填埋場(chǎng)滲濾液在飽和土壤中運(yùn)移的數(shù)值研究

鄭淑君　何百通　徐蕤

【摘 要】垃圾填埋場(chǎng)滲濾液是造成地下水污染的一個(gè)重要原因。針對(duì)農(nóng)村簡(jiǎn)易填埋場(chǎng)，本文建立數(shù)學(xué)模型，土壤被看成各向同性均勻多孔介質(zhì)，采用Darcy定律描述多孔介質(zhì)中的滲流，在此基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬了吸附性污染物COD在飽和土壤中的運(yùn)移過(guò)程。分析了降雨量及其他參數(shù)對(duì)COD運(yùn)移的影響，為控制地下水污染及填埋場(chǎng)選址提供可靠依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】滲濾液;數(shù)值模擬;COD;降雨

中圖分類號(hào)： TQ085.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）10-0024-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.007

Numerical Research on Pollutant Transport Laws of Landfill Leachate in Saturated Soil

ZHENG Shu-jun HE Bai-tong XU Rui

（Quzhou College of Technology，Quzhou Zhejiang 324000，China）

【Abstract】The landfill leachate has been recognized as one of the important causes to the groundwater.This paper establishes the mathematical model for simple landfill，the soil is regarded as isotropic homogeneous porous medium， therefore the seepage field in the porous soil layer is obtained by solving Darcys equations.Based on the flow fields obtained，the unsteady contaminant solute transportation process for COD in the saturated soil is numerically simulated. We have analysed the precipitation and other parameters on the transport of pollutants，it provides basis for controlling groundwater pollution and selecting landfill site.

【Key words】Leachate;Numerical simulation;COD;Precipitation

0 引言

隨著人口增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活垃圾的處理已經(jīng)成為難題之一。雖然我國(guó)的生活垃圾處置越來(lái)越規(guī)范，但是不少農(nóng)村地區(qū)的生活垃圾，仍然采用簡(jiǎn)易填埋的方式進(jìn)行處理。由于簡(jiǎn)易填埋是沒(méi)有采取防滲措施的直接填埋，未執(zhí)行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，填埋場(chǎng)滲濾液持續(xù)下滲會(huì)造成地下水污染。農(nóng)村條件有限，填埋場(chǎng)選址往往沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分的論證，部分距離居民點(diǎn)較近，對(duì)周邊地下水的污染影響到居民的飲用水，威脅到居民的身體健康[1]。在建造簡(jiǎn)易填埋場(chǎng)時(shí)，必須考慮滲濾液對(duì)周圍環(huán)境的影響程度和范圍。

垃圾滲濾液引起的污染物傳輸過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，因此學(xué)者常用數(shù)值模擬的方法預(yù)測(cè)地下水污染問(wèn)題。陳云敏[2]給出了土壤中污染物的一維擴(kuò)散解析解，只考慮了擴(kuò)散和吸附作用，而未考慮對(duì)流的影響。

垃圾滲濾液組分復(fù)雜，有機(jī)污染主要以綜合指標(biāo)BOD和COD表示，本文選取COD作為研究對(duì)象。以衢州地區(qū)為參照，考慮降雨強(qiáng)度的影響，數(shù)值模擬研究填埋場(chǎng)滲濾液在飽和土壤中的運(yùn)移機(jī)制。土壤被看成各向同性均勻多孔介質(zhì)，考慮到模擬周期較長(zhǎng)，首先采用Darcy定律獲得多孔介質(zhì)中的穩(wěn)態(tài)滲流場(chǎng)?；谏鲜隽鲌?chǎng)計(jì)算結(jié)果，數(shù)值計(jì)算非定常污染物COD遷移擴(kuò)散過(guò)程。在這里，之所以先計(jì)算流場(chǎng)再計(jì)算濃度場(chǎng)，是因?yàn)槲廴疚顲OD的傳輸不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成影響。

1 計(jì)算模型和初、邊值條件

本文建立了地下水污染過(guò)程的控制方程：一類是地下水流動(dòng)方程;另一類是溶質(zhì)運(yùn)移方程，兩類方程通過(guò)流速進(jìn)行耦合[3]。建立簡(jiǎn)單二維模型，如下圖所示。

由于簡(jiǎn)易填埋場(chǎng)工程簡(jiǎn)單，本文假設(shè)無(wú)防滲層，而滲濾液中有機(jī)物COD濃度較高，因此本文將填埋場(chǎng)底部看作一個(gè)恒定的面源。

1.1 控制方程

考慮土壤對(duì)污染物質(zhì)的吸附與解吸，地下水的溶質(zhì)輸運(yùn)的控制方程為：

DLii為擴(kuò)散張量的主分量，DLij為交叉項(xiàng)，？琢L、？琢T為彌散度;De為分子擴(kuò)散系數(shù);下標(biāo)L和T分別代表縱向和橫向。（3）式等號(hào)左邊的第一項(xiàng)表示多孔介質(zhì)中污染物濃度變化項(xiàng);第二項(xiàng)是由于吸附解吸引起的濃度變化項(xiàng);第三項(xiàng)表示由于流體隨整體體系的運(yùn)移，稱為對(duì)流作用引起的濃度變化項(xiàng);等號(hào)右邊表示由于分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散作用共同引起的濃度變化項(xiàng)。

1.2 邊界條件和初始條件

滲流邊界條件：4、5、6、7、8為速度邊界條件，由降雨量計(jì)算而來(lái);其他為零流量邊界。

濃度邊界條件：6為恒定濃度邊界，COD濃度設(shè)定為4g/L，1、3為平流通量邊界;其它為無(wú)流通邊界。

初值條件：土壤以及地下水中的污染物初始濃度c0為0g/L。根據(jù)實(shí)際情況以及查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)獲得模型中的各參數(shù)如下：水的密度ρ=1000kg/m3，水的動(dòng)力粘度系？濁=0.001Pa·s，土壤的密度ρb=1400kg/m3，孔隙率？茲=0.3，，分子擴(kuò)散系數(shù)De=2.5e-10m2/s，橫向彌散度？琢L=0.1m，縱向彌散度？琢T=0.01m，楊春曉[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)線性吸附方程能夠合理的描述土壤對(duì)COD的吸附作用，本文采用線性吸附模型且不考慮降解和衰減，分配系數(shù)kp=0.1cm3/g。

1.3 計(jì)算工況及結(jié)果分析

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，顯然可知衢州為濕潤(rùn)地區(qū)，近50年平均降雨量約為1600mm[5]。半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)分界為400mm，為研究衢州地區(qū)與半干旱地區(qū)填埋場(chǎng)滲濾液運(yùn)移是否存在區(qū)別。下面我們選擇降雨量為1600mm、400mm兩種工況初步探討不同降雨強(qiáng)度條件下土壤中的COD運(yùn)移情況。降雨入滲補(bǔ)給量是淺層地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，考慮到土壤入滲率低，存在蒸發(fā)量等因素，我們?nèi)〗涤耆霛B系數(shù)為0.29[6]。

圖2顯示了降雨量對(duì)填埋場(chǎng)底部土壤中COD運(yùn)移的影響。顯然，填埋場(chǎng)所處位置降雨量與孔隙水流速呈正比例。隨著流速的增加，減少了污染物在土壤中的滯留時(shí)間，達(dá)到濃度預(yù)定值的所需要的時(shí)間越短，這表明流速的增加對(duì)污染物的運(yùn)移有著促進(jìn)作用。經(jīng)過(guò)同樣的時(shí)間，隨著填埋場(chǎng)所處位置降雨量的增大，污染物COD運(yùn)移的范圍越廣，因此衢州對(duì)填埋場(chǎng)的要求高于其他半干旱地區(qū)。計(jì)算的時(shí)間是50年后的COD的濃度變化，說(shuō)明污染物COD的輸運(yùn)過(guò)程是緩慢的，并且填埋場(chǎng)滲濾液污染具有量小，持續(xù)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。如果沒(méi)有對(duì)填埋場(chǎng)進(jìn)行預(yù)防整治，污染物往往慢慢積累擴(kuò)張，在這種輸運(yùn)的持續(xù)影響下，大片的區(qū)域終將受到污染，這顯然是非常不利于地下水環(huán)境的。

我們仔細(xì)分析降雨量為1600mm的數(shù)據(jù)，在豎直方向上，5年后，COD在5.5m處達(dá)到了0.5g/L，而在20年后和50年后分別在15.9m和30.7m處達(dá)到0.5g/L。而在水平方向上，5年、20年及50年后COD濃度達(dá)到0.5g/L的距離分別為4.8m、14.6m和34.2m?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，很明顯滲濾液在水平方向的運(yùn)移是無(wú)法忽略的，從而填埋場(chǎng)選址需要考慮其對(duì)周邊地下水的污染。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，COD 在水平方向上遷移距離隨著土壤埋深增加而增加，這是由于降雨量引起的對(duì)流占據(jù)主導(dǎo)作用。由圖中還可以看出，COD的濃度除了主要集中于一段區(qū)域外，污染物濃度梯度幾乎為0，說(shuō)明污染物的運(yùn)移是比較均勻的。

為考察不同參數(shù)（擴(kuò)散系數(shù)、吸附系數(shù)）對(duì)COD運(yùn)移的影響，分別改變初始參數(shù)，研宄污染物運(yùn)移是否有明顯差異，為以后的填埋場(chǎng)選址以及施工提供有效意見。

選取地下水中的一點(diǎn)A（250，55）監(jiān)測(cè)污染物濃度，該點(diǎn)位于垃圾填埋場(chǎng)的正下方，距離填埋場(chǎng)底部15m。圖3是監(jiān)測(cè)點(diǎn)COD濃度隨時(shí)間的變化圖，當(dāng)COD在土壤中的分子擴(kuò)散系數(shù)增大為5e-10m2/s時(shí)，地下水中COD的濃度幾乎沒(méi)有差別。在豎直方向上，20年后，COD在16m處達(dá)到了0.5g/L，運(yùn)移深度變化量不到1%，說(shuō)明對(duì)于考慮降雨量的填埋場(chǎng)，分子擴(kuò)散系數(shù)對(duì)COD在土壤中運(yùn)移范圍的影響非常小，可以忽略不計(jì)。前面的工況均采用線性吸附模型，為了考察吸附系數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移的影響，取kp=0表示不考慮吸附作用。圖4中kp=0時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度達(dá)到0.5g/L的時(shí)間約為12年，線性吸附模型下需要將近18.5年。同時(shí)分析數(shù)據(jù)的傾斜角度，可以得到kp=0的工況斜率遠(yuǎn)大于線性吸附工況，斜率越大，表示污染物濃度變化的速率越快。這是由于進(jìn)入土壤中的污染物有一部分吸附在土壤顆粒上，從而降低了地下水中的COD濃度變化速率。因此，非吸附性污染物在地下水中的運(yùn)移速率更快，將填埋場(chǎng)建立在吸附性能好的土壤可有效延緩污染物COD在地下水中的運(yùn)移深度。

2 結(jié)論

本文建立了吸附性污染物COD在飽和土壤中輸運(yùn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。數(shù)值模擬了降雨條件下填埋場(chǎng)滲濾液在地下水中的運(yùn)移機(jī)制，結(jié)果表明污染物COD的運(yùn)移是比較均勻的，并且不可忽略其在水平方向上的擴(kuò)張。分析不同參數(shù)對(duì)COD運(yùn)移的影響，首先發(fā)現(xiàn)土壤的擴(kuò)散系數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移范圍影響甚小，對(duì)流占據(jù)主導(dǎo)作用。其次，土壤的吸附系數(shù)對(duì)污染物運(yùn)移具有顯著的影響，因此填埋場(chǎng)選址需靠近吸附性能好的粘性土壤。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張志紅，孫保衛(wèi)，紀(jì)華等.北京地區(qū)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)特性[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（7）：1116-1120.

[2]陳云敏，謝海建，柯瀚，等.層狀土中污染物的一維擴(kuò)散解析解[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（4）：521–524.

[3]黃昕霞，嘉興垃圾填埋場(chǎng)地下水污染狀況及污染物遷移規(guī)律研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2008.

[4]楊春曉，土體分形特征對(duì)垃圾滲濾液中COD遷移的影響研究[D].中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，2015.

[5]錢子立，汪穎俊，方偉.1951—2015年衢州市氣象變化特征分析[J].浙江水利科技.2019.222（2）：27-34.

[6]周旻，靳孟貴，魏秀琴.利用地中滲透儀觀測(cè)資料進(jìn)行降雨入滲補(bǔ)給規(guī)律分析[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2002，21（1）：37-40.