簡易垃圾填埋場滲濾液地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬

廖 鐳，張 涵，郭珊珊

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)

地下水污染主要指人類活動引起地下水化學(xué)成分、物理性質(zhì)和生物學(xué)特性發(fā)生改變而使質(zhì)量下降的現(xiàn)象。地下水污染具有污染進(jìn)程緩慢隱蔽、一旦污染形成則很難治理和造成的后果嚴(yán)重等特點(diǎn)[1]。簡易垃圾填埋場通常利用自然地形條件對垃圾進(jìn)行填埋，未采取或采取簡易的防滲措施，導(dǎo)致產(chǎn)生的滲濾液易滲入地下，進(jìn)入含水層而對地下水造成污染[2-3]。

國外一些發(fā)達(dá)國家由于簡易垃圾填埋現(xiàn)象較少出現(xiàn)，加之人口數(shù)量較少，能及時控制簡易垃圾填埋場產(chǎn)生的污染，因此對垃圾填埋場的研究主要集中在正規(guī)垃圾填埋場防滲系統(tǒng)、垃圾填埋場內(nèi)部垃圾演化以及滲濾液產(chǎn)生的機(jī)理與土壤和水的差別等方面[4]。我國一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，由于環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)落后于人口增長和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，出現(xiàn)了一批簡易垃圾填埋場。但我國對簡易垃圾填埋場環(huán)境污染的認(rèn)識和研究起步較晚，北京市2006年開始對簡易垃圾填埋場場地進(jìn)行修復(fù)治理工作，隨后其余各省份也開展了對簡易垃圾填埋場場地的修復(fù)治理工作，對簡易垃圾填埋場環(huán)境污染的研究也隨之展開。目前我國對簡易垃圾填埋場環(huán)境污染的研究主要集中在：簡易垃圾填埋場場地污染的調(diào)查方法、場地地下水污染風(fēng)險等級評估、場地垃圾組成的物理化學(xué)性質(zhì)、場地污染的治理方法等，主要涉及生態(tài)修復(fù)和土壤及地下水污染治理的方法等[5-7]。

1 研究區(qū)域概況

西南山區(qū)涼山州某簡易垃圾填埋場位于四川省木里縣城道路S216路邊，博瓦河右岸，其地理位置見圖1。該垃圾填埋場依靠河谷灘地而建，未進(jìn)行防滲處理，也沒有建立滲濾液收集系統(tǒng)，至今運(yùn)行已有13年，在相關(guān)部門的支持下，目前該垃圾填埋場已經(jīng)停運(yùn)，進(jìn)行封場治理，封場后填埋區(qū)面積為10 000 m2，平均高度為10 m。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of the study area

該垃圾填埋場場地地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，干濕分明，雨季集中，多年平均氣溫為11.5℃，多年平均降雨量為818.2 mm。場地總體地形起伏大，地勢較開闊，地勢北西面高、南東面低，縱坡(北-西向)坡度約為6°～10°，局部達(dá)35°，溝谷兩側(cè)橫坡坡度約在20°～25°，局部在30°以上。場地地貌屬低中山地貌，微地貌屬溝谷地貌。

圖2 研究區(qū)地下水補(bǔ)、徑、排條件示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater recharge,runoff and discharge conditions of the study area

2 數(shù)值模型的建立

2.1 垃圾填埋場水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)建模區(qū)域?yàn)?.24 km2，地下水概化為三維穩(wěn)定流。模擬區(qū)西部山脊視為分水嶺，概化為零流量邊界；根據(jù)實(shí)地監(jiān)測，垂直通過北部和南部邊界的地下水流較小，概化為零流量邊界；東部博瓦河作為河流邊界，見圖3。

圖3 模型區(qū)域網(wǎng)格及邊界劃分圖Fig.3 Model domain and boundary division

2.2 數(shù)學(xué)模型

Visual MODFLOW軟件中集成的MODFLOW和MT3DMS模塊，可分別對地下水滲流場和溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，MODFLOW模塊是基于三維水流偏微分方程的有限差分法。三維水流偏微分方程遵循達(dá)西定律，其表達(dá)式如下：

(1)

H(x,y,t)|t=t0=H0(x,y,t0)

(2)

H(x,y,t)|Γ1=H1(x,y,t)t≥0

(3)

(4)

式中：H為水頭；w為源匯項(xiàng)；us為當(dāng)水頭下降一個單位時，從單位體積孔隙中釋放的水量(體積單位，量綱為L-1)；Kxx、Kyy、Kzz分別表示在x、y、z方向上的主滲透性系數(shù)；H0(x,y,t0)為初始水頭值；H1(x,y,t)為邊界水頭值；n為邊界Γ2的外法線方向；q為邊界上的單寬流量；Τ為邊界處含水層的導(dǎo)水系數(shù)；Γ1、Γ2分別為研究區(qū)的水頭和流量邊界。

MT3DMS模塊是基于溶質(zhì)運(yùn)移偏微分方程的有限差分法。溶質(zhì)運(yùn)移偏微分方程的表達(dá)式如下：

(5)

式中：R為滯留因子，其值常大于1；n為介質(zhì)的空隙度(無量綱)；C為溶質(zhì)的濃度；t為時間；xx、xj為在直角坐標(biāo)下沿各方向上的距離；Dij為水動力彌散系數(shù)張量；ui為孔隙水流實(shí)際速度；qk為單位體積含水層給出或者接受的流體數(shù)量；δ為含水層的干容重；s為固體顆粒吸附的溶質(zhì)濃度；λ為放射性元素蛻變(或者生物降解)常數(shù)。

2.3 模擬區(qū)域網(wǎng)格劃分和初始條件的確定

通過對該垃圾填埋場區(qū)水文地質(zhì)條件的概化，建模區(qū)域范圍為1.8 km×1.8 km，剖分網(wǎng)格為18 m×18 m，共100行100列，網(wǎng)格x軸為東西向，y軸為南北向，見圖3。垂直方向上分為兩層，高程范圍為1 820～2 560 m，由上至下分別代表含細(xì)砂角礫卵石層和風(fēng)化板巖層。第一層在水平方向上分為兩個區(qū)，博瓦河至省道公路之間的河漫灘為砂礫卵石，河漫灘至高山分水嶺為風(fēng)化板巖。初始條件為定地下水頭，考慮研究區(qū)域地下水水位的年變化量為2～3 m，根據(jù)區(qū)域勘查得到該垃圾場填埋區(qū)地下水初始水位埋深約5 m，因此設(shè)置模型初始地下水水位為地表以下5 m。

2.4 模型水文地質(zhì)參數(shù)的確定

2.4.1 滲透系數(shù)

經(jīng)過場地注水試驗(yàn)和壓水試驗(yàn)，得到該垃圾填埋場區(qū)不同地層的滲透系數(shù)，含細(xì)砂角礫卵石層的滲透系數(shù)K為5.8×10-5～2.9×10-5m/s,風(fēng)化板巖層的滲透系數(shù)K為2×10-7～3.5×10-7m/s，并在模型校正中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終確定含細(xì)砂角礫卵石層的滲透系數(shù)K為3.5×10-5m/s，風(fēng)化板巖層的滲透系數(shù)K為3.0×10-7m/s。模型介質(zhì)滲透系數(shù)的取值具體見表1。

表1 模型介質(zhì)滲透系數(shù)的取值表

2.4.2 彌散系數(shù)

彌散系數(shù)即彌散度，是含水層中介質(zhì)彌散特征的重要參數(shù)，而確定野外尺度遷移模擬問題的彌散度有較大的難度，且長期以來一直備受爭議。為了確定野外尺度的彌散度，已經(jīng)開展過大量的工作。如Gelhar等[8]詳細(xì)介紹了各種野外實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)了野外尺度彌散度的取值規(guī)律，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)缺乏場地實(shí)測數(shù)據(jù)時，水平橫向彌散度的取值應(yīng)該比縱向彌散度的取值約小一個數(shù)量級，垂直橫向彌散度的取值應(yīng)該比縱向彌散度的取值約小兩個數(shù)量級。本文中，縱向彌散度取值為10 m，橫向與縱向彌散度比率取值為10，垂向與縱向彌散度比率取值為100。

2.4.3 溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

污染遷移模型參數(shù)與污染物本身的性質(zhì)有關(guān)。本次模擬采用線性等溫吸附，分配系數(shù)Kd反映的是溶解相濃度和多孔介質(zhì)中被吸附物質(zhì)的濃度之間的關(guān)系。動力學(xué)反應(yīng)速率反映的是放射性元素的衰變，以及某種有機(jī)污染物由于水解、微生物作用發(fā)生的降解。污染遷移模型中主要采用分配系數(shù)和反應(yīng)速率常數(shù)來衡量污染物因子在地下水中的吸附和生化反應(yīng)規(guī)律。

硝化作用：

厭氧氨氧化作用：

表2 含水層中污染物遷移模型的參數(shù)取值

2.5 滲濾液下滲量的計(jì)算及源強(qiáng)濃度的設(shè)定

2.5.1 不同工況下滲濾液的下滲量計(jì)算

在正常工況下，HDPE土工膜完好，滲濾液經(jīng)膜向下滲透，HDPE土工膜滲透系數(shù)取值為1.0×10-13m/s，水頭高度為膜上0.5 m，防滲系統(tǒng)處于常規(guī)狀態(tài)，滲濾液下滲量的計(jì)算公式如下：

Q=KIA

(6)

式中：Q為滲濾液的下滲量(m3/d)；K為介質(zhì)的滲透系數(shù)(m/d)；I為水力坡度；A為土工膜滲透面積(m2)。

在事故工況下，HDPE土工膜存在缺陷(刺穿或焊接不到位或不均勻沉降撕裂)，滲濾液經(jīng)膜的缺陷逐漸滲入地下水系統(tǒng)，壓實(shí)度良好的GCL黏土滲透系數(shù)取值為5.0×10-9m/s，水頭高度為膜上0.5 m，防滲系統(tǒng)處于失效狀態(tài)，滲濾液下滲量的計(jì)算公式如下[13]：

Q=1.15×α0.1×H0.9×k0.74×β

(7)

式中：Q為滲濾液的下滲量(m3/d)；α為漏洞面積(m2)；H為水頭高度(m)；β為膜上漏洞率；k為壓實(shí)基礎(chǔ)層的滲透系數(shù)(m/d)。

由公式(6)計(jì)算可知，在理想狀況下，滲濾液的下滲量非常有限。故本文根據(jù)HDPE土工膜上漏洞率和黏土膨脹引起開裂的差異，針對以下兩種事故工況進(jìn)行地下水溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測以及污染時空分布分析。兩種事故工況分別如下：

事故工況1：HDPE土工膜上漏洞率為0.5，GCL黏土出現(xiàn)輕微開裂現(xiàn)象，k取值為5.0×10-7m/s。

事故工況2：HDPE土工膜上漏洞率為1.0，GCL黏土出現(xiàn)嚴(yán)重開裂現(xiàn)象，k取值為5.0×10-5m/s。

假設(shè)垃圾填埋場連續(xù)不斷地產(chǎn)生滲濾液，故污染遷移模型中污染物滲漏設(shè)置為連續(xù)源。經(jīng)計(jì)算，兩種事故工況下垃圾滲濾液的下滲量詳見表3。

表3 兩種事故工況下垃圾滲濾液的下滲量計(jì)算表

2.5.2 滲濾液中污染物預(yù)測因子濃度的取值

表4 滲濾液中污染物預(yù)測因子的補(bǔ)給濃度

2.6 模型校正

地下水滲流模型校正通過不斷調(diào)整滲透系數(shù)、彌散度等模型參數(shù)，使模擬計(jì)算的水位值與選取的6個監(jiān)測孔實(shí)測水位值的誤差在可接受范圍內(nèi)，即認(rèn)為模型得到校正，6個監(jiān)測孔水位的觀測值與水位模擬計(jì)算值的對比詳見表5，監(jiān)測孔水位觀測值與水位模擬計(jì)算值進(jìn)行配對T檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 監(jiān)測孔水位觀測值與水位模擬計(jì)算值的對比

表6 監(jiān)測孔水位觀測值與水位模擬計(jì)算值配對T檢驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，監(jiān)測孔的水位觀測值與水位模擬計(jì)算值差值雙尾檢驗(yàn)置信度為0.906，表明監(jiān)測孔水位觀測值與水模擬計(jì)算值相吻合。校正后的地下水滲流場見圖4。

圖4 地下水滲流場圖Fig.4 Groundwater seepage field

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬預(yù)測結(jié)果

圖5 某簡易垃圾填埋場在封場5年及10年后事故工況1下地下水中污染物預(yù)測因子(CODMn、N-N) 濃度的空間分布圖Fig.5 Distribution of concentration of predictive contaminants (CODMn、N-N) after 5 and 10 years of landfill closure under the accident conditon 1

3.2 模擬結(jié)果分析

由圖5和圖6可以看出：

圖6 某簡易垃圾填埋場在封場5年及10年后事故工況2下地下水中污染物預(yù)測因子(CODMn、N-N) 濃度的空間分布圖Fig.6 Distribution of concentration of predictive contaminants (CODMn、N-N) after 5 and 10 years of landfill closure under the accident condition 2

表7 不同事故工況下污染物預(yù)測因子在地下水中的超標(biāo)范圍和下游最大遷移距離

4 結(jié)論與建議

針對該簡易垃圾填埋場區(qū)及其周圍地下水受污染的情況，提出以下地下水污染防治措施與建議：①對還未封場的簡易垃圾填埋場進(jìn)行滲濾液檢漏測試，一旦發(fā)現(xiàn)滲濾液發(fā)生滲漏現(xiàn)象應(yīng)立即采取相應(yīng)的防滲層修補(bǔ)措施，同時合理導(dǎo)排收集雨水，增加綠化面積，并進(jìn)行封場處理等；②在簡易垃圾填埋場區(qū)及其周圍布設(shè)地下水長期監(jiān)測井，通過地下水水質(zhì)監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)滲漏液滲漏現(xiàn)象，并推斷滲漏位置及滲漏程度，同時研究地下水中污染因子的降解過程；③對簡易垃圾填埋場地下水污染嚴(yán)重的地區(qū)，采取抽出、滲透性反應(yīng)墻等技術(shù)進(jìn)行地下水污染的修復(fù)處理等。