鎮(zhèn)江新區(qū)垃圾填埋場地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

馬敏杰，付樂意，譚 燕

(1. 國家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650216；2. 江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001)

0 引言

地下水作為重要的供水水源和生態(tài)系統(tǒng)的重要支撐，是維系水系統(tǒng)良性循環(huán)的重要保障，是不可或缺的寶貴資源，在我國總的水資源中占有舉足輕重的地位[1]。除了礦山會(huì)造成地下水污染外[2]，近年來，隨著城市人口日愈密集，生活垃圾填埋處理問題不容忽視。垃圾衛(wèi)生填埋場填埋階段以及封場后所產(chǎn)生垃圾滲濾液下滲會(huì)造成十分嚴(yán)重的地下水污染問題[3-4]。地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型可模擬污染物遷移規(guī)律、預(yù)測污染范圍及污染物濃度分布情況，為地下水水質(zhì)、水量管理和地下水污染修復(fù)等提供技術(shù)參考[5-7]。本文以鎮(zhèn)江新區(qū)垃圾填埋場為例，通過對填埋場的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，研究分析地下水流場演變趨勢，討論污染物的來源、遷移和空間分布規(guī)律，為鎮(zhèn)江新區(qū)修復(fù)已泄漏污染的地下水區(qū)域提供參考依據(jù)[8]。對區(qū)域地下水環(huán)境的控制和保護(hù)具有重要意義[9]。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)現(xiàn)狀

鎮(zhèn)江新區(qū)固廢處置有限公司固廢填埋場，位于鎮(zhèn)江新區(qū)背頂山南翼采石宕口。連續(xù)強(qiáng)降雨導(dǎo)致地下水位急劇升高，填埋場基坑?xùn)|側(cè)防水帷幕側(cè)壁發(fā)生鼓脹破壞現(xiàn)象，填埋場內(nèi)地下水位快速上升，導(dǎo)致填埋場被淹沒，水位高于廢棄物表面3.0 m，導(dǎo)致滲濾液和地下水混合，地下水受到污染。此后，由于主、次防滲膜滲漏導(dǎo)致地下水井、滲濾液井、檢測井井內(nèi)水位基本相同。前庫區(qū)地下水水位高程基本穩(wěn)定在11.36～11.95 m之間。

1.2 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)地處寧鎮(zhèn)山脈東端的低山丘陵地區(qū)，屬丘陵—崗地地貌單元，地勢西高東低，南北兩側(cè)高，其間為山谷。南側(cè)為大山，原最大高程為81.4 m，北側(cè)為背頂山，原最大高程為81.6 m，東側(cè)崗地高程為15～20 m，西側(cè)崗地高程為20～40 m(圖1)。北側(cè)因礦山露天開采形成礦坑，坑內(nèi)常年積水，無法疏干，現(xiàn)水面高程為11 m。研究區(qū)位于長江下游鎮(zhèn)揚(yáng)河段南岸，降雨充沛，年平均降雨量為1074.1 mm，年平均降雨天數(shù)為123 d，年最大降雨量為1602.1 mm，日最大降雨量為262.5 mm(1972年7月3日)，雨量集中在6月、7月、8月，降雨量占全年的50%；年最大蒸發(fā)量為1175.9 mm最小蒸發(fā)量為847 mm平均蒸發(fā)量為1276.7 mm。

圖1 庫區(qū)水文工程地質(zhì)圖Fig.1 Hydrological engineering and geological map of the reservoir area1—上更新統(tǒng)下蜀組 2—上震旦統(tǒng)陡山沱組 3—上震旦統(tǒng)燈影組白云巖 4—地質(zhì)界線 5—松散巖類孔隙水，單井涌水量<10 t/日 6—碳酸巖裂隙水，單井涌水量100～1000 t/日 7—觀測孔及編號(hào) 8—積水采坑 9—兩側(cè)沖水?dāng)嗔?10—鉆孔及編號(hào) 11—匯水區(qū)界線 12—地下水流向

本區(qū)位于糧山—橫山復(fù)式背斜的南翼。該復(fù)式背斜由一系列平行的背斜與向斜構(gòu)成，呈NEE走向，自糧山經(jīng)青龍山、觀音山東延至橫山南，全長12 km，寬2～5 km，褶皺軸面向北西傾斜，向南東倒轉(zhuǎn)背斜較禁閉，向斜寬緩。庫區(qū)發(fā)育有兩條近SN走向的平移斷層，其中F1斷層穿越庫區(qū)及背部積水采坑，延伸約470 m，寬60～75 m，破碎帶巖性以大理巖為主，透水性良好。F2斷層位于庫區(qū)西側(cè)，走向315°，寬約50 m，延伸約160 m，破碎帶富水且透水性良好。兩條斷層均對地下水徑流無影響。

地層主要由上震旦統(tǒng)組成，西端為侵入巖占據(jù)，東端為早白堊世火山巖所覆蓋。背斜核部地層為上震旦統(tǒng)陡山沱組上段薄層灰?guī)r(Z2d2)，向斜核部地層為上震旦統(tǒng)燈影組白云巖(Z2dn)，裂隙巖溶發(fā)育一般，為區(qū)域內(nèi)中等富水巖組。上更新統(tǒng)下蜀組粉質(zhì)黏土(Qp3x)分布于山體周邊低洼地段，主要由棕紅色粉質(zhì)黏土組成，有少量孔隙水分布，可視為隔水巖組。

2 模型建立

2.1 邊界條件與概念模型

根據(jù)地層巖性及地下水的賦存條件、水力聯(lián)系和水動(dòng)力特征，將研究區(qū)概化為一個(gè)封閉的水文地質(zhì)單元，震旦系巖溶含水層為主要含水層，層厚200～500 m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，研究區(qū)下游為EW走向積水采坑，也為研究區(qū)北側(cè)地下水的排泄基準(zhǔn)，故將其設(shè)為第三類邊界。東西兩側(cè)出露地層為第四系松散層，以粉質(zhì)黏土為主，賦水性較弱，透水性較差，為相對隔水層。受地質(zhì)構(gòu)造及其伴生構(gòu)造影響，使得研究區(qū)南側(cè)地表分水嶺近EW走向，地表分水嶺兩側(cè)的降水分別補(bǔ)給兩側(cè)地下水，地表分水嶺與地下分水嶺基本一致，因而將研究區(qū)南側(cè)地表分水嶺概化為該模型的隔水邊界。研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流，總面積0.72 km2。

2.2 研究區(qū)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)已建立的水文地質(zhì)概念模型，建立研究區(qū)地下水各向異性三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，即公式(1)：

(1)

其中：Kxx為x方向滲透系數(shù)主值、Kyy為y方向滲透系數(shù)主值、Kzz為z方向滲透系數(shù)主值，m/d；H為承壓含水層水頭，m。H(x，y，z，t)表示三維條件下邊界段上Si點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭，φi(x，y，z，t)是Si上的已知函數(shù)。n為邊界Si的外法線方向。qi為已知函數(shù)，表示Si上單位面積的側(cè)向補(bǔ)給量。α、β為已知函數(shù)。

溶解在地下水中的物質(zhì)，順地下水流運(yùn)移的規(guī)律可以用公式(2)進(jìn)行描述：

(2)

其中：Dxx為縱向彌散系數(shù)主值、Dyy為橫向彌散系數(shù)主值，Dzz為橫向彌散系數(shù)主值；c為溶質(zhì)濃度，mol/l；u為實(shí)際平均流速，m/d。

c(x，y，0)=c0(x，y)(x，y)∈Ω，t=0 ；

(cv-Dgradc)·n∣Γ=φ(x，y，t)(x，y)∈Γ2，

t≥0。

其中：Ω為溶質(zhì)滲流的區(qū)域；Γ2為二類邊界；c0為初始濃度；φ為邊界溶質(zhì)通量。

2.3 源匯項(xiàng)

補(bǔ)給項(xiàng)：本區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降雨，其富集、運(yùn)移主要受地形地貌、地層巖性及所處的構(gòu)造部位所控制，統(tǒng)計(jì)鎮(zhèn)江地區(qū)相關(guān)氣象資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)啬昃邓考s為1900 mm/a。除此外，受地形和場地內(nèi)兩條透水?dāng)鄬佑绊?，周邊地下水可能?huì)向研究區(qū)內(nèi)匯集，但地下水補(bǔ)給來源主要為降雨入滲補(bǔ)給。研究區(qū)地層為震旦系燈影組及陡山沱組，巖性為碳酸鹽巖，區(qū)內(nèi)地表巖溶發(fā)育，落水洞存在，因此降雨入滲系數(shù)選用區(qū)域最大值0.3，當(dāng)?shù)氐慕邓a(bǔ)給地下水的量為0.0015 m/d。

排泄項(xiàng)：礦山開采導(dǎo)致庫區(qū)北部形成大面積的積水采坑，坑內(nèi)水位高程常年不變，且低于庫區(qū)最低高程，坑內(nèi)積水無法疏干，地下水由南西向北東流動(dòng)，因此，將庫區(qū)北部積水采坑作為模型的最低排泄基準(zhǔn)面。在模型建立時(shí)也將區(qū)內(nèi)的上升泉點(diǎn)作為模型的排泄項(xiàng)。

2.4 參數(shù)分區(qū)與取值

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)圖、構(gòu)造地質(zhì)圖所獲得的地層巖性信息，構(gòu)造發(fā)育狀況，庫區(qū)抽(注)水試驗(yàn)及已掌握的水文地質(zhì)資料，將研究區(qū)滲透系數(shù)分為12個(gè)主區(qū)(圖2)。依據(jù)測量的裂隙計(jì)算所得的滲透張量主值之間存在線性關(guān)系，通過線性回歸分析，滲透橢球體在水平面短軸(Ky)和長軸(Kx)存在一定的線性關(guān)系，為Ky=0.3015Kx。故滲透系數(shù)按滲透主軸向分為Kx、Ky分別賦值(表1)。根據(jù)收集資料，前人已在研究區(qū)做過較多工作，參考同一套巖性地層內(nèi)做過的抽水試驗(yàn)和彌散試驗(yàn)，通過類比分析，在前人研究基礎(chǔ)上取經(jīng)驗(yàn)值作為研究區(qū)垂向上滲透系數(shù)和彌散系數(shù)。

圖2 滲透系數(shù)分區(qū)圖Fig.2 Partition map of permeability coefficient

表1 各主區(qū)滲透系數(shù)Table 1 Permeability coefficients of each main area

彌散度室內(nèi)測定值不適用于大范圍的研究區(qū)污染物彌散數(shù)值模擬[10]。因此，縱向彌散度應(yīng)參考前人在該場地得出的研究成果[11]，根據(jù)研究區(qū)附近試驗(yàn)資料，計(jì)算縱向彌散度與觀測尺度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并按照偏保守評(píng)價(jià)原則取值，縱向彌散度取值48.375 m，橫向彌散度為縱向彌散度的10%。查閱已有的研究區(qū)研究成果資料，確定研究區(qū)巖體平均孔隙度為0.30。

2.5 模型建立與識(shí)別

2.5.1 模型建立

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查資料，整個(gè)水文地質(zhì)單元內(nèi)沒有大型水源地或其他用途抽水井，地下水補(bǔ)徑排系統(tǒng)人為干擾較小，仍處于天然狀態(tài)下，因此本模型建立時(shí)，采用潛水含水層三維穩(wěn)定流來模擬地下水流場，地形高程以2D散點(diǎn)方式輸入模型，然后用IDW插值法對其賦值(圖3)[11-12]。

圖3 研究區(qū)地下水穩(wěn)定流流場Fig.3 Groundwater steady flow field of the study area

2.5.2 模型擬合

在GMS7.1軟件中觀測孔數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算數(shù)據(jù)的關(guān)系見圖4。如果觀測值與計(jì)算值的差在校核置信范圍內(nèi)，誤差棒會(huì)顯示為綠色；如果超出校核置信范圍，但小于200%，誤差棒會(huì)顯示為黃色；如果超出200%以上，誤差棒會(huì)顯示為紅色。

圖4 誤差棒示意圖Fig.4 Schematic diagram of error bar

本次建立模型用垃圾填埋場庫區(qū)周圍所設(shè)的ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共6口地下水監(jiān)測井所測得地下水位作為穩(wěn)定流地下水流場的校準(zhǔn)依據(jù)。通過合理調(diào)參的方式使模型盡可能接近真實(shí)的地下水位值，使模型能夠真實(shí)有效的模擬地下水流場現(xiàn)狀。模型模擬結(jié)果見圖3，各個(gè)觀測孔處計(jì)算水位均在設(shè)定誤差范圍內(nèi)(表2)。

模型的計(jì)算水位與觀測水位都在設(shè)定誤差內(nèi)，該模型基本能反映相應(yīng)條件下的地下水流場，所建模型合理可信。由模型可知地下水整體從南流向北東。

3 污染物遷移規(guī)律與濃度變化預(yù)測

3.1 污染物類型與源強(qiáng)設(shè)定

降雨導(dǎo)致填埋場東側(cè)防水帷幕側(cè)壁發(fā)生鼓脹破壞，地下水涌入基坑，與滲漏液發(fā)生混合，污染物通過地下水運(yùn)移通道進(jìn)入含水層，從而污染地下水。垃圾填埋場普遍性污染物有主要有氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、總硬度、氯化物、鐵、錳和揮發(fā)酚等，根據(jù)已掌握的數(shù)據(jù)資料顯示，滲漏夜中濃度最高，危害最大的污染物為硝酸鹽，根據(jù)危害性最大原則，污染物擴(kuò)散最遠(yuǎn)可能性分析思路，在不考慮吸附和生化作用下，本次模擬采用硝酸鹽作為污染特征因子預(yù)測其遷移規(guī)律及濃度變化。根據(jù)已掌握的資料，庫區(qū)基坑涌水量約4600 m3/d(中心降深2.4 m)，硝酸鹽濃度1.236 g/L。模型考慮庫區(qū)防滲膜破裂后污染物穿透第四系黏土層進(jìn)入含水層中。模型假設(shè)涌入庫區(qū)的水與垃圾均勻混合被污染成為垃圾滲漏液，共設(shè)置兩種場景，垃圾滲漏液泄漏總量分別為污水總量的1%和2%，對應(yīng)流量為46 m3/d和92 m3/d。庫區(qū)只有東側(cè)防水帷幕壁發(fā)生破壞，故將泄漏方式設(shè)為點(diǎn)源污染，泄漏中心為庫區(qū)東側(cè)防滲膜破壞處，泄漏點(diǎn)硝酸鹽初始濃度為1.236 g/L。垃圾填埋場一般半年對所有設(shè)施檢修一次，即防水帷幕破壞后180 d內(nèi)被修復(fù)，假設(shè)防滲膜修復(fù)后污染物不再向外泄漏，即污染物持續(xù)泄漏180 d后切斷污染源，模擬剩余污染物在含水層中運(yùn)移及濃度變化情況。本次模擬時(shí)長1500 d，模擬不同濃度滲漏液運(yùn)移到庫區(qū)外ZK2時(shí)所需時(shí)長。模擬不考慮污染物的吸附、反應(yīng)、衰減等過程。

3.2 污染物運(yùn)移模擬結(jié)果分析

1)以46 m3/d(1%)的流量泄漏模擬結(jié)果

垃圾滲漏液以46 m3/d流量持續(xù)泄漏180 d后，泄漏區(qū)中心濃度約為482.94 mg/L。由圖5可見，正方形網(wǎng)格邊長為20 cm，垃圾滲漏液持續(xù)泄漏180 d后污染物往外擴(kuò)散了約40 m。參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GBT 14848-2017》三類地下水標(biāo)準(zhǔn)，硝酸鹽濃度限值為20 mg/L，故將模型污染羽最小顯示范圍調(diào)成20 mg/L。

圖5 1%硝酸鹽滲漏180 d污染羽Fig.5 The pollution plume of 1% nitrate leakage for 180 days

污染物持續(xù)泄漏180 d后，防滲膜被修復(fù)，地表污染源被切斷，污染物不再進(jìn)入地下水，含水層中殘留的硝酸鹽會(huì)隨著地下水流發(fā)生回滿遷移和稀釋。切斷污染源后殘留污染物在含水層中運(yùn)移100 d時(shí)，污染羽逐漸向下游擴(kuò)散，污染中心向下游遷移約10 m，污染羽中心濃度為278.29 mg/L(圖6a)。污染物遷移500 d時(shí)，污染羽中心濃度下降為98.24 mg/L，前緣濃度為18.34 mg/L。污染羽逐漸向下游(ZK2方向)緩慢移動(dòng)，移動(dòng)距離約為30 m，污染面積在逐漸擴(kuò)大(圖6b)。

圖6 1%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移100～3000 d模擬結(jié)果圖Fig.6 Simulation result map of residual nitrate migration with 1% leakage in 100-3000 days

當(dāng)殘留污染物運(yùn)移1300 d時(shí)，污染羽到達(dá)填埋場下游邊緣ZK2處，污染羽開始向填埋場外遷移，此時(shí)污染羽中心濃度為47.61 mg/L，前緣濃度13.02 mg/L，且污染面積達(dá)到最大(圖6c)。運(yùn)移3000 d時(shí)污染羽面積最小，整體濃度為20.20 mg/L，污染物遷移到了場區(qū)下游68 m處(圖6d)。根據(jù)殘留在含水層中的污染物隨著遷移時(shí)間濃度逐漸減小的趨勢，約3020 d時(shí)，污染物在地下水中的濃度將小于20 mg/L。

2)以92 m3/d(2%)的流量泄漏模擬結(jié)果

泄漏量為2%的情況，污染物同樣持續(xù)泄漏180 d時(shí)，污染羽中心濃度為712.10 mg/L，污染羽向下游(ZK2方向)擴(kuò)展35 m。參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GBT 14848-2017》三類地下水標(biāo)準(zhǔn)，大于20 mg/L污染范圍及濃度見圖7。

圖7 2%硝酸鹽滲漏180 d污染羽Fig.7 The pollution plume of 2% nitrate leakage for 180 days

硝酸鹽以2%的量持續(xù)泄漏180 d后切斷污染源，剩余污染物在地下水中隨著水流運(yùn)移。切斷污染源后殘余硝酸鹽運(yùn)移100 d時(shí)，污染羽逐漸向下游ZK2方向移動(dòng)約25 m，中心濃度為303.83 mg/L，前緣濃度為18.92 mg/L，污染羽的面積在逐漸擴(kuò)大(圖8a)。當(dāng)殘余污染物在地下水中運(yùn)移500 d時(shí)，污染羽的面積在逐漸增大，形狀呈橢圓形。此時(shí)污染羽中心濃度為121.28 mg/L，前緣濃度為19.91 mg/L，污染羽仍在垃圾填埋場廠區(qū)范圍內(nèi)(圖8b)。

殘余硝酸鹽在地下水中運(yùn)移1000 d時(shí)，垃圾填埋場北部邊緣ZK2處開始遭受污染，污染羽前緣已經(jīng)沒過ZK2。此時(shí)污染羽中心濃度為72.63 mg/L，前緣濃度為17.39 mg/L，污染羽面積不再擴(kuò)大，污染中心逐漸向下游ZK2方向移動(dòng)(圖8c)。殘余污染物運(yùn)移3500 d時(shí)，污染面積最小，污染物運(yùn)移到了下游距離ZK2 大約142 m處，此時(shí)污染羽平均濃度為20.24 mg/L(圖8d)。根據(jù)殘余硝酸鹽在含水層中隨地下水運(yùn)移濃度逐漸減小的趨勢，預(yù)計(jì)3550 d時(shí)污染物濃度將小于20 mg/L。

圖8 2%滲漏量殘留硝酸鹽運(yùn)移100～3500 d示意圖Fig.8 Simulation chart of residual nitrate migration with 2% leakage in 100-3500 days

3)模擬及預(yù)測結(jié)果

鎮(zhèn)江新區(qū)垃圾填埋場東側(cè)防水帷幕發(fā)生破壞，涌入庫區(qū)的地下水與垃圾混合形成垃圾滲漏液進(jìn)入含水層污染地下水，本次模擬選取垃圾滲漏液中硝酸鹽作為敏感因子進(jìn)行模擬，污染物初始濃度為1236 mg/L。假設(shè)泄漏污染物能通過地下水徑流通道進(jìn)入含水層中，在不考慮吸附、反應(yīng)等情況下共設(shè)置兩種模擬情景，模擬垃圾滲漏液量為污水總量的1%和2%情況下對應(yīng)流量為46 m3/d和92 m3/d。垃圾滲漏液持續(xù)泄漏180 d后切斷污染源，此時(shí)污染羽中心濃度為482.94 mg/L、712.10 mg/L。切斷污染源后，模擬殘余污染物在含水層中繼續(xù)運(yùn)移情況(表3)。

表3 殘留污染物運(yùn)移模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 List of simulation result of residual pollutant migration

4 結(jié)論

1)通過水流模型發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)江新區(qū)垃圾填埋場地下水水力坡度較小，導(dǎo)致污染羽在未切斷污染源情況下有向上游擴(kuò)展趨勢。通過溶質(zhì)運(yùn)移模型發(fā)現(xiàn)，垃圾滲漏液在流量較大的情況下造成大面積的污染范圍，對地下水流場造成一定影響。

2)通過總結(jié)兩種情景下的模擬和預(yù)測結(jié)果，該垃圾填埋場硝酸鹽滲濾液在切斷污染源后殘余污染物隨著運(yùn)移時(shí)間延長污染羽范圍先逐漸擴(kuò)大，達(dá)到最大面積后逐漸縮小直到消失。

3)本次模擬僅在垃圾填埋場附近進(jìn)行，豎直上只考慮污染物在潛水含水層中運(yùn)移，不涉及承壓水，在計(jì)算時(shí)未考慮土壤的吸附作用，地下水中化學(xué)反應(yīng)和生物降解作用，并且在模型建立時(shí)各項(xiàng)參數(shù)取值都是比較保守的，因此污染物在含水層中實(shí)際運(yùn)移速度是較快的，污染羽的面積也是較模型模擬結(jié)果略大的。