垃圾滲濾液對地下水環(huán)境影響的數(shù)值模擬預(yù)測

王浪，張曼

（1.安徽省化工研究院，安徽合肥230041；2.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥230009）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展及龐大的人口基數(shù)，垃圾產(chǎn)量急劇增加，尤其近幾年增長速度近乎與GDP 相當[1]，預(yù)計到2030 年可達到3.29 億噸，因此，及時、安全地處理生活垃圾已成為當務(wù)之急。由于衛(wèi)生填埋法具有費用低、技術(shù)較成熟、處理量大、操作簡便等優(yōu)點[2-3]，多數(shù)國家以衛(wèi)生填埋作為處理城市固體廢棄物的最基本方式[4]。但垃圾填埋過程中會產(chǎn)生一種高濃度、多組分、成分復(fù)雜的垃圾滲濾液[5]。垃圾滲濾液經(jīng)各種途徑進入地表或地下水體，造成地表水質(zhì)惡化、土壤功能失調(diào)、地下水失去利用價值，嚴重威脅飲用水和工農(nóng)業(yè)用水安全[6]，所以如何預(yù)測地下水的污染情況成為研究熱點。Dmitry V.[7]提出了一種分析模型，用于評估由含有水溶性有毒物質(zhì)的表層沉積物泄漏引起的地下水污染風(fēng)險，結(jié)果表明，該模型具有良好的數(shù)值精度和實用的便利性，可用于監(jiān)測和預(yù)測垃圾填埋場和工業(yè)固體廢物存儲區(qū)附近的地下水污染。Jakimaviciute 等[8]采用FEFLOW 軟件對某核電站反應(yīng)堆下方地下水中3H 運移情況進行模擬研究，結(jié)果表明：10 年后3H 不會造成擴散。Milnes 等[9]采用FEFLOW 軟件對塞浦路斯南部地區(qū)構(gòu)建了地下水流和溶質(zhì)運移模型，研究了地下水鹽化污染，結(jié)果表明，該區(qū)域地下水鹽化污染主要是由海水入侵造成的。趙春蘭等[10]以冕寧縣漫水灣垃圾填埋場為例，分別采用了Modflow和MT3D 軟件模擬分析了正常工況和事故工況條件下滲濾液中COD 和NH3-N 在地下水中的運移過程，并預(yù)測了垃圾封場20 年后滲濾液中COD 和NH3-N濃度情況。趙威[11]、常向萍等[12]也運用數(shù)學(xué)模型揭示了有機污染物在含水介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

基于上述研究，本文以典型盆地地形下的垃圾填埋場為研究對象，對其垃圾滲濾液中的COD 及氨氮作為污染物及預(yù)測因子，采用MODFLOW 和MT3D 模擬軟件分別建立地下水水流和溶質(zhì)運移模型，對污染物的遷移進行預(yù)測分析，為該垃圾場地下水污染的防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于盆地中部偏北，綿陽市東南部，地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，累年平均氣溫16.6℃，平均降雨量870.7 mm。地勢為西北部高，東南部低，地形起伏大，海拔1 000～3 000 m，屬四川盆地盆中丘陵。研究區(qū)主要為含水巖組，巖性以砂巖、泥巖為主，各巖石呈不等厚層狀。大氣降水是地下水的主要來源，地下水接受補給后，一般根據(jù)地形順谷坡由高向低徑流，最后排泄至研究區(qū)周邊的涪江。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 垃圾填埋場的水文地質(zhì)概念模型

（1）含水層概化

根據(jù)研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，含水層分為第四系全新統(tǒng)坡洪積而成的粉質(zhì)黏土（Q4pl+dl）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（Q3pl）孔隙潛水含水層，以及白堊紀下統(tǒng)蒼溪組（K1c）基巖裂隙潛水含水層。由于第四系全新統(tǒng)淤泥質(zhì)粘土、含粉質(zhì)粘土卵石層為上部弱含水層，且調(diào)查期地下水位基本維持在兩層界面處；白堊紀下統(tǒng)蒼溪組基巖裂隙含水巖組為下部含水層。因此將評價區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為兩層結(jié)構(gòu)。

（2）邊界條件概化

圖1 為研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖，概化范圍以垃圾填埋場所在區(qū)域面積約3.5 km2的小型水文地質(zhì)單元，單元內(nèi)北側(cè)、西側(cè)都為支溝，因此將其概化為第一類邊界，即水頭邊界；西北側(cè)為山脊，視為分水嶺，將其全部概化為第二類隔水邊界；其余方向以涪江為界，概化為定水頭邊界。潛水含水層底部為砂巖，在勘探深度內(nèi)未揭穿，作為隔水邊界，得到了研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖

2.2 數(shù)值模型

（1）水流模型

綜合上述評價區(qū)地層巖性、地下水類型、地下水補徑排特征、地下水動態(tài)變化等水文地質(zhì)條件及評價區(qū)水均衡分析等，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，可將評價區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性、空間多層結(jié)構(gòu)、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，用下列的數(shù)學(xué)模型表述：

式中：

Ω 為地下水滲流區(qū)域；H 為地下水水頭（m）；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；kxx，kyy，kzz分別表示x,y,z 主方向的滲透系數(shù)（m/d）；W 為源匯項，包括降水入滲補給、河流入滲補給、井的抽水量等（m3/d）；μs為彈性釋水率（m）；H0（x，y，z）為初始地下水水頭函數(shù)（m）；H1（x，y，z）為第一類邊界已知地下水水頭函數(shù)（m）；q（x，y，z）為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。

（2）污染物溶質(zhì)運移模型

采用對流－彌散方程來描述污染物在三維地下水流中的運移，溶解于地下水中污染物運移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：

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

污染物在地下水中的運移轉(zhuǎn)化過程是極其復(fù)雜的，根據(jù)環(huán)境影響評價風(fēng)險最大化原則，本次模擬不考慮污染物遷移過程中的吸附、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等作用，只考慮對流彌散作用對污染物運移的影響。

2.3 模型參數(shù)的取值

（1）給水度的確定

潛水含水層的給水度不僅和包氣帶的巖性有關(guān)，而且隨排水時間、潛水埋深、水位變化幅度及水質(zhì)的變化而變化，各種巖性給水度經(jīng)驗值見表1。研究區(qū)第一含水層巖性主要為粉質(zhì)粘土，給水度取值為0.03；第二含水層巖性為粉砂巖、中砂巖，因此本評價給水度取值為0.07。

表1 各種巖性給水度經(jīng)驗值（SL278-2002）

（2）孔隙度的確定

巖石和土壤孔隙度的大小與顆粒的排列方式、顆粒大小、分選性、顆粒形狀以及膠結(jié)程度有關(guān)，不同巖性孔隙度大小見表2。研究區(qū)孔隙含水層孔隙度取值0.45，基巖裂隙含水層孔隙度取值為0.60。

表2 松散巖石孔隙度參考數(shù)值（據(jù)弗里澤，1987）

（3）滲透系數(shù)的確定

根據(jù)本次計算的含水層滲透系數(shù)，結(jié)合以往經(jīng)驗值等獲得研究區(qū)各層水文地質(zhì)參數(shù)，詳見表3。

（4）降水入滲補給系數(shù)

表3 場地地層及其滲透系數(shù)值

降水入滲補給系數(shù)是指降水滲入量與降水總量的比值，值的大小取決于地表土層的巖性和土層結(jié)構(gòu)、地形坡度、植被覆蓋以及降水量的大小和降水形式等，它是一個無量綱系數(shù)，其值變化于0～1 之間，不同降雨量和巖性條件下的降水入滲補給系數(shù)見表4。由于研究區(qū)的年均降雨量約為882～1 134 mm，地表土層巖性主要為粉質(zhì)粘土，因此降水入滲補給系數(shù)取值為0.1。

表4 不同巖樣和降水量的平均年降水入滲補給系數(shù)α 值

（5）彌散度的確定

對不同巖性和不同尺度條件下介質(zhì)的彌散度大小進行了統(tǒng)計，獲得了污染物在不同巖性中遷移的縱向彌散度，并存在尺度效應(yīng)現(xiàn)象（圖2）。根據(jù)室內(nèi)彌散試驗以及參照其他地區(qū)的試驗結(jié)果，對本次評價范圍潛水含水層，縱向彌散度取50 m，橫向彌散度取5 m。

圖2 松散沉積物彌散度與研究區(qū)域尺度的關(guān)系

2.4 初始邊界條件

（1）空間離散

地下水數(shù)值模擬范圍約3.5 km2，建模過程中，垂向上依次將全區(qū)概化為第四系全新統(tǒng)孔隙弱含水層及白堊紀下統(tǒng)基巖裂隙潛水含水層共2 層，采用網(wǎng)格加密優(yōu)化剖分，科學(xué)模擬研究區(qū)地下水流，如圖3 所示。

圖3 模擬范圍內(nèi)網(wǎng)格剖分圖

（2）初始和邊界條件

邊界條件：研究區(qū)為一個相對獨立的水文地質(zhì)單元，將河流和支溝都概化為第一類邊界，即水頭邊界；將分水嶺概化為第二類邊界，即零流量邊界。潛水含水層底部為隔水邊界，頂部接受降水量的補給，排泄以蒸發(fā)為主。

初始條件：將水質(zhì)監(jiān)測井和調(diào)查的民用井的水位作為模擬預(yù)測的初始水位，監(jiān)測井所測的污染物背景值為初始值，初始時間為2017 年12 月。

源匯項：評價區(qū)的源匯項主要包括補給項和排泄項。項目廠區(qū)地下水的補給來源主要為大氣降水的面狀入滲補給與地下水含水層的側(cè)向補給。地下水含水層之間的側(cè)向補給概化為線狀補給源。評價區(qū)排泄方式以大氣蒸發(fā)及下游徑流排泄為主，其農(nóng)業(yè)開采地下水量較小。根據(jù)前人工作成果和本次調(diào)查，模擬區(qū)大氣降水入滲系數(shù)值α 確定為0.3；收集了研究區(qū)多年平均大氣降水量為966 mm，因此，研究區(qū)大氣降水入滲補給地下水量為：

式中：Q—降雨入滲補給量，m3/d；α—降雨入滲系數(shù)；P—降雨量，mm/a；F—計算區(qū)面積，m2。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水蒸發(fā)作用的極限深度為4 m，年平均蒸發(fā)量為1 653 mm。利用阿維揚諾夫的線性公式計算地下水蒸散發(fā)量：

式中：Eg—地下水蒸散發(fā)強度（mm/d）；E0—水面蒸發(fā)潛力（mm/d）；hs—地面標高；h—潛水位標高；—地下水蒸發(fā)極限深度。

2.5 運行期污染情景設(shè)置

本評價主要考慮垃圾滲濾液對地下水的影響。本次選取的預(yù)測時間分別為100 天、1 000 天。正常條件下，滲瀝液平均每天的產(chǎn)生量為154 m3/d，考慮填埋區(qū)土工膜及混凝土的防滲作用，設(shè)置防滲層下垂向入滲系數(shù)β 取1%，無防滲層下滲瀝液的下滲量為總產(chǎn)生量的30%，可以計算出研究區(qū)所在地的滲瀝液下滲量每天為23.87 m3/d。

2.6 預(yù)測因子

預(yù)測因子源強的確定參照工程分析和取樣的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果確定。根據(jù)滲濾液主要成分，按照標準指數(shù)法的排序，本次模擬分別以有機污染物COD、無機物污染物氨氮作為污染物遷移的主要因子，其中有機污染物COD 以耗氧量指數(shù)計。根據(jù)廠區(qū)2018 年委托第三方檢測機構(gòu)的檢測報告，滲濾液中COD 濃度約為1 600 mg/L，氨氮濃度約為525 mg/L。

3 污染物模擬結(jié)果分析

地下水污染有分別以“最大運移距離”和“被污染物范圍”為指標，“最大運移距離”是指污染擴散的最大距離；“被污染范圍”是指地下水受到污染的總面積（包括源強的面積），即按地下水Ⅲ類質(zhì)量標準（GB/T 14848-2017）確定的，在被污染范圍內(nèi)水質(zhì)較差，低于Ⅲ類水標準。

3.1 COD 污染物遷移模擬結(jié)果

圖4 為污染物COD 遷移擴散圖，由圖4 可知，研究區(qū)污染源處COD 的濃度保持為703 mg/L，從平面上看，正常工況下100 d 后，項目所在地污染物最大遷移距離約1 200 m，地下水受到污染的總面積為50 810 m2，隨著時間的增加，1 000 d 后污染物最大遷移距離約2 600 m，地下水受到污染的總面積為268 160 m2，超標擴散范圍已延伸至涪江。

圖4 整改前污染物COD 遷移擴散圖

3.2 氨氮污染物遷移模擬結(jié)果

圖5 整改前污染物氨氮遷移擴散圖

圖5 為污染物氨氮遷移擴散圖，由圖5 可知，填埋區(qū)污染源處氨氮的濃度保持為220 mg/L，從平面上看，正常工況下100 d 后，項目所在地污染物最大遷移距離約1 500 m，地下水受到污染的總面積為63 020 m2，隨著時間的增加，1 000 d 后污染物最大遷移距離約2 650 m，地下水受到污染的總面積為274 520 m2，超標擴散范圍已延伸至涪江。

4 結(jié)論與建議

本文采用GMS 軟件對COD 和氨氮遷移進行了數(shù)值模擬預(yù)測，結(jié)果表明，1 000 d 后填埋場地下水中的COD 和氨氮含量均已嚴重超標，且遷移范圍已延伸至涪江。

針對該垃圾填埋場及周邊地下水受污染情況，提出地下水防治污染的措施與建議：

（1）從源頭控制滲濾液即減少垃圾滲濾液量，如減少降水、地表水和地下水滲入垃圾填埋場。

（2）對原有滲濾液防滲和處理措施進行整改，具體可以通過對填埋垃圾的庫區(qū)重新鋪設(shè)HDPE 防滲襯層來減少垃圾滲濾液的遷移。

（3）對垃圾填埋場及周邊設(shè)地下水監(jiān)測井，長期監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)問題及時處理，降低負面影響。