基于Visual Modflow的某生活垃圾填埋場(chǎng)地下水污染物運(yùn)移模擬

邢麗娜

摘 要：針對(duì)生活垃圾填埋場(chǎng)運(yùn)行中面臨的滲濾液泄漏污染地下含水層的潛在威脅，論文通過(guò)概化某生活垃圾填埋場(chǎng)地的水文地質(zhì)物理概念模型，利用Visual Modflow軟件對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行建模和擬合調(diào)參，預(yù)測(cè)了滲濾液發(fā)生泄漏后20年特征污染物NH3-N在含水層中的運(yùn)移規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)：在水平方向上，污染物隨水流方向不斷擴(kuò)散，污染面積不斷加大，污染速率呈先增長(zhǎng)較快后逐漸變緩慢的趨勢(shì)，污染濃度由滲漏中心向周?chē)f減，污染物在20年內(nèi)向下游地區(qū)運(yùn)移時(shí)所到達(dá)的最遠(yuǎn)污染距離為841.3m，受污染區(qū)域面積最大為0.243km2;在垂向上，由于存在第3、5、7層為弱透水層的阻隔作用，雖隨著時(shí)間推移，污染物不斷向下擴(kuò)散，但研究周期內(nèi)在污染物到達(dá)模型底板時(shí)，特征污染物的濃度均小于1.5mg/L，由此可見(jiàn)特征污染物不會(huì)滲入深部含水層。

關(guān)鍵詞：Visual Modflow;生活垃圾填埋場(chǎng);污染物運(yùn)移;地下水

Abstract： In view of the potential threat of the leaked leachate contaminating underground aquifers during the operation of domestic waste landfills， this paper generalizes the hydrogeological and physical conceptual model of a domestic waste landfill site and uses Visual Modflow software to model and fit the parameters， and uses the fitted model to simulate and predict the migration rule of the characteristic pollutant NH3-N in the aquifer for 20 years after the leakage of the leachate. The simulation found that in the horizontal direction， the pollutants continued to diffuse along the direction of the water flow， and the pollution area continued to increase. The pollution rate showed a trend of increasing faster and then gradually slowing down. The concentration of pollution gradually decreased from the leakage center to the surroundings. When pollutants are transported to the downstream area within 20 years， the longest pollutant distance reached 841.3m， and the maximum area of the polluted area was 0.243 km2. In the vertical direction， due to the existence of the barrier effect of the third， fifth， and seventh layers as weak permeable layers， although pollutants continued to diffuse downward over time， the concentration of characteristic pollutants had less than 1.5 mg/L when the pollutants reach the model floor during the study period， so it can be seen that the characteristic pollutants will not penetrate into the deep aquifer.

Keywords： Visual Modflow; Domestic waste landfill site; Pollutant transport; Groundwater

0 前言

在過(guò)去幾十年里，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了前所未有的發(fā)展，伴隨而來(lái)的地下水污染問(wèn)題也受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于地表水污染日益嚴(yán)重，地下水作為重要的自然資源，在人們生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，地下水環(huán)境惡化成為我國(guó)面臨的嚴(yán)重環(huán)境污染問(wèn)題之一。由于地下水污染具有隱蔽性、難以逆轉(zhuǎn)性的特點(diǎn)，地下水污染防治工作已引起高度重視。而地下水污染防治的關(guān)鍵問(wèn)題是掌握污染物在地下水中的運(yùn)移情況。地下水的管理、開(kāi)采與保護(hù)也需要有合理具體的規(guī)劃來(lái)進(jìn)行，因此運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件來(lái)模擬研究區(qū)域的水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)及變化規(guī)律可以為區(qū)域整體地下水的管理以及后續(xù)的開(kāi)采與保護(hù)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐（王慶永等，2007）。研究污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律，對(duì)保護(hù)地下水環(huán)境具有重要的理論意義和利用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)污染物在地下水中的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，常用的模擬軟件有Visual MODFLOW，GMS軟件的MODF-LOW和MT3D模塊等。

隨著人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，垃圾的產(chǎn)生量也在不斷增長(zhǎng)（侯濤，2018），相關(guān)研究表明：80%的國(guó)家存在著生活垃圾造成地下水污染的問(wèn)題，垃圾填埋場(chǎng)主要產(chǎn)出滲濾液，其中含有CODCr、NH3-N等污染因子，在垃圾填埋場(chǎng)防護(hù)措施不當(dāng)或產(chǎn)生一定程度破損時(shí)會(huì)引起含一定量滲濾液的污水滲入地下水系統(tǒng)中。地下水污染進(jìn)程具有污染緩慢型和隱蔽性，滲濾液持續(xù)泄露可能形成難以治理的地下水污染情況。由于地下水一旦被污染便極難治理（薛丹等，2017），所以如果生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液一旦發(fā)生滲漏而沒(méi)有及時(shí)處理，則會(huì)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果（洪梅等，2011）。本文以河北省某生活垃圾填埋場(chǎng)為例，利用Visual Modflow進(jìn)行非正常工況下的地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬，所得結(jié)果可為該生活垃圾填埋場(chǎng)及其周邊的地下水污染防治提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于燕山臺(tái)褶帶的西部，Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元寶坻凸起的西部，第四系沉積物主要由潮白河沖積物組成，巖性以粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、中砂、細(xì)砂為主，總厚度約430m，由老至新時(shí)代為Q1-Q4。

區(qū)域內(nèi)距離生活垃圾填埋場(chǎng)最近的地表水體為東北方向約3km處的潮白新河，其他水渠均為人工開(kāi)挖平時(shí)與周?chē)叵滤疅o(wú)水力聯(lián)系。由于研究區(qū)域地下水流向?yàn)槲鞅毕驏|南流動(dòng)，而且地下水污染進(jìn)程緩慢，本次模擬地表水體的影響不作考慮。

該填埋場(chǎng)為正規(guī)生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，在建設(shè)時(shí)采用了水平復(fù)合防滲（1.5mm厚HDPE土工膜+1.0m厚黏土結(jié)構(gòu)），并在場(chǎng)底實(shí)施了滲瀝液導(dǎo)排措施，收集后滲瀝液進(jìn)入調(diào)節(jié)池后提升至滲瀝液處理站進(jìn)行處理，于2010年3月建成使用。原設(shè)計(jì)滲瀝液處理工藝為“碟管式反滲透法”，處理規(guī)模為50t/d，設(shè)備老化嚴(yán)重，處理能力偏低，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，于2016年年底停止運(yùn)行，滲瀝液暫存于調(diào)節(jié)池內(nèi)。環(huán)保督察兩次對(duì)該填埋場(chǎng)提出了整改意見(jiàn)，整改問(wèn)題包括設(shè)置填埋氣收集及處理系統(tǒng)，設(shè)置滲瀝液收集及處理系統(tǒng)，對(duì)大氣和地下水污染采取解決措施等。

2 模型的建立與校正

2.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)勘察資料，研究區(qū)第四系含水層主要分布在河沖洪積扇的中部和下部、潮白河沖洪積扇的下部潮白河與河的扇間地帶，按照水文地質(zhì)條件的差異分為：Ⅰ區(qū)、河沖洪積扇水文地質(zhì)區(qū);Ⅱ區(qū)、潮白河與河扇間水文地質(zhì)區(qū);Ⅲ區(qū)、潮白河沖洪積扇水文地質(zhì)區(qū)。

第四系孔隙含水層在該區(qū)從上到下依次可分為4個(gè)含水組（圖1）。

第Ⅰ含水組：埋深0～40m。含水砂層厚 13～25m;巖性為粉細(xì)砂、中砂、含礫粗砂。單位涌水量1～3m3/h·m。水化學(xué)類型為 HCO3-Ca-Na型，礦化度0.3～0.8g/L。

第Ⅱ含水層組：埋深40～100m。含水沙層厚13～25m;巖性為中粗砂、含礫粗砂，夾薄層砂礫石。單位涌水量3～15m3/h·m。水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，礦化度0.5～0.7g/L。

第Ⅲ含水層組：埋深 100～180m，含水砂層厚 52～70m;巖性以粗砂卵礫石為主，夾薄層中粗砂層和含礫亞砂土，單位涌水量為18～60m3/h·m，最大可達(dá)70～115m3/h·m以上。水化學(xué)類型為 HCO3-Ca-Mg型，礦化度為0.3～0.5g/L。該含水層組水量大，水質(zhì)好，為本區(qū)供水的主力含水層。鍶元素含量達(dá)0.5～1.1mg/L，一般均能達(dá)到天然飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)。該地區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式飲用水均開(kāi)采此層地下水作為供水水源。

第Ⅳ含水組：埋深180～320m，含水砂礫石層厚100～150m;巖性以粗砂卵礫石為主，夾薄層中細(xì)砂和含礫亞砂土、亞黏土。單位涌水量40～80m3/h·m，水化學(xué)類型為HCO3-Ca-Na型，礦化度0.5～0.7g/L。第四系孔隙含水層從北向南，即從河洪積扇的上部至中部再到?jīng)_洪積扇下部地區(qū)，含水層巖性由粗變細(xì)，即由粗砂卵礫石、到含砂中粗砂，富水性由大變小，含水層之間出現(xiàn)較為穩(wěn)定的亞黏土、黏土隔水層，從而使各含水組之間的水力聯(lián)系由好逐漸變得較差。第Ⅰ含水組為潛水，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組為承壓水。根據(jù)開(kāi)采條件將第Ⅰ、Ⅱ含水組劃為淺層地下水，第Ⅲ、Ⅳ含水組劃為深層地下水。

垃圾填埋場(chǎng)附近地層以粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂為主要巖性（圖2），其中包氣帶巖性以粉土及粉質(zhì)黏土為主，在垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)穩(wěn)定存在，根據(jù)地勘報(bào)告該地區(qū)地下水水位埋深在7～8m左右，包氣帶主要以粉質(zhì)黏土層為主，厚度在4.6m以上，因此包氣帶有一定的防護(hù)能力。

本次模擬區(qū)域埋深約40.00m深度范圍內(nèi)，屬于第四系第Ⅰ含水組，其平面初始流場(chǎng)如圖3所示，由于研究區(qū)域與地表水體無(wú)直接水力聯(lián)系，而且研究區(qū)域及其周邊地勢(shì)平坦無(wú)明顯分水嶺，按照地表分水嶺劃分水文地質(zhì)單元原則，可知模擬區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)完整的水文地質(zhì)單元。模擬區(qū)域地下水一般年變幅在0.50～1.00m左右，且多年來(lái)地下水位變化穩(wěn)定，因此區(qū)域地下水可概化為非均質(zhì)各向異性的潛水含水層。

根據(jù)勘察資料，模擬區(qū)域埋深約40.00m深度范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為7層，自上而下分別為人工填土層（Qml）、全新統(tǒng)上組陸相沖積層（Q43al）、全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）、全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q41al）、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（Q3eal）、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層（Q3dmc）、上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層（Q3cal）。除人工填土層外，其他地基土層水平方向上土質(zhì)均勻，且分布穩(wěn)定。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB5048-2008）附錄F及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合各層土性質(zhì)，劃分研究層并得出相應(yīng)的滲透系數(shù)（表1）。

生活垃圾填埋場(chǎng)污染物監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備還不夠完善，因此本次模擬是假設(shè)垃圾滲濾液發(fā)生滲漏而未被發(fā)現(xiàn)的情況下，污染物的運(yùn)移規(guī)律及對(duì)地下水造成的影響。通過(guò)對(duì)生活垃圾填埋場(chǎng)場(chǎng)地資料的分析，將滲濾液收集處理站設(shè)置為滲漏區(qū)域。

由于模擬區(qū)域不存在明顯天然邊界，需要人為地劃分區(qū)域邊界。地下水分水嶺與流線均可作為隔水邊界，因此將垂直于等水位線的邊界即東北部邊界與西南部邊界設(shè)置為隔水邊界，其余邊界設(shè)置為側(cè)向補(bǔ)給邊界。

2.2地下水流數(shù)學(xué)模型

由于模型模擬的含水層屬潛水類型，主要由大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄，因此地下水流數(shù)學(xué)模型應(yīng)建立為（張人權(quán)等，2011）：

式中：Kx，Ky為x，y方向上的滲透系數(shù)，單位m/d;H為地下水位標(biāo)高，單位m;h為含水層厚度，單位m;μ為潛水含水層重力給水度;Ω為滲流區(qū)域;Г1為滲流區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給邊界;Г2為滲流區(qū)的隔水邊界;q（x，y，t）為定義的含水層Г1邊界單位面積流量，單位m3/m2·d。

2.3 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

考慮污染物在含水層中的交換、吸附、遷移與生物化學(xué)反應(yīng)的地下水溶質(zhì)運(yùn)移的三維流動(dòng)數(shù)學(xué)模型可表示為（李巍等，2019;趙貝等，2015）：

式中：C為模擬污染質(zhì)的濃度，單位mg/L;ne為有效孔隙度;t為時(shí)間，單位s;xi或xj為在直角坐標(biāo)系下沿各方向上的距離，單位m;Vi為滲透速度，單位m/d;C'為源匯的污染質(zhì)濃度，單位mg/L;W為源匯單位面積上的通量;∑Rn為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng);αjmn為含水層的彌散度;Vm，Vn為m和n方向上的速度分量;|V |為速度模;Ω為研究區(qū)。

在利用Visual Modflow進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)，需要選擇具體的污染指標(biāo)并在模型中賦初始濃度值來(lái)進(jìn)行模擬。由于氨氮是限制污染排放政策文件中的約束性指標(biāo)（饒磊，2018），且垃圾滲濾液中氨氮超標(biāo)倍數(shù)要高于其他污染物，因此本次模擬選用氨氮作為特征污染物進(jìn)行運(yùn)移。生活垃圾填埋場(chǎng)污染物監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備還不夠完善，因此本次模擬是假設(shè)垃圾滲濾液發(fā)生滲漏而未被發(fā)現(xiàn)的情況下，污染物的運(yùn)移規(guī)律及對(duì)地下水造成的影響。通過(guò)對(duì)生活垃圾填埋場(chǎng)場(chǎng)地資料的分析，將滲濾液收集處理站設(shè)置為滲漏區(qū)域。模擬時(shí)間設(shè)為20年（7300天），污染物初始濃度設(shè)置為未處理垃圾滲濾液中氨氮的濃度1200mg/L。

2.4 模型的擬合校驗(yàn)

模型的擬合校驗(yàn)是地下水流數(shù)值模擬中極為重要的一步，只有在與實(shí)際擬合良好的基礎(chǔ)上，才能保證模擬出的結(jié)果是真實(shí)可靠的。地下水流數(shù)值模擬的擬合校驗(yàn)一般均為通過(guò)比較計(jì)算值與觀測(cè)值的擬合情況，不斷調(diào)整含水層滲透系數(shù)、給水度等水文地質(zhì)參數(shù)，以使模型模擬情況與實(shí)際情況相吻合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本次模型識(shí)別采用試估-校正法，該方法是反求參數(shù)的間接方法中的一種（黃一帆，2014）。模擬區(qū)域已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示：

由圖4可以看出模型計(jì)算水位與實(shí)際監(jiān)測(cè)水位的擬合結(jié)果，由于前期收集的監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，因此可以得出模型模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。其中誤差最小的為12#井，僅為0.06m;誤差最大的25#井也只有0.55m，基本符合精度要求。

3 模擬結(jié)果分析

利用已經(jīng)擬合校正完成的地下水流溶質(zhì)運(yùn)移模型，對(duì)特征污染物NH3-N在地下水中的運(yùn)移進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬其在20年內(nèi)的運(yùn)移趨勢(shì)。模型設(shè)置以730d、1460d、2190d、2920d、3650d、7300d為輸出時(shí)長(zhǎng)，選擇模型第一層輸出污染物平面運(yùn)移結(jié)果（圖5），以滲漏區(qū)域東南處（模型第21列）剖面輸出污染物垂向運(yùn)移結(jié)果（圖6）。

3.1污染物水平方向運(yùn)移結(jié)果

通過(guò)模型計(jì)算所得的污染物運(yùn)移方向平面圖（圖5）可以得知，污染物隨著水流向下游地區(qū)逐漸擴(kuò)散。隨著時(shí)間的推移，污染面積逐漸加大，但是污染速率呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)較快后逐漸變緩慢的趨勢(shì)。污染物濃度在擴(kuò)散過(guò)程中由于周?chē)叵滤膶?duì)流作用也在不斷降低，但隨著污染物的不斷擴(kuò)散，下游地區(qū)受污染程度也在不斷加重。模型運(yùn)行結(jié)果顯示，在730d時(shí)污染羽中心區(qū)域濃度為323.5mg/L，受污染區(qū)域面積為0.047km2，污染物向下游地區(qū)運(yùn)移時(shí)所到達(dá)的最遠(yuǎn)污染距離為295.5m;在3650d時(shí)污染羽中心區(qū)域濃度為923.4mg/L，受污染區(qū)域面積為0.174km2，污染物向下游地區(qū)運(yùn)移時(shí)所到達(dá)的最遠(yuǎn)污染距離為612.7m;在7300d時(shí)污染羽中心區(qū)域濃度為957.2mg/L，受污染區(qū)域面積為0.243km2，污染物到達(dá)的最遠(yuǎn)污染距離為841.3m。

3.2污染物垂直方向運(yùn)移結(jié)果

通過(guò)污染物運(yùn)移剖面圖（模型第21列）可以得知（圖6），污染物在不同時(shí)間垂向上的運(yùn)移趨勢(shì)。隨著時(shí)間的推移，污染物污染層位逐漸向下延伸。由于全新統(tǒng)下組陸相沖積層下段、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層上段與上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層為弱透水層，有效地減緩了污染物繼續(xù)向下運(yùn)移的趨勢(shì)。模型模擬結(jié)果顯示，在第730d時(shí)污染物在垂向上所到達(dá)的最遠(yuǎn)距離為28.8m;在第3650d時(shí)污染物已到達(dá)模型底板，此時(shí)底板處污染物濃度為大于0.5mg/L但小于1mg/L;在7300d時(shí)，底板處污染物濃度為大于1mg/L但小于1.5mg/L。由于研究區(qū)域鉆孔資料有限，因此本次建立模型所模擬的地層厚度僅為40m。由于當(dāng)污染物運(yùn)移到模型底板時(shí)污染物最大濃度不超過(guò)1.5mg/L，而且該地區(qū)深部含水層頂板標(biāo)高約在地表以下300m處，因此推斷污染物只會(huì)污染淺層地下水不會(huì)污染深部含水層。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)利用Visual Modflow對(duì)河北省某生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬，預(yù)測(cè)污染物在平面上的污染趨勢(shì)與垂向上的污染深度，對(duì)未污染區(qū)域提出預(yù)防措施，為已污染地區(qū)的治理提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）污染物在水平方向上隨水流方向不斷擴(kuò)散，污染面積不斷加大，污染速率呈先增長(zhǎng)較快后逐漸變緩慢的趨勢(shì)，污染濃度由滲漏中心向周?chē)f減，污染物在20年內(nèi)向下游地區(qū)運(yùn)移時(shí)所到達(dá)的最遠(yuǎn)污染距離為841.3m，受污染區(qū)域面積最大為0.243km2。

（3）污染物在垂向上隨著時(shí)間的推移不斷向下擴(kuò)散，由于模型的第3、5、7層為弱透水層，可以有效阻隔污染物繼續(xù)污染下部含水層，污染物運(yùn)移到達(dá)模型底板時(shí)的最大濃度不超過(guò)1.5mg/L，因此污染物只會(huì)污染淺層地下水，不會(huì)污染到深部含水層。

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