入河排污口對地下水影響分析方法初探
——以農(nóng)安縣某垃圾填埋場為例

吳興晨，楊 婧，張春雨，孫述海，朱 未

長春工程學(xué)院，吉林 長春 130021

0 引言

入河排污口是監(jiān)管部門控制污染物進(jìn)入河渠湖泊的重要關(guān)口，是控總量、改水質(zhì)和保環(huán)境的重要抓手[1]，垃圾填埋場通常是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]，此次研究對象農(nóng)安某垃圾填埋場中的滲濾液是通過長達(dá)5 km的富濱分干排水渠排放進(jìn)富裕河，考慮到富濱分干排水渠經(jīng)常發(fā)生斷流且滲濾液易發(fā)生滲漏，并會隨著時間的累積通過包氣帶進(jìn)入含水層從而對地下水環(huán)境造成影響，同時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)[4]，因此需對富濱分干排水渠周邊進(jìn)行水文地質(zhì)勘察，模擬預(yù)測在排放過程中滲濾液的主要特征污染物對周邊地下水的影響，本文主要分析其COD和氨氮的運(yùn)移特征及影響范圍，運(yùn)用 Visual MODFLOW軟件對富濱分干排水渠進(jìn)行地下水污染物運(yùn)移模擬。

1 項(xiàng)目概況

農(nóng)安縣某垃圾填埋場位于吉林省長春市農(nóng)安縣東狐貍樹村北側(cè)，東經(jīng)124°32′～125°46′，北緯43°54′～44°57′，氣候?qū)儆谥袦貛啙駶櫟貐^(qū)，呈明顯大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，秋季溫和涼爽，冬季漫長寒冷，年平均氣溫4.6 ℃，年降水量平均507.7 mm，多年平均蒸發(fā)量1 600 mm。地貌上屬沖積、湖積平原區(qū)，局部起伏較明顯，地形呈四周高中間低、臺地和低地相間分布的格局，地層主要是白堊紀(jì)沉積地層，基巖露頭不多，廣泛為第四紀(jì)沉積物所覆蓋，基巖主要是白堊紀(jì)灰綠色頁巖，砂質(zhì)泥巖和泥巖。

地下水類型主要為松散層孔隙潛水，孔隙潛水主要分布于沖積河谷漫灘和階地的砂礫石層中。區(qū)域內(nèi)地表水水系較發(fā)育，其西側(cè)有伊通河，東側(cè)有富裕河，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給與河流補(bǔ)給，沿河道下游徑流和以蒸發(fā)形式排出地表。在模擬區(qū)布設(shè)了多口水文地質(zhì)勘察井，通過井觀察潛水層埋深為2.78 m左右，含水層厚度在10 m左右，潛水含水層屬于第四系孔隙潛水，含水層巖性屬于褐黃色亞黏土、中粗砂。

2 地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

用數(shù)值模型研究較為復(fù)雜的實(shí)際地下水特征需忽略或降低對研究對象影響較小的因素，通過現(xiàn)場勘查初步判斷出可能會造成富濱分干排水渠周邊地下水污染的因素并進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)概念模型的建立，概念模型具有真實(shí)性，可以真實(shí)再現(xiàn)水文地質(zhì)條件。水文地質(zhì)概念模型是建立數(shù)值模型的前提，概念模型的準(zhǔn)備情況直接影響數(shù)值模型的模擬效果，建立概念模型的過程是對模擬區(qū)復(fù)雜地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概化，進(jìn)而用數(shù)學(xué)方式表達(dá)水文地質(zhì)要素。

2.1.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)地下水污染特征和水文地質(zhì)條件，確定本次數(shù)值模擬的層位為第四系松散巖類孔隙潛水含水層，其含水層巖性主要為粉質(zhì)黏土。

2.1.2 地下水流動性

地下水流向受地形地勢影響明顯，模擬區(qū)內(nèi)的地下水流向大體是由南朝北方向流，水力梯度與地形坡度的變化趨勢一致，但相對平緩。

2.1.3 邊界條件概化

垂向邊界：在垂向上潛水含水層自由水面作為模型上邊界，通過該邊界潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向上的水量交換，如大氣降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄。

側(cè)向邊界：模型的南側(cè)邊界平行于地下水水位等值線，為側(cè)向流入邊界。西側(cè)伊通河為補(bǔ)給邊界；北側(cè)邊界平行于地下水水位等值線，為側(cè)向流出邊界；東側(cè)富饒河為補(bǔ)給邊界。

2.1.4 源匯項(xiàng)處理和確定

根據(jù)水文地質(zhì)條件可知，模擬區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給項(xiàng)有：大氣降雨入滲、河流補(bǔ)給、邊界流入等；地下水的主要排泄項(xiàng)為側(cè)向流出、河流的排泄、自然蒸發(fā)和人工開采。

2.2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.2.1 水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上水文地質(zhì)概念模型，將模擬區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)水平各向同性、三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流地下水流系統(tǒng)概念模型，依據(jù)滲流連續(xù)性方程，達(dá)西定律把所建立的水文地質(zhì)概念模型確定適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。

式中:K為坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)，m/s；

Ω為模型計算區(qū)域，km2；

H0為農(nóng)安縣的初始水位，m；

H(x，y，z，t)表示在三維條件下邊界Ω和Γ上點(diǎn)(x，y，z)在t時刻的水頭，m；

φ(x，y，z，t)為Γ上已知函數(shù)。

2.2.2 模擬區(qū)范圍

考慮當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件、地形地貌、地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄特點(diǎn)以及擬建項(xiàng)目地下水污染源的分布情況，確定模擬區(qū)范圍為農(nóng)安縣垃圾填埋場富濱分干排水渠周圍面積約36 km2的區(qū)域，模擬預(yù)測的含水層位和地下水類型為區(qū)域內(nèi)有供水意義并且直接受項(xiàng)目影響的第四系松散巖類孔隙含水層潛水，模型范圍如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)范圍Fig.1 Scope of simulation area

2.2.3 剖分網(wǎng)格及計算時限及步長

對其模擬區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，由于采用MODFLOW有限差分法計算，需建立起相應(yīng)矩形網(wǎng)格系統(tǒng)才能進(jìn)行下一步運(yùn)算。這種剖分形式的優(yōu)勢是使用者方便準(zhǔn)備數(shù)據(jù)文件，有利于輸入文件的規(guī)范化，且不易出錯。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分的時候，應(yīng)充分考慮水文地質(zhì)條件，在水資源分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格剖分，本次模擬區(qū)面積約36 km2，剖分的單元大小為100 m×100 m，共計60行，60列；模擬初始時間為2019年1月，模擬預(yù)測365天后滲濾液中污染物COD與氨氮的運(yùn)移情況。

由于模擬范圍較大，網(wǎng)格剖分較大，為了能精確模擬預(yù)測事故和環(huán)境風(fēng)險工況下污染源對項(xiàng)目區(qū)周邊地下水的影響情況，在大模型范圍內(nèi)，將農(nóng)安垃圾填埋場富濱分干排水渠周圍約17 km2面積作為有效區(qū)域，其余面積為無效區(qū)域，具體模型的范圍如圖2所示，其白色區(qū)域?yàn)橛行^(qū)域，綠色區(qū)域?yàn)闊o效區(qū)域。

圖2 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Grid subdivision diagram of simulation area

2.2.4 初始條件與定解條件處理

根據(jù)水文地質(zhì)勘查過程，以模擬區(qū)內(nèi)2019年1月份水位數(shù)據(jù)作為模型的初始水位。模型的北側(cè)與南側(cè)邊界平行于地下水水位等值線，模型中以定水頭邊界的形式，西側(cè)切割含水層，為隔水邊界，東側(cè)為富裕河，為河流邊界。

2.2.5 大氣降水入滲補(bǔ)給量

降雨入滲量是模擬區(qū)地下水系統(tǒng)最主要的補(bǔ)給來源。降雨入滲量主要受降雨量、地表巖性、水位埋深、地形地貌等條件影響。根據(jù)水文地質(zhì)勘查成果，模擬區(qū)地層巖性為粉質(zhì)黏土，其滲透系數(shù)為0.1～0.25 m/d；模擬區(qū)枯水期降水量為507.5 mm/a，豐水期降雨量為800 mm/a。

2.2.6 源匯項(xiàng)概化與水文地質(zhì)參數(shù)確定

大氣降水是模擬區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，模擬區(qū)的蒸發(fā)量為主要排泄方式。根據(jù)水文地質(zhì)勘查結(jié)果，含水層巖性為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)取0.1～0.25 m/d，給水度為0.1，根據(jù)模型模擬驗(yàn)證最終確定該垃圾填埋場富濱分干排水渠區(qū)域滲透系數(shù)為0.12。

2.2.7 地下水?dāng)?shù)值模型的擬合

根據(jù)現(xiàn)場勘查特點(diǎn)，以模擬區(qū)內(nèi)2019年1月份水位數(shù)據(jù)作為模型的初始流場，2019年4月份水位數(shù)據(jù)作為擬合流場，經(jīng)過模擬的擬合與校正，實(shí)測與模擬水位的等值線取得較好擬合，模型的識別結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬

3.1 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

本次計算采用地下水流數(shù)值模擬系統(tǒng)GMS7.1軟件中的MODFLOW、MT3DMS模塊。模擬采用特征值(MOC)方法，用有限差分逼近計算水動力彌散等引起的濃度變化[5]。

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

MT3DMS采用了對流—彌散方程來描述污染物在三維地下水流中的運(yùn)移，溶解于地下水中污染物運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：C—模擬污染質(zhì)量濃度，mg/L；

C′—模擬污染質(zhì)源匯質(zhì)量濃度，mg/L；

Vi—滲流速度，m/d；

W—源和匯單位面積上的通量， m3/(d·m2)；

αijmn—含水層彌散度，m；

Vm、Vn—分別為m和n方向上的速度分量， m/d；

|V|—速度模，無量綱；

ne—有效孔隙度，無量綱。

污染物在地下水中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化過程是極其復(fù)雜的，此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(yùn)移的影響。

3.1.2 模擬因子與預(yù)測時段

經(jīng)現(xiàn)場勘察結(jié)果，對模擬區(qū)地下水進(jìn)行采樣分析可知滲濾液中污染物成分較多，此次主要以COD和氨氮為模擬因子進(jìn)行模擬預(yù)測，對排污口下游富濱分干排水渠前500 m段進(jìn)行模擬預(yù)測，預(yù)測時段為365天。

3.1.3 運(yùn)移邊界條件

對污染源的位置和濃度進(jìn)行定義，將排污口下游富濱分干排水渠前500 m設(shè)置成污染源，當(dāng)作補(bǔ)給濃度邊界，同時也是入滲降水的一個污染源，由于在模擬預(yù)測污染物在地下水中的擴(kuò)散時不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等因素，因此污染物的擴(kuò)散主要取決于污染物的初始濃度，其COD和氨氮初始質(zhì)量濃度分別為60 mg/L、8 mg/L。

3.1.4 含水層彌散系數(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[6]，其系數(shù)也難以確定，在溶質(zhì)運(yùn)移模型需要給定縱向彌散度，此次模型縱向彌散度取經(jīng)驗(yàn)值。

3.2 模擬預(yù)測結(jié)果分析

此次預(yù)測滲濾液中COD及氨氮運(yùn)移365天后的情況，主要模擬排污口下游富濱分干排水渠前500 m中污染物下滲后對地下水的影響。經(jīng)過模擬預(yù)測，可知地下水流向大體由南向北，流速較慢，因此滲濾液中的污染物不僅會隨水流方向運(yùn)移，也會隨水力梯度向其余方向擴(kuò)散。根據(jù)排污口下游富濱分干排水渠前500 m的預(yù)測結(jié)果顯示，COD及氨氮在地下水的運(yùn)移情況都大致相同，其最大的影響距離不超過500 m。COD與氨氮的濃度等值線及運(yùn)移情況見圖3,4,表1,2。

圖3 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段COD濃度等值線圖Fig.3 COD concentration contour map of the first 500 m sections of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

圖4 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段氨氮濃度等值線圖Fig.4 Contour map of NH3-N concentration in the first 500 m section of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

表1 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段COD運(yùn)移情況Table 1 COD migration in the first 500 m sections of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

表2 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段氨氮運(yùn)移情況Table 2 NH3-N migration in the first 500 m of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

4 結(jié)論與建議

綜上可知，農(nóng)安縣垃圾填埋場的滲濾液在通過富濱分干排水渠排放時對地下水的影響主要取決于滲濾液量的大小、污染因子的濃度、地下水徑流的方向、水力梯度、含水層的滲透性和富水性，以及彌散度的大小。經(jīng)過Visual MODFLOW軟件的模擬預(yù)測結(jié)果可知，農(nóng)安垃圾填埋場富濱分干排水渠周邊地下水流向大體是由南到北，地下水水位過于平緩，導(dǎo)致地下水流速較小，因此滲濾液下滲后在地下水中運(yùn)移較慢；在地下水對流和彌散作用影響下，其影響范圍、影響距離不斷增長，污染物不僅會隨著地下水水流方向運(yùn)移，還隨著水力梯度向外擴(kuò)散，但在水體水動力作用下不斷擴(kuò)散、稀釋、自凈，因此污染物濃度不斷降低；以地下水中氨氮、COD濃度降至三類水質(zhì)目標(biāo)為參考標(biāo)準(zhǔn)，確定排污口下游富濱分干排水渠對地下水的影響范圍，在排污口下游富濱分干排水渠前500 m，COD的最大影響距離均不超過450 m，地下水中氨氮的最大影響距離均不超過500 m。

為加強(qiáng)水資源環(huán)境的保護(hù)，防止農(nóng)安縣垃圾填埋場滲濾液泄露帶來的嚴(yán)重影響，建議對入河排污口的排污量及富濱分干排水渠進(jìn)行在線監(jiān)督監(jiān)測，確保工程的正常運(yùn)行，尾水達(dá)標(biāo)排放。同時還應(yīng)制定非正常排放應(yīng)急措施、建立和完善水質(zhì)保護(hù)規(guī)章制度，以至于不會對地下水、地表水水質(zhì)、水量、水生態(tài)以及第三者權(quán)益產(chǎn)生影響。