圍較小，對地下水造成的污染程度較弱。從模擬結(jié)果得出污染物的濃度值在模擬期結(jié)束后仍能達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的III類標(biāo)準(zhǔn)。由此提出在安徽滁州地區(qū)對固體廢物進(jìn)行填埋處理的可行性，為垃圾填埋處理提供了相關(guān)理論依據(jù)。

地下水?dāng)?shù)值模型；滲濾液；垃圾填埋

城市固體垃圾填埋場在其填埋階段及封場后都會產(chǎn)生滲濾液，一旦發(fā)生滲漏，滲濾液就會通過包氣帶進(jìn)入地下水，其中所含的污染物勢必會造成對區(qū)域地下水的污染[1][2]。因此，研究滲濾液中的污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律及過程，對于評價其對地下水環(huán)境的污染程度有著重要意義[3][4]。本文即以滁州市沙河鎮(zhèn)超越固體廢物焚燒處置填埋場工程為例，基于Modflow軟件建立了地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移的三維耦合數(shù)值模型，在水平防滲及垂直防滲層均破壞的條件下模擬填埋場滲濾液污染物的運(yùn)移情況，評價其對地下水環(huán)境的影響程度[5]。

1 工程概況

填埋場工程位于滁州市城區(qū)以北，滁州市主要河流為清流河，為滁河境內(nèi)最大支流，全長92.5 km，流經(jīng)滁州市、來安縣等地，其功能主要是農(nóng)田灌溉、航運(yùn)和工業(yè)用水等。該項目分二期進(jìn)行建設(shè)，一期建設(shè)60.5畝，填埋量為27.1萬 m3，服務(wù)期5.2 a；二期建設(shè)39.6畝，填埋量為40.8萬 m3，服務(wù)期6.8 a。項目全部建成后，服務(wù)期12 a。該垃圾填埋場為固體廢棄物的焚燒填埋場，主要污染因子為Cr6+、Pb 、Cu、Zn、As、Cr、Ni以及Hg。

根據(jù)工程勘察資料，該項目場地勘探深度內(nèi)地層可分為四層，具體情況如下：

第①層填土(Q4ml)：雜色，較松散，主要由粘性土組成。該層全場分布，層厚0.20～2.50 m。

第②層粉質(zhì)粘土(Q4al+pl)：該層僅在遠(yuǎn)期填埋場及圍堤東側(cè)分布，層厚4.10～7.60 m。

第③層粘土(Q4al)：該層全場分布，局部地段未揭穿，層厚0.60～7.70 m。

第④層片巖：灰黃色，風(fēng)化強(qiáng)烈，層上部已風(fēng)化成碎塊狀、砂狀，含有云母片，下部為塊狀，密實狀。該層全場分布，層厚2.80～3.70 m。

本區(qū)域?qū)傺亟鹆昶皆牡刭|(zhì)區(qū)，可分為變質(zhì)巖基巖裂隙含水巖組、碎屑巖基巖裂隙含水巖組、碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組及松散巖類孔隙含水巖組四個含水巖組。在中部的崗地與河谷平地大面積分布有新生界松散巖類孔隙含水層組，水位埋深2～6 m，單孔涌水量一般為小于10 m3/d。區(qū)內(nèi)多年平均降水量為1 031.2 mm，降水多集中在6—8月，占年降水量的48%左右。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來源主要是大氣降水，天然狀態(tài)下項目區(qū)地下水徑流方向總體為自西向東，其排泄方式主要為潛水蒸發(fā)。

2 數(shù)值模型

目前，Modflow是世界范圍內(nèi)被廣泛使用的可視化地下水滲流模型軟件包[6]，基于它的數(shù)值法已被成功應(yīng)用于地下水資源評價中，也是目前世界范圍內(nèi)被廣泛使用的可視化地下水滲流模型軟件，且已有很多學(xué)者在這方面開展了較深入的分析和研究。為突出分析重點，本文僅對數(shù)值模型中的水文地質(zhì)概念模型和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡單介紹。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

綜合考慮填埋場所在區(qū)的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，計算范圍以填埋場所在區(qū)附近各鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)域為界，由于研究區(qū)地勢較為平坦，且所選模擬區(qū)域四周均分布有水塘，因此將模擬邊界均概化為定水頭邊界。各含水層之間均發(fā)生水力聯(lián)系，概化為非均質(zhì)各向異性。模擬區(qū)頂部接受大氣降雨及農(nóng)業(yè)灌溉入滲的補(bǔ)給，概化為補(bǔ)給邊界，同時地下水又通過其蒸發(fā)，概化為排泄邊界，底部分布有較厚的粘性土層，透水性較弱，將其概化為隔水邊界。根據(jù)評價區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件，模擬區(qū)范圍的劃定如圖1所示，計算面積為3.6萬 m2。模擬區(qū)剖面自上而下分為：(1)松散層弱透水層(組)，由全新統(tǒng)豐樂鎮(zhèn)組(Q4)、上更新統(tǒng)下蜀組(Q3) 上段地層組成，層厚4.8～12.6 m；(2)承壓含水層(組)，主要由中元古界張八嶺群絹云石英片巖等變質(zhì)巖系組成，該層控制厚度在9 m左右。

由于模擬區(qū)地下水開采規(guī)模小，地下水流場基本處于天然狀態(tài)，水流各要素隨時間發(fā)生變化，滲流基本符合達(dá)西定律，將模擬區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)[7]。

圖1 模擬區(qū)邊界圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)模擬區(qū)概化的水文地質(zhì)模型，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型：

式中：Ω為地下水滲流區(qū)，H為地下水水頭(m)；S1為狄利克雷邊界；S2為第二類型邊界；kxx，kyy和kzz分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)(m/d)； w為源匯項，包括降水入滲補(bǔ)給，河流入滲補(bǔ)給，泵輸出補(bǔ)給等(m3/d)；μs為貯水率(1/m)；H0(x，y，z)是初始揚(yáng)程(m)；H1(x，y，z)是狄利克雷邊界的初始水頭(m)，和q(x，y，z)是第二類邊界單位面積流量函數(shù)(m3/d)；n為邊界S2上的外法線方向[8]。

本次建立的地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型：

式中：C為地下水中組分的溶解相濃度，ml-3；θ為地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；t為時間，T；xi為沿直角坐標(biāo)系軸向的距離，L；Dij為水動力彌散系數(shù)張量，L2T-1；Vi為孔隙水平均實際流速，LT-1；qs為單位體積含水層流量，代表源和匯，L3T-1；Cs為源或匯水流中組分的濃度，ml-3；∑Rn為化學(xué)反應(yīng)項，ml-3T-1。

1)初始條件。補(bǔ)給濃度邊界處的初始濃度定為C0，其余地方均為0 mg/L，表達(dá)式如下：

2)邊界條件。含水層各個邊界作為第二類邊界條件，且各層不發(fā)生穿越，也即

(Γ2，t>0)

式中：Г2為Neumann邊界。

2.2.1 模型識別

1)地下水水位擬合。對模型求解后得到了地下水位的時空分布(見圖2)。另外由于參數(shù)分區(qū)和參數(shù)初值的選取較客觀的反映了模擬區(qū)的實際水文地質(zhì)條件，經(jīng)過反復(fù)調(diào)參，模型識別取得了較為理想的效果。

圖2 地下水位的時空分布

2)水文地質(zhì)參數(shù)

為了較準(zhǔn)確地刻畫評價區(qū)水文地質(zhì)條件，本模型依據(jù)水文地質(zhì)圖及鉆孔材料成果對模擬區(qū)進(jìn)行了參數(shù)分區(qū)，最終得到了含水層參數(shù)。

再依據(jù)據(jù)模擬區(qū)的鉆孔資料及其水文地質(zhì)條件，得到模擬區(qū)的參數(shù)取值情況，如表1所示。

表1 模擬區(qū)參數(shù)取值

2.2.2 模型條件的概化

本次模擬將污染物以面源形式設(shè)定濃度邊界，污染物位置按實際設(shè)計概化，重點模擬對流及彌散作用下的污染物擴(kuò)散。

為了分析廠區(qū)內(nèi)滲濾液中污染物隨地下水的運(yùn)移對周邊地下水環(huán)境造成的影響，利用校正過的水流模型，選取該填埋場中對水質(zhì)影響較大，且可能導(dǎo)致飲水安全問題的污染因子Cr6+作為代表污染物，在水平及垂直防滲層均破壞的情況下，對污染物進(jìn)入地下水的過程進(jìn)行預(yù)測。

即填埋場底部水平防滲層破壞，破壞面無防滲、無檢漏，面源滲漏Cr6+；

模擬預(yù)測時間設(shè)定為最長20 a(包括服務(wù)期12 a，服務(wù)期滿后8 a)，模擬得出污染物濃度時空變化過程，從而確定本區(qū)地下水環(huán)境的影響范圍和程度。在預(yù)測計算的過程中，重點考慮污染物遷移對下游的影響，即考慮污染物對下游的污染范圍和污染程度，采用污染物的時空分布形式表達(dá)。初始濃度值的確定參照前期填埋場取樣的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果確定。

圖3 水平方向12年末污染因子Cr6+濃度分布圖

圖4 水平方向20年末污染因子Cr6+濃度分布圖

圖5 垂直方向12年末污染因子Cr6+濃度分布圖

圖6 垂直方向20年末污染因子Cr6+濃度分布圖

3 模型計算

該垃圾填埋場，具有水平和垂直防滲層。復(fù)合襯墊采用厚度為1.0 mm，滲透系數(shù)k≤1×10-7cm/s的高密度聚乙烯防滲膜；填埋場底部利用自然粉質(zhì)粘土作為水平防滲層；垂直防滲層采用一層高密度聚乙烯薄膜，其厚度為600mm，滲透系數(shù)k≤1×10-7cm/s再加一層膨潤土防水毯(GCL)延伸下方至粘土層下3 m。垂直防滲層面積約23 000 m2。本次假定填埋場發(fā)生泄漏，位置在最危險、最可能對下游其他用水戶產(chǎn)生影響的廠區(qū)東側(cè)。Cr6+污染物作為面源污染隨地下水發(fā)生遷移。根據(jù)工程分析報告，Cr6+污染物上邊界的濃度通量為3 mg/L。

使用Modflow軟件，聯(lián)合運(yùn)行水流和溶質(zhì)模型，得到Cr6+污染物運(yùn)移的預(yù)測結(jié)果。該填埋場運(yùn)營期為12 a，污染物泄漏第12 a以及第20 a末運(yùn)移情況分別見圖3～圖6。

12年末水平方向上污染因子Cr6+最大運(yùn)移距離為30.2 m，垂直方向最大運(yùn)移距離為8.3 m，中心點濃度為5 mg/L。

20年末水平方向上污染因子Cr6+最大運(yùn)移距離為41.1 m，垂直方向最大運(yùn)移距離為10.2 m，中心點濃度為3 mg/L。

4 結(jié)語

(1)填埋場滲濾液泄漏后主要在弱透水層中由彌散作用向四周擴(kuò)散，其次緩慢向下滲漏。在防滲層破壞的情況下，由于填埋場底部粘土層的防污性能為中等，泄漏后污染物會緩慢滲入巖溶含水層，但模擬結(jié)果表明污染物的濃度值在模擬期結(jié)束后仍能達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的III類標(biāo)準(zhǔn)[10]。

(2)填埋場在服務(wù)期滿后其滲濾液污染物的水平運(yùn)移范圍仍較小，且未超出廠區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃范圍。

(3)本次模擬計算的相關(guān)參數(shù)取值較保守，并沒有考慮土壤阻滯、生化降解等因素。因此，預(yù)測的結(jié)果理論上均偏大。盡管如此，在防滲層均破壞的情況下，滲濾液污染物水平及垂直運(yùn)移范圍均較小。由此，該填埋場所產(chǎn)生的滲濾液對當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的影響較小。

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Pollution Prediction of Groundwater in a Landfill in Chuzhou City

WANG Lei, GAO Shang, ZHANG Lu

(College of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 23009, China)

Based on geological and hydrogeological conditions, a three-dimensional coupled numerical model of groundwater flow and solute transport was established by using Visual Modflow in a solid waste landfill project in Chuzhou City. The effects of landfill on horizontal and vertical impervious layer The migration process and range of Cr6+in the leachate during the destruction occurred in groundwater. The results show that the range of Cr6+migration in the leachate is small and the degree of pollution caused by groundwater is weak. standard of 《groundwater quality standard》after the end of the simulation period. The feasibility of landfill disposal in Chuzhou area of Anhui Province is put forward, which provides the relevant theoretical basis for landfill disposal.

groundwater numerical model; leachate; landfill

2017-01-16

汪磊(1991-)，男，安徽安慶人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文水資源。

X523

B

1004-1184(2017)03-0069-03