生活垃圾填埋場(chǎng)對(duì)地下水的影響研究

劉 濤，張 珂

（河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境問題重視程度的提高， 偏遠(yuǎn)地區(qū)及農(nóng)村生活垃圾治理將成為一項(xiàng)重要的工作。 在交通不便或距離大型生活垃圾集中處理點(diǎn)較遠(yuǎn)的地區(qū)，為了有效改善生活垃圾處理問題，建設(shè)小型集中式生活垃圾填埋場(chǎng)就成為一個(gè)有效而可行的方法。 但生活垃圾填埋場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響也必須得到足夠的重視。 從可能的污染范圍及治理難度來看， 生活垃圾填埋場(chǎng)對(duì)地下水的影響最為重要。 筆者以青海省某生活垃圾填埋場(chǎng)為例，利用解析法對(duì)非正常狀況條件下發(fā)生的污染溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行了模擬，計(jì)算出其影響范圍，以期為類似項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

青海省某生活垃圾填埋場(chǎng)總庫(kù)容（包括覆蓋土、封場(chǎng)土）約為4.4×104m3，建成后可滿足所在區(qū)域至2035 年累計(jì)垃圾產(chǎn)生量1.981×104t 的填埋要求，填埋年限達(dá)17 年。 2035 年垃圾場(chǎng)日處理能力為3.47 t／d。 填埋場(chǎng)區(qū)包括填埋庫(kù)區(qū)、垃圾壩、截洪溝、滲瀝液調(diào)節(jié)池；管理區(qū)包括管理間、設(shè)備間、清水池、污泥池等設(shè)施。填埋庫(kù)區(qū)位于場(chǎng)區(qū)東部，滲瀝液調(diào)節(jié)池位于填埋庫(kù)區(qū)的西部。

本工程運(yùn)營(yíng)期，主要廢水來源為滲瀝液。 填埋場(chǎng)產(chǎn)生的滲瀝液通過滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)及時(shí)加以收集，并通過滲瀝液排水管迅速排至場(chǎng)外的滲瀝液池內(nèi)。 在正常情況下，該工程不會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生較大影響。 在非正常狀況下， 滲瀝液可通過防滲層、壩體、壩基等滲入地下水系統(tǒng)，對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。 本項(xiàng)目特征因子為CODcr、BOD5、SS、NH3-N，設(shè)計(jì)滲瀝液水質(zhì)參照與本工程垃圾特性、氣候等條件相近的垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液水質(zhì)參數(shù)，水質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

表1 滲瀝液水質(zhì)參數(shù)表Tab.1 Water quality parameter of leachate

為了預(yù)測(cè)本工程對(duì)地下水的影響， 專門進(jìn)行了水文地質(zhì)勘查工作，主要包括地球物理勘探、水文孔鉆探、抽水試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、水質(zhì)取樣及測(cè)試等，并在此基礎(chǔ)上確定了調(diào)查評(píng)價(jià)范圍。 根據(jù)工程所在區(qū)域地下水流向， 劃定以場(chǎng)區(qū)向東約500 m 作為調(diào)查區(qū)上游邊界，以場(chǎng)區(qū)向南、向北各1 000 m 作為側(cè)向邊界，以場(chǎng)區(qū)向西3 525 m 作為下游邊界，調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)面積約為8.05 km2。

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌及地層概況

評(píng)價(jià)區(qū)地勢(shì)總體東高西低， 地貌類型屬山間、山前沖洪積平原，海拔在3 265～3 320 m 之間。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地層自上而下分別為第四系地層及新近系地層。項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)附近無區(qū)域性斷裂、全新活動(dòng)斷裂構(gòu)造通過［1］。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 包氣帶特征

圖1 項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Hydrogeological section of the project area

根據(jù)巖土工程勘查及水文孔施工鉆孔編錄資料，場(chǎng)區(qū)包氣帶厚為43.5～46.7 m，巖性從上到下依次為耕土層、粉沙層、沙卵礫石。耕土層呈淺黃色，含大量植物根系，全場(chǎng)均有分布，厚度為0.8～0.9 m；粉沙層呈雜色，母巖以石英和長(zhǎng)石為主，稍密，稍濕，平均厚度為15.17 m；沙卵礫石層厚度約30 m［2-3］。項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)剖面如圖1 所示。

在水文地質(zhì)勘查過程中， 選用雙環(huán)法對(duì)場(chǎng)區(qū)內(nèi)包氣帶的滲透性進(jìn)行研究， 滲水試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 由表2 可知， 場(chǎng)區(qū)包氣帶平均垂向滲透系數(shù)為7.7×10-3cm／s。 包氣帶厚度為43.5～49.87 m。 結(jié)合天然包氣帶防滲性能分級(jí)參照表（如表3 所示），廠區(qū)防污性能為弱［4］。

表2 場(chǎng)區(qū)滲水試驗(yàn)成果表Tab.2 Result of field seepage experiment

表3 天然包氣帶防污性能分級(jí)參照表Tab.3 Reference of anti-polluting performance classification of natural aeration zone

2.2.2 地下水含水層特征

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水及承壓水。 第四系松散巖類孔隙潛水主要分布于評(píng)價(jià)區(qū)東部，含水層主要集中在43～56 m，含水層巖性主要為沙礫卵石，水位埋深約為43 m，單井涌水量大于5 000 m3／d。 評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)潛水含水層平均滲透系數(shù)為7.05 m／d。 第四系松散巖類孔隙承壓水主要分布在評(píng)價(jià)區(qū)西部，含水層巖性為含礫粗沙、含礫中粗沙及中粗沙等， 第一承壓水頂板埋深50～100 m，單井涌水量小于100 m3／d， 相對(duì)隔水層為粉沙質(zhì)亞沙土， 上部潛水含水層巖性主要為含礫粗沙夾細(xì)沙及亞沙土，單井涌水量大于5 000 m3／d。

2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

評(píng)價(jià)區(qū)屬于山前沖洪積傾斜平原區(qū)， 第四系孔隙潛水主要補(bǔ)給來源是東側(cè)山區(qū)溝谷中地表水出山后的垂直滲漏，其次為基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給。因年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量，加之地下水埋深大，大氣降水不能直接入滲補(bǔ)給地下水。 第四系孔隙潛水自東向西流向湖區(qū)，水力坡度約為1%。

2.4 地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查， 評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)無集中式地下水飲用水水源地保護(hù)區(qū)、無分散式地下水開采井，評(píng)價(jià)區(qū)及周邊有牧民季節(jié)性放牧， 但牧民及牲畜飲水都以地表水為水源。

2.5 地下水環(huán)境現(xiàn)狀

為了全面反映評(píng)價(jià)區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量， 結(jié)合項(xiàng)目選址及其周圍環(huán)境敏感點(diǎn)、地下水污染源、主要環(huán)境水文地質(zhì)問題現(xiàn)狀以及對(duì)于確定邊界條件有控制意義的地點(diǎn)， 在水文地質(zhì)勘查工作中共設(shè)計(jì)施工6個(gè)水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息如表4 所示。

表4 地下水水位及水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息Tab.4 Information of groundwater level and water quality monitoring point

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)， 確定本次地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子為：K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、pH 值、色度、懸浮物、氨氮、總硬度、溶解性總固體、高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽（以氮計(jì)）、亞硝酸鹽（以氮計(jì)）、揮發(fā)酚（以苯酚計(jì)）、氰化物、氟化物、砷、汞、鐵、錳、鉛、鎘、六價(jià)鉻、總鉻、CODcr、BOD5、總磷、總氮，共檢測(cè)32 項(xiàng)。

經(jīng)檢測(cè)分析，評(píng)價(jià)區(qū)地下水水質(zhì)滿足《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T14848-2017）中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求［5］。

3 地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

3.1 預(yù)測(cè)情景及因子

3.1.1 預(yù)測(cè)場(chǎng)景

根據(jù)地下水環(huán)境影響識(shí)別結(jié)果， 項(xiàng)目建設(shè)期生活污水和施工廢水產(chǎn)生量較小，且污染物類型簡(jiǎn)單，在采取相應(yīng)環(huán)保措施的情況下， 對(duì)周邊地下水環(huán)境影響很小。因此，本次重點(diǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期非正常狀況下對(duì)周邊地下水環(huán)境的影響。

在非正常狀況下， 工藝設(shè)備或地下水環(huán)境保護(hù)措施因系統(tǒng)老化、 腐蝕等原因不能正常運(yùn)行或保護(hù)效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，使防滲層功能降低，導(dǎo)致污染物進(jìn)入含水層中，污染地下水。 本次預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)主要選取填埋場(chǎng)場(chǎng)區(qū)及滲瀝液池作為污染源，預(yù)測(cè)范圍為整個(gè)地下水評(píng)價(jià)范圍， 預(yù)測(cè)時(shí)間段為100 d、1 000 d、3 650 d（10 a）、6 205 d（17 a）。

3.1.2 預(yù)測(cè)因子

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀， 確定以各預(yù)測(cè)因子的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB／T14848-2017）中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為超標(biāo)影響限值， 以各預(yù)測(cè)因子的檢測(cè)方法檢出限作為影響限值，CODcr、 氨氮的超標(biāo)及影響范圍限值如表5 所示。

表5 超標(biāo)及影響范圍限值統(tǒng)計(jì)表（單位：mg／L）Tab.5 Statistics of exceeding and limit of influence range （Unit： mg／L）

3.2 預(yù)測(cè)模型選取

按照 《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ610-2016）要求，采用解析法進(jìn)行污染物的運(yùn)移預(yù)測(cè)。 將污染物的運(yùn)移概化為一維穩(wěn)定流動(dòng)水動(dòng)力彌散問題，不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)考慮物料持續(xù)泄露在一段時(shí)間后停止。 基于連續(xù)線性非恒定濃度點(diǎn)源的解析法疊加運(yùn)算， 本項(xiàng)目地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的模型如式（1）所示。

式中：C（x，t）為t 時(shí)刻，沿地下水水流方向距泄露點(diǎn)x 距離處的濃度，mg／L；C0為泄露點(diǎn)處特征因子的初始濃度，mg／L；C1為t＞T1時(shí)泄露點(diǎn)處特征因子的濃度，這里為0；x 為距泄露源的距離，m；T 為時(shí)間，d；DL為縱向彌散系數(shù)，m2／d；u 為地下水實(shí)際流速，m／d；T1為物料持續(xù)泄露時(shí)間，d；erfc（）為余誤差函數(shù)。

受資料限制， 本次污染溶質(zhì)運(yùn)移模擬計(jì)算未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，模型中各項(xiàng)參數(shù)予以保守性考慮。 模型中各計(jì)算參數(shù)經(jīng)由水文地質(zhì)勘查及收集資料整理計(jì)算求取。

3.3 預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

3.3.1 滲瀝液調(diào)節(jié)池滲漏運(yùn)移預(yù)測(cè)

當(dāng)防滲系統(tǒng)老化或腐蝕破損時(shí)，廢水將通過失效后的防滲系統(tǒng)泄漏至地下水環(huán)境，即通過包氣帶進(jìn)入到地下水中。在不考慮包氣帶對(duì)污染物的阻滯、降解、吸附等作用的情況下，廢水滲漏量可按式（2）計(jì)算。

式中：Q 為廢污水滲漏量，m3／d；K 為包氣帶垂向滲透系數(shù)，m／d；I 為水力梯度；A 為防滲失效面積，m2；h 為池中液體的深度，m；d 為包氣帶厚度，m。

經(jīng)計(jì)算， 非正常狀況下廢水滲漏量Q=7.02 m3／d。根據(jù)工程分析，CODcr濃度為7 500 mg／L，NH3-N 濃度為2 000 mg／L。 根據(jù)滲瀝液收集池距下游監(jiān)測(cè)井的距離（約10 m）和發(fā)現(xiàn)滲漏及采取有效措施制止?jié)B漏的時(shí)間（大約為28 d），計(jì)算出進(jìn)入含水層的污染物滲漏量為：mt-COD=1 474.2 kg，mt-氨氮=393.12 kg。

基于以上水文地質(zhì)參數(shù)及污染源源強(qiáng)， 對(duì)非正常狀況下污染物CODcr、NH3-N 對(duì)地下水的影響進(jìn)行了定量的評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表6 和表7 所示。

表6 非正常狀況下滲濾液收集池滲漏污染物CODcr 運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.6 Under abnormal conditions， prediction result of leakage pollutant CODcr transportation of leachate collection tank

表7 非正常狀況下滲濾液收集池滲漏污染物NH3-N 運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.7 Under abnormal conditions, prediction result of leakage pollutant NH3-N transportation of leachate collection tank

3.3.2 填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)滲漏運(yùn)移預(yù)測(cè)

當(dāng)土工膜下覆黏土層滲透系數(shù)小于10-4cm／s 時(shí)，通過一個(gè)小孔的滲漏量qv可用經(jīng)驗(yàn)公式（3）計(jì)算。

式中：a 為破損小孔面積，m2；h 為土工膜上積水厚度，m；Kc為膜下0.3 m 厚壓實(shí)黏土層的滲透系數(shù)，m／s。

基于中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院的調(diào)查數(shù)據(jù)， 在正常狀況下，雙人工襯層1 hm2土工膜按存在10 個(gè)破損小孔計(jì)；在非正常狀況下，土工膜漏洞面積約為正常狀況下土工膜漏洞面積的25 倍。 填埋區(qū)面積為2.14 hm2，經(jīng)計(jì)算，填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)在非正常狀況下的滲漏量為1.57 m3／d。根據(jù)工程分析，CODcr的濃度為7 500 mg／L，NH3-N 的濃度為2 000 mg／L。填埋場(chǎng)底部滲漏屬于持續(xù)源， 則填埋期間進(jìn)入含水層的污染物滲漏量為：mt-COD=73 063.88 kg，mt-氨氮=19 483.7 kg。

基于以上水文地質(zhì)參數(shù)及污染源源強(qiáng)， 預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)了非正常狀況下污染物CODcr、NH3-H 對(duì)地下水的影響，結(jié)果如表8 和表9 所示。

表8 非正常狀況下填埋場(chǎng)滲漏污染物CODcr 運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.8 Under abnormal conditions, prediction result of leakage pollutant CODcr transportation in landfills

表9 非正常狀況下填埋場(chǎng)滲漏污染物NH3-N 運(yùn)移預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.9 Under abnormal conditions， prediction result of leakage pollutant NH3-N transportation in landfills

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 青海省某生活垃圾填埋場(chǎng)在出現(xiàn)泄露事故后， 可能對(duì)工程所在地的地下水環(huán)境造成一定影響，滲濾液中的CODcr、NH3-N 會(huì)沿著地下水遷移，但滲漏17 年后，污染物不會(huì)到達(dá)評(píng)價(jià)區(qū)下游邊界。

雖然垃圾填埋場(chǎng)對(duì)地下水的污染影響范圍可控，但是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地下水含水層的保護(hù)，還是需要做好防滲措施， 配套建成工程施工地下水監(jiān)測(cè)井。特別是在工程選址及前期論證階段，最好進(jìn)行專業(yè)的水文地質(zhì)勘查工作， 摸清項(xiàng)目所在地水文地質(zhì)條件，將生活垃圾填埋場(chǎng)工程設(shè)置于小型飲用水水源地、農(nóng)田灌溉井等地下水敏感目標(biāo)區(qū)。