城市生活垃圾填埋場(chǎng)污染物運(yùn)移研究

王松濤，楊 霄，王 叢，賈 超，王輝輝，劉建章

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，山東濰坊261021；2.山東大學(xué)海洋研究院，山東青島266237）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng)，近幾年垃圾產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度幾乎與GDP 相當(dāng)［1］。由于衛(wèi)生填埋法較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用且技術(shù)成熟簡(jiǎn)便和處理量大［2，3］，多數(shù)國(guó)家依舊使用衛(wèi)生填埋方法來(lái)處理城市生活垃圾［4］。垃圾處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生成分復(fù)雜且高濃度的垃圾滲濾液［5］。一旦防滲措施失效，滲濾液會(huì)進(jìn)入土壤、地表水和地下水，導(dǎo)致水土環(huán)境質(zhì)量惡化，有機(jī)物等還會(huì)產(chǎn)生空氣污染，最終都會(huì)威脅居民的身體健康［6，7］。近年來(lái)城市生活垃圾的堆放和處理引發(fā)的地下水污染較為常見(jiàn)［8］。地下水流動(dòng)緩慢，污染通道隱蔽，污染一旦形成，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境和安全問(wèn)題，后期治理的難度和成本極高［9］。預(yù)測(cè)和控制垃圾填埋場(chǎng)滲濾液對(duì)地下水的污染并對(duì)污染進(jìn)行治理已成為地下水相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

地下水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型是識(shí)別污染物時(shí)空分布狀態(tài)、確定污染物濃度變化和遷移去向的重要手段，能夠?yàn)榈叵滤?、水質(zhì)的定量評(píng)估和污染物的防控修復(fù)提供參考依據(jù)［10-12］。地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型研究始于在20世紀(jì)60年代，國(guó)外學(xué)者首先利用數(shù)學(xué)模型研究水質(zhì)的變化［13］，直到80年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始研究污染物在地下水中的遷移變化［14］。趙貝等［15］通過(guò)研究給出了河南某填埋場(chǎng)滲濾液中Cl-在30年內(nèi)的污染羽遷移范圍。趙春蘭等［16］采用了MODFLOW 和MT3D 軟件，模擬分析了冕寧縣漫水灣填埋場(chǎng)滲濾液中COD 和NH3-N 在正常工況和事故工況條件下的遷移過(guò)程。

本文以山東省某生活垃圾填埋場(chǎng)為例，在研究場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，基于GIS平臺(tái)，結(jié)合MODFLOW 和MT3DMS程序包建立研究區(qū)三維地下水?dāng)?shù)值模型，進(jìn)行地下水流場(chǎng)和污染物的數(shù)值模擬。以氨氮和硝酸鹽作為污染預(yù)測(cè)因子，模擬分析垃圾填埋場(chǎng)注漿前后十五年內(nèi)滲濾液污染物的遷移情況，為填埋場(chǎng)內(nèi)的注漿修復(fù)工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省低山丘陵區(qū)，地形南高北低，起伏變化較大，最高海拔為184 m；北部為沖積、洪積平原海拔最低為48 m。研究區(qū)內(nèi)垃圾掩埋場(chǎng)建于2004年，設(shè)計(jì)日處理能力為500 t，已填筑垃圾約800 萬(wàn)t。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

該區(qū)域地貌屬于丘陵地貌。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化剝蝕，多以起伏不大的孤丘緩嶺為主，植被繁茂，巖體風(fēng)化程度中等。根據(jù)賦存類(lèi)型，垃圾場(chǎng)附近地下水主要包括松散巖類(lèi)孔隙水、老地層風(fēng)化裂隙水和深層巖溶水。松散巖類(lèi)孔隙水主要分布于山前沖洪積平原區(qū)，山地溝谷的坡積或洪積層中，是研究區(qū)分布最廣泛的一類(lèi)地下水。老地層風(fēng)化裂隙水位于玄武巖和花崗巖分布區(qū)，透水量較少。深層巖溶水賦存于構(gòu)造裂隙中，巖性多為灰?guī)r，灰?guī)r夾砂巖、頁(yè)巖。地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水入滲及上游地下水徑流補(bǔ)給，地下水流向總體為北東向，與區(qū)域地下水流向一致。

該區(qū)域氣候?qū)俦睖貛Т箨懠撅L(fēng)型氣候，1980-2018年平均氣溫約13 ℃，1月最冷，平均氣溫約在-2 ℃，最低氣溫約-14 ℃（2008年1月6日）。7-8月最熱，最高氣溫達(dá)40 ℃（2009年7月23日）。1980-2019年平均降水量611.94 mm，極端日降水量在1997年8月20日，為172.7 mm。夏季降水量占全年60%，春季降水量占全年10%～15%，經(jīng)常發(fā)生春旱。

2 原理與方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

USGS MODFLOW 是國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的基于有限差分法的三維地下水流模型。三維空間中地下水在孔隙介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)可用如下的偏微分方程來(lái)表示［17，18］：

式中：Kxx、Kyy和Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y和z軸方向上的分量，m/d；h為含水層的水位標(biāo)高，m；W為源匯項(xiàng)，1/d，是單位時(shí)間從單位體積含水層流入或流出的體積流量，+代表源，-代表匯；Ss為多孔介質(zhì)的貯水率或釋水率，1/m，是地下水含水層水頭降低一個(gè)單位時(shí)所能釋出的水量；t為時(shí)間，d。

MT3DMS 是一個(gè)三維地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，該模型基于有限差分法求解溶質(zhì)運(yùn)移的偏微分方程，可以模擬地下水流系統(tǒng)中污染物的對(duì)流、彌散和化學(xué)反應(yīng)。描述溶質(zhì)運(yùn)移的偏微分方程式如下所示［19］：

式中：R為污染物的滯留因子（無(wú)量綱）；C為污染物的濃度，kg/m3；t為時(shí)間，d；xi、xj為污染物沿x、y方向上的距離，m；Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量，m2/d；vi為滲流速度，m/d；qk為單位體積含水層流入和流出的體積流量，1/d；Ck為污染物流入或流出的濃度，kg/m3；n為地下介質(zhì)的孔隙度（無(wú)量綱）；δ為地下含水系統(tǒng)的干容重，kN/m3；s為污染物運(yùn)移過(guò)程中被吸附的濃度，kg/m3；λ為一階化學(xué)反應(yīng)或生物降解速率常數(shù)（無(wú)量綱）。

2.2 水文地質(zhì)概念模型

模擬區(qū)域面積約為40.66 km2，在地下水模型中，將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為三層：第一層主要為松散巖類(lèi)孔隙水；第二層為弱透水層；第三層主要為碳酸鹽類(lèi)裂隙巖溶水。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)的分析，水平方向上，研究區(qū)西南和東北邊界分別為側(cè)向補(bǔ)給邊界和側(cè)向排泄邊界。在垂向上，松散巖類(lèi)孔隙水作為上邊界，地下水系統(tǒng)通過(guò)該邊界與系統(tǒng)外進(jìn)行水量和水質(zhì)交換，模型底邊界為隔水邊界。研究區(qū)的含水層主要接受大氣降水補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式主要為人工開(kāi)采和蒸發(fā)。根據(jù)已有的地質(zhì)勘探資料，以及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水水位數(shù)據(jù)，基于GIS平臺(tái)，利用空間插值法繪制區(qū)內(nèi)地下水等水位線圖，作為研究區(qū)地下水的初始流場(chǎng)。

2.3 地下水和溶質(zhì)運(yùn)移模型的建立

基于GIS 平臺(tái)，結(jié)合MODFLOW 和MT3DMS 程序包來(lái)建立研究區(qū)的地下水流數(shù)值模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型。其中，MODFLOW 程序包用于解決地下水運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，它能夠預(yù)測(cè)水位和流向未來(lái)的變化。MT3DMS 程序包用于確定污染物的遷移和分布，它利用數(shù)據(jù)文件與MODFLOW 程序進(jìn)行通信，與已知的地下水運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)以確定地下水中污染物的分布和運(yùn)動(dòng)。剖分網(wǎng)格時(shí)，將研究區(qū)在平面上按Δx=Δy=200 的網(wǎng)格剖分，在垂向上則分為三層，共剖分成了120 000 個(gè)單元。為考慮污染物最大影響的可能性，模型計(jì)算時(shí)忽略吸附、溶解、化學(xué)反應(yīng)及溫度等效應(yīng)，在對(duì)流彌散作用下建立垃圾場(chǎng)主要污染因子的三維運(yùn)移控制方程。

2.3.1 水文地質(zhì)參數(shù)

場(chǎng)區(qū)第四系土層主要為素填土、黃土及粉質(zhì)黏土，厚度一般1～6 m，最大達(dá)25 m。該層結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好。場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖石主要為頁(yè)巖、泥灰?guī)r及石灰?guī)r。根據(jù)鉆探資料，場(chǎng)區(qū)巖石風(fēng)化帶厚度較大，裂隙較發(fā)育，灰?guī)r中溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，在鉆探過(guò)程中常有漏水現(xiàn)象，尤其在場(chǎng)地南部的灰?guī)r中漏水現(xiàn)象最為嚴(yán)重。根據(jù)垃圾場(chǎng)區(qū)內(nèi)的注水試驗(yàn)、壓水試驗(yàn)以及手動(dòng)試錯(cuò)和PEST參數(shù)反演程序相結(jié)合的方法，最終得到了場(chǎng)區(qū)內(nèi)不同地層的水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 模型各層水文地質(zhì)參數(shù)Tab.1 Hydrogeological parameters of each layer in the model

在溶質(zhì)運(yùn)移模型中，由于研究區(qū)位于山前，附近地下水流速較高，主要進(jìn)行機(jī)械彌散運(yùn)動(dòng)，而分子擴(kuò)散系數(shù)較小，可忽略不計(jì)［20］。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘探資料，縱向、橫向和垂向上的彌散度分別為10、1.5和0.1 m。

2.3.2 模型的識(shí)別和驗(yàn)證

對(duì)如下計(jì)算流場(chǎng)圖、實(shí)測(cè)流場(chǎng)圖（圖2）進(jìn)行對(duì)比后可以看到，計(jì)算水流的流向與實(shí)測(cè)無(wú)明顯水流方向差異，可以判斷出研究區(qū)邊界條件是合理的。通過(guò)對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)情況的調(diào)查與進(jìn)行的抽水試驗(yàn)，選定的水文地質(zhì)參數(shù)符合實(shí)際情況，較真實(shí)地反映實(shí)際的地下水流條件，水位大小變化與實(shí)測(cè)流場(chǎng)規(guī)律相一致。

圖2 實(shí)測(cè)與模擬地下水位對(duì)比圖Fig.2 Comparison of measured and simulated groundwater level

基于GIS 平臺(tái)，利用空間分析法將2019年8月填埋場(chǎng)附近監(jiān)測(cè)的地下水水位離散數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化，對(duì)29眼觀測(cè)井進(jìn)行模型的穩(wěn)態(tài)檢驗(yàn)，選取具有代表性的J1監(jiān)測(cè)井進(jìn)行模型動(dòng)態(tài)水位驗(yàn)證，如圖3 所示。線性擬合的直線斜率和截距分別為0.968 53 和2.109 6，線性相關(guān)系數(shù)為0.996。水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)值與模擬值之間誤差都在2 m 之內(nèi)，且誤差在1 m 之內(nèi)的數(shù)據(jù)占85.33%，平均相對(duì)誤差為1.53%，模型擬合效果較好，計(jì)算結(jié)果可以反映監(jiān)測(cè)水位的變化趨勢(shì)。

圖3 水位觀測(cè)井校核結(jié)果Fig.3 Check result of groundwater level observation well

2.4 模擬因子選擇和事故工況設(shè)定

研究區(qū)垃圾填埋場(chǎng)已運(yùn)行16年，屬“中老年”垃圾填埋場(chǎng)，進(jìn)入甲烷發(fā)酵階段，滲濾液中COD 濃度下降、氨氮和硝酸鹽濃度上升［21-23］。因此，根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果將氨氮和硝酸鹽作為本次模擬的主要污染因子。為保守考慮，按照最不利情況下污染物持續(xù)泄露來(lái)設(shè)定運(yùn)移模式。根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，氨氮泄露濃度為1 397 mg/L，硝酸鹽泄露濃度為751 mg/L。以此模擬事故發(fā)生后地下水系統(tǒng)中污染物的變化規(guī)律，并通過(guò)校驗(yàn)后的模型來(lái)預(yù)測(cè)污染物的影響范圍。

3 結(jié)果與分析

本文基于GIS 平臺(tái)，結(jié)合MODFLOW 和MT3DMS 程序包建立了城市生活垃圾填埋場(chǎng)的地下水滲流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型。為了考察注漿前后各污染因子擴(kuò)散范圍隨時(shí)間的變化規(guī)律，合理評(píng)價(jià)防滲效果，選取事故發(fā)生后1 825 d（2025年）、3 650 d（2030年）、5 475 d（2035年）3個(gè)時(shí)間點(diǎn)展示模擬結(jié)果。

3.1 注漿前各污染因子的擴(kuò)散范圍及濃度分布

在不受控工況下（注漿前），由于污染物的不斷泄露補(bǔ)給，垃圾填埋場(chǎng)附近的污染物濃度持續(xù)保持較高的水平，并在地下水動(dòng)力的作用下逐漸向外擴(kuò)張，東南側(cè)尤為明顯。根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB14848-2017），氨氮和硝酸鹽的最低檢出限分別為0.02 和2 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)限分別為0.5 和20 mg/L。污染濃度在垃圾場(chǎng)周邊遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)限值，會(huì)對(duì)地下水造成比較嚴(yán)重的危害。污染物分布情況如圖4、5所示。

圖4 注漿前氨氮在地下水中污染運(yùn)移范圍Fig.4 Migration range of ammonia nitrogen in groundwater before grouting

圖5 注漿前硝酸鹽在地下水中污染運(yùn)移范圍Fig.5 Migration range of nitrate in groundwater before grouting

垃圾填埋場(chǎng)在水平防滲與垂直防滲均存在破損的情況下，運(yùn)行期間滲濾液污染物運(yùn)移范圍在空間上均有較大程度的增加。根據(jù)地下水污染物的最低檢出限和標(biāo)準(zhǔn)限值確定出最大影響范圍和超標(biāo)范圍，如表2所示。在擴(kuò)散范圍上，氨氮濃度超標(biāo)范圍最大為1 929.61 m，最大影響距離為2 349.15 m；硝酸鹽濃度超標(biāo)范圍最大為1 613.14 m，最大影響距離為1 760.28 m。污染物影響距離持續(xù)增長(zhǎng)，總體上仍在不斷的擴(kuò)散。

表2 注漿前各污染因子隨時(shí)間的變化規(guī)律 mTab.2 Variation law of pollution factors with time before grouting

3.2 注漿后各污染因子的擴(kuò)散范圍及濃度分布

垃圾填埋場(chǎng)區(qū)注漿帷幕采用純水泥漿液以封堵泄漏位置，防滲系數(shù)取為1.17×10-7m/d，通過(guò)在MODFLOW 中設(shè)置弱透水邊界來(lái)表示注漿防滲帷幕。在受控工況下（注漿后），盡管污染物持續(xù)產(chǎn)生，但是由于防滲帷幕的低滲透性，垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的污染物濃度難以穿過(guò)防滲帷幕，因此對(duì)周邊地下水環(huán)境影響較小，高濃度擴(kuò)散范圍基本維持在填埋場(chǎng)附近（圖6、7）。但防滲帷幕對(duì)地下水具有阻隔作用，長(zhǎng)期運(yùn)行后，填埋場(chǎng)西南側(cè)和東側(cè)的污染質(zhì)仍然會(huì)由于水位的升高而外滲，對(duì)周邊的地下水環(huán)境造成一定程度的影響。

圖6 注漿后氨氮在地下水中污染運(yùn)移范圍Fig.6 Migration range of ammonia nitrogen in groundwater after grouting

圖7 注漿后硝酸鹽在地下水中污染運(yùn)移范圍Fig.7 Migration range of nitrate in groundwater after grouting

填埋場(chǎng)在水平防滲與垂直防滲均修復(fù)好的情況，運(yùn)行期間滲濾液污染物運(yùn)移范圍較小。氨氮濃度超標(biāo)范圍最大為705.75 m，最大影響距離為885.28 m；硝酸鹽濃度超標(biāo)范圍最大為498.34 m，最大影響距離為705.54 m，如表3 所示。模擬期間污染物影響范圍未到達(dá)居民區(qū)，但長(zhǎng)期運(yùn)行15年后南側(cè)和東側(cè)的污染物影響距離會(huì)有所增加。

表3 注漿后各污染因子隨時(shí)間的變化規(guī)律 mTab.3 Variation law of pollution factors with time after grouting

4 結(jié) 論

（1）本文基于GIS平臺(tái)，結(jié)合MODFLOW 和MT3DMS程序包建立了地下水滲流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型。通過(guò)對(duì)山東省某長(zhǎng)期運(yùn)行的垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的氨氮和硝酸鹽污染物進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，證明了該方法是評(píng)估注漿前后填埋場(chǎng)對(duì)周邊地下水污染情況的有效手段。

（2）注漿前氨氮最大超標(biāo)范圍為1 929.61 m，硝酸鹽最大超標(biāo)范圍為1 613.14 m。由于污染物的不斷泄露補(bǔ)給，垃圾填埋場(chǎng)附近的污染物濃度持續(xù)保持較高的水平，會(huì)對(duì)周邊地下水環(huán)境造成比較嚴(yán)重的影響。

（3）注漿后氨氮最大超標(biāo)范圍為705.75 m，硝酸鹽最大超標(biāo)范圍為498.34 m。注漿后，風(fēng)險(xiǎn)源被堵住，污染通道被切斷，污染源得到控制住，下游污染濃度逐漸下降。注漿區(qū)域污染范圍縮小，污染程度等有明顯的改善。隨時(shí)間的推移不會(huì)出現(xiàn)注漿前的嚴(yán)重污染情況，但東側(cè)和南側(cè)在長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)由于水位的升高對(duì)周邊地下水環(huán)境造成一定的影響，需要進(jìn)行注漿加固以防止側(cè)滲。