垃圾處理場所地下水污染監(jiān)測方法研究
——以北天堂簡易垃圾填埋場為例

崔 萌，楊 虹，盧志坤，吳 薇，婁雅琢

(1.河北省承德生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河北 承德 067000；2.承德市生態(tài)環(huán)境局，河北 承德 067000)

引 言

地下水是我國最重要的水資源之一，中國的水資源總量的30%和供水總量的20%來自地下水[1]。與地表水相比，地下水具有易于提取，水質(zhì)更好的優(yōu)點[2]。根據(jù)來自195個城市的調(diào)查數(shù)據(jù)，只有3%的城市沒有地下水污染[3]。垃圾處理場所是地下水污染的主要來源[4]。垃圾處理場所的滲濾液具有較高的地下水污染風(fēng)險，對地下水進(jìn)行正確污染評價對附近農(nóng)田和灌溉等設(shè)施有益[5]。為了降低我國地下水遭受污染的概率，急需提供一種監(jiān)測方法來針對處理廠下的地下水進(jìn)行長期污染監(jiān)測。

目前，常用于地下水污染監(jiān)測的方法有很多，最常見的為高通量測序技術(shù)，探地雷達(dá)方法，過程數(shù)學(xué)模擬法等，其中探地雷達(dá)方法的應(yīng)用也逐漸增多，包括了將探地雷達(dá)應(yīng)用于石油污染區(qū)域的地下水污染檢測，也有研究利用探地雷達(dá)來對地下水污染進(jìn)行追蹤，大量的研究結(jié)果表明了探地雷達(dá)在地下水污染監(jiān)測中具有普適性好，易于推廣，可操作性強等特點[6]。鑒于探地雷達(dá)的優(yōu)點，本次研究從污染風(fēng)險更高的垃圾處理場出發(fā)，將探地雷達(dá)法用于垃圾處理場所地下水非水相液體(LNAPL)數(shù)量和含量測定，以期更好地服務(wù)于垃圾處理場的地下水質(zhì)量，為垃圾處理場所的地下水污染監(jiān)測提供借鑒。

1 地下水污染風(fēng)險評價方法

探地雷達(dá)是幾十年前開始發(fā)展的探測技術(shù)，探地雷達(dá)是一種無損探測技術(shù)，并且探測速度快，主要是用于工程勘察工作。近年來，探地雷達(dá)開始被常用于地下水污染檢測中，借助探測雷達(dá)的相關(guān)優(yōu)點，可以快速精準(zhǔn)的判斷出垃圾處理廠地下水中的污染風(fēng)險。本次研究中便將探地雷達(dá)應(yīng)用于垃圾處理廠下的地下水污染物L(fēng)NAPLs的檢測中，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建地下水污染物實時監(jiān)測體系，利用監(jiān)測體系來實現(xiàn)地下水污染的風(fēng)險評估，以期實現(xiàn)垃圾處理廠地下水的管控，降低地下水資源所受到的污染。

1.1 探地雷達(dá)LNAPLs模型的建立

探地雷達(dá)方法操作簡便，不會對環(huán)境造成二次污染，適用于垃圾處理場所等大范圍監(jiān)測，監(jiān)測成本低[7]。通過探地雷達(dá)對垃圾處理場所地下水中LNAPL所發(fā)出的電磁波進(jìn)行監(jiān)測，可以有效地檢測出垃圾處理場所的地下水污染程度[8]。圖1為探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理和工作流程圖。由于LNAPL在土壤中以四種相態(tài)的形式存在，自由相是其主要存在與表現(xiàn)形式[9]。當(dāng)LNAPL被釋放到地下環(huán)境后，由于重力作用而向下滲透而不受阻礙，此時通過探地雷達(dá)可以將探測到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)增益，在得到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行污染指數(shù)預(yù)測，當(dāng)泄漏的LNAPL污染物量較少且LNAPL達(dá)到一定深度時，當(dāng)重力成為主要驅(qū)動力存在且LNAPL在垃圾處理廠所的地表具有較高濃度時，探地雷達(dá)會自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖處理，此時重力對LNAPL遷移的影響減弱。由于LNAPL飽和度隨著地下水深度的增加而逐漸降低，所以最后需要對探測進(jìn)行帶通濾波，以增加探測深度，在浸沒表面上方實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 Flow chart of GPR data processing

LNAPL在到達(dá)浸沒表面后不能向下遷移，而是在表層土壤帶中橫向遷移，因此其污染物的含水量會影響探地雷達(dá)的響應(yīng)，特別是在在沒有水力梯度的情況下，LNAPL被限制在潛水面周圍的區(qū)域，少量可溶物質(zhì)溶解在地下水中，此時探地雷達(dá)對污染物的監(jiān)測會出現(xiàn)偏差[10]。因此LNAPL滲透模型的建立是探地雷達(dá)前瞻性建模的基礎(chǔ)[7]。圖2(a)為初始概念模型圖，利用NAPL simulator模擬軟件創(chuàng)建了一個滲透模型，該模型模擬了穩(wěn)定平衡狀態(tài)下地下水環(huán)境LNAPL的自由滲漏過程。根據(jù)K-S-P三者的關(guān)系，模擬LNAPL在地層的浸出過程，模型為75cm×100cm，左右邊緣閉合，上下邊緣相連，頂部邊緣頂部高度為0，與大氣壓接觸的面積是82cm×79cm，重力加速度為990cm/s2，下限高度為5cm，平均土壤孔隙率為0.372%，其各參數(shù)均勻且各具備同向性，注油點位于模型中心9cm深。與中心相距1cm，共有8個注油點，總長為7cm，注油時間為3min，注油速度為0.79mL/s，在注油結(jié)束時，LNAPL 自由泄漏，并記錄60min的泄漏過程。圖2(b)為模型靜止后含水量分布圖，模型潛水面深度為50cm，在縱向上，含水飽和度隨深度緩慢增加，34cm左右的位置上含水飽和度迅速增加，在50cm后的位置達(dá)到飽和。

圖2 初始概念模型和靜止后的含水量分布Fig.2 Initial conceptual model and water content distribution at rest

1.2 地下水污染監(jiān)測體系的構(gòu)建

探地雷達(dá)對地下水LNAPL的監(jiān)測依賴于地下水LNAPL含油飽和度的測量，LNAPL含油飽和度越高，則探地雷達(dá)所得到的波就越短，表明LNAPL對垃圾處理場所污染越深[11]。因此，對地下水中LNAPL含油飽和度的監(jiān)測是其核心所在。圖3是LNAPL滲透模型的含油飽和度分布圖，它模擬了60min的LNAPL自由滲透時間。收集的數(shù)據(jù)在幾個典型的時間點被檢索，即模型從初始狀態(tài)下的自由滲透過渡到100%含水量再到達(dá)到注油前的穩(wěn)定狀態(tài)，模型模擬了0～5 000s之間的LNAPL自由滲透狀態(tài)和具體多少，以及剖面被注油后的3min后，停油后30min，停油60min后的狀態(tài)。當(dāng)油液自由向下移動直到停止供油時，上部的流量濃度繼續(xù)向下移動，下部動力分布的濃度也低于原來的濃度。由于該模型底部落差恒定，無雨水沉淀，無抽水孔。在隨后的監(jiān)測階段，LNAPL橫向偏移最大，在縱向上，LNAPL實際上停止并穩(wěn)定，最終在潛水面上形成了一個大的下降坑。因此整個過程深度地模擬了垃圾填埋場地下水中污染物對地下水含水量變化的影響[12]。

圖3 含油飽和度分布圖Fig.3 Oil saturation distribution

地下水LNAPL含水飽和度是除了含油飽和度之外的另一個重要監(jiān)測方面，由于垃圾處理場所地下水深度的原因，油在地下水深層含量較少，因此僅僅對含油飽和度進(jìn)行監(jiān)測難以真實反映地下水深處的LNAPL污染[13]。圖4顯示了當(dāng)LNAPL向下遷移時的土壤水分飽和度圖，反映了LNAPL引起的土壤水分含量變化過程，在石油向下運移而形成的自由通道過程中，該通道內(nèi)土壤的含水量也呈通道狀，與環(huán)境差異顯著，且含水量越高，其差異越大。在注油結(jié)束后第3分內(nèi)，LNAPL的液體形狀近似直線，在2至30cm的頂部、底部和深度均具有高含油飽和度的特征，在注油結(jié)束后30min，液態(tài)油進(jìn)入浸入面，LNAPL流體通過可見重力滲透，隨后動力分布開始發(fā)生變化。在積油的潛水面上，表層水被置換，其含量減少，形成下降趨勢，浸沒的含水層表面明顯發(fā)生變形，LNAPL污染物主要分布在潛水面以上的空間，因此該圖可用于分析和檢測LNAPL在垃圾填埋場所的地下水中的存在[14]。

圖4 含水飽和度分布圖Fig.4 Water saturation distribution

2 某地垃圾處理場地下水污染監(jiān)測分析

2.1 LNAPL濃度監(jiān)測分析

垃圾處理場的地理特征決定了垃圾處理場的地形，地形的不同決定了LNAPL的分布，一般而言在山谷LNAPL的濃度低于平原。對于LNAPL而言，其污染物在垃圾處理場所主要以溶解相而存在，溶解相也作為其核心存在，溶解相是一部分LNAPL溶解在水中并與水混合的產(chǎn)物。在實際監(jiān)測中，需要對不同的地形進(jìn)行分別的監(jiān)測[15]。圖5反映了研究主要參數(shù)的地理位置分布，包括供水

圖5 研究區(qū)模型主要參數(shù)分區(qū)圖Fig.5 Subdivision of main parameters of the study area model

(u)和滲透系數(shù)(K)的具體結(jié)果。其中1號垃圾處理場位于滲透系數(shù)相對于背風(fēng)坡更低，供水度為0.18，滲透系數(shù)為220m/d；2號垃圾處理場位于山體背風(fēng)坡中段，降水稀少，土壤干燥，其供水度為0.20，滲透系數(shù)為220m/d；3號垃圾處理場位于山體迎風(fēng)坡中段，受盛行西風(fēng)的影響，降水豐富，土壤濕潤，且臨近河流，受濕潤空氣影響，因此供水度為0.24，滲透系數(shù)為250m/d，相對于1號和2號垃圾處理場的滲透系數(shù)更高。

研究區(qū)域中7個垃圾處理場所的總面積是647 700 m2，兩個滲水檢測值中的LNAPL記錄濃度分別為0.21m3/m3和0.16m3/m3，土滲透系數(shù)為0.05 m / day，過濾漏水面積約5000m2，過濾水的生產(chǎn)時間為1d，粘土層厚度約為2m，計算得出垃圾處理場源頭和地下水面處垃圾滲濾液的年平均日產(chǎn)生量、分別為和，垃圾處理場源頭和地下水面處LNAPL濃度和分別為0.26m3/m3和0.44m3/m3。

對于風(fēng)險受體處的LNAPL濃度的監(jiān)測，需要通過分析研究區(qū)的地質(zhì)條件，水文地質(zhì)條件和其他數(shù)據(jù)。各水位觀測點的水位觀測值與計算值的擬合曲線如圖6所示。設(shè)雨水入滲系數(shù)為0.55，產(chǎn)水量為500 000m3/(k·m2)，含水層滲透系數(shù)為200～300(m / d)，由于地下水的流入和流出受到測量區(qū)域的土壤密度、土壤含水量、徑流流量等諸多自然因素的影響，因此滲濾液頂端的自由表面是系統(tǒng)的上限，由大氣降水來補充，其他極限值沒有地下水，水流流量極限為零[11]。對地下水流模型進(jìn)行了識別和驗證，通過反復(fù)調(diào)整模型參數(shù)，得出了很好的擬合效果，這表明流量模型能較好地反映實際地下水徑流量[16]。

圖6 各水位觀測點的水位計算值擬合值與觀測值曲線Fig.6 Curves of calculated and fitted water level values and observed value of water level at each water level observation point

LNAPL計算值和濃度監(jiān)測值根據(jù)3個觀測井的位置差異而發(fā)生變化。3個觀測井分別位于觀測區(qū)域的東、南、西3個方向，可以監(jiān)控每個井中的LNAPL濃度，并進(jìn)行計算以監(jiān)控濃度，將觀測數(shù)據(jù)用以評價不同區(qū)域的LNAPL濃度，進(jìn)而評價地下水污染程度，具體的LNAPL計算值和濃度見圖7。

圖7 LNAPL濃度監(jiān)測值和擬合值曲線Fig.7 LNAPL concentration monitoring values and fitting values

圖7中溶質(zhì)運行的路徑和滲濾液中LNAPL的運動路徑一致，假設(shè)從垃圾處理廠源頭向監(jiān)測井滲入的垃圾滲濾液的流量為265mL/min，則有滲濾液LNAPL極限值是0.44m3/m3，由于垃圾處理的效率受人工、環(huán)境、處理環(huán)境等諸多因素的影響。因此垃圾滲濾液向監(jiān)測井滲入的時間和持續(xù)時間也是不定的，垃圾填埋場面積越大，回收地下水污染的面積就越大，觀測值和計算值擬合效果良好，表明建立的溶質(zhì)運移模型可以較好地測量污染物分布。

2.2 風(fēng)險監(jiān)測結(jié)果與討論

根據(jù)LNAPL濃度的不同，將垃圾處理場所的污染等級進(jìn)行分類，并根據(jù)三個監(jiān)測井的位置，對地形對LNAPL濃度的影響進(jìn)行劃分。將地下水固體含量運動模型用于測量垃圾填埋場的三個水井中LNAPL含量，測得的LNAPL濃度見圖8。結(jié)果表明，1號監(jiān)測井受地下水徑流量以及流速的影響，存在較嚴(yán)重污染，隨著時間的后退，LNAPL濃度也不斷增加，并在第5個月突破0.4m3/m3，并預(yù)計在9個月后達(dá)到0.6m3/m3，隨著時間的流逝，LNAPL濃度甚至可能更高，由此可見，1號井的污染指數(shù)為高；2號井的LNAPL濃度在6個月之后，始終在0.2m3/m3上下浮動，因此2號井的污染水平為中；3號監(jiān)控井中未測得LNAPL，表明該垃圾處理場幾乎未對生態(tài)造成污染，LNAPL濃度始終處在0.05m3/m3以下，并且長期保持穩(wěn)定狀態(tài)。在回顧了相關(guān)文獻(xiàn)之后，測量結(jié)果與該地垃圾處理場地下水污染研究的相應(yīng)結(jié)論相吻合，表明本文建立的評價地下水污染風(fēng)險的方法是科學(xué)合理的。

圖8 監(jiān)測井LNAPL濃度計算值Fig.8 Calculated values of LNAPL concentration in monitoring wells

根據(jù)最終的結(jié)果可以得知，針對北天堂簡易垃圾填埋場的地下水資源污染情況的監(jiān)測，在各個觀測井中的監(jiān)測結(jié)果都較為清晰。此外從探地雷達(dá)對各個觀測井的情況來看，觀測井位置的差異也是導(dǎo)致地下水污染物差異的因素。因此可以得知垃圾處理廠地下水中的LNAPL污染物濃度在不同的位置是存在差異的，并且隨著時間的推移，不同觀測點的LNAPL污染物濃度也會呈現(xiàn)不同的變化趨勢。

3 結(jié) 論

3.1 LNAPL濃度監(jiān)測效果較好

研究中提出的探地雷達(dá)方法來進(jìn)行北天堂簡易垃圾填埋場的地下水資源污染的實施監(jiān)測效果較好，可以從結(jié)果中看出，3個觀測井的地下水水位觀測值和計算值具有較好的擬合。同時還能夠觀測到滲濾液LNAPL極限值是0.44m3/m3，通過長時間的監(jiān)測，將觀測值和計算值相比較，也能看出擬合度較高。因此可以得出相關(guān)結(jié)論，研究提出的基于探地雷達(dá)的垃圾處理廠地下水中LNAPL監(jiān)測體系效果較好。

3.2 能實現(xiàn)清晰的風(fēng)險評估

分析風(fēng)險監(jiān)測評價結(jié)果，顯示的3個觀測井的濃度變化趨勢較為明顯，其中1號觀測井濃度持續(xù)上漲，并在風(fēng)險預(yù)測中表示在9個月之后會達(dá)到0.6m3/m3；而3號觀測井的污染程度最低，長期監(jiān)測結(jié)果中顯示變化甚微，并且預(yù)測結(jié)果也表明該觀測井會長期處于較低的污染濃度。根據(jù)風(fēng)險監(jiān)測的結(jié)果可以看出，探地雷達(dá)法在風(fēng)險監(jiān)測中依然能夠表現(xiàn)出較強的作用，對于各觀測井的LNAPL濃度變化趨勢可以進(jìn)行精確的計算，有利于針對性地對各區(qū)域的地下水資源進(jìn)行保護(hù)。

3.3 總結(jié)

由于地下水存在環(huán)境特殊性、流量慢、蝕變少等特點，污染后難以恢復(fù)。在明確研究區(qū)域垃圾處理場的水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，以該地域的垃圾處理場的地下水污染為研究對象，探討探地雷達(dá)法用來評估垃圾處理場所地下水污染風(fēng)險的實際效果。通過研究中的實地測試結(jié)果顯示，結(jié)果與研究區(qū)域垃圾處理場地下水污染的有關(guān)研究結(jié)論相符，也從側(cè)面證明了本文方案的有效性。并且從風(fēng)險評價中也可以看出，研究提出的監(jiān)測方法具有較好的預(yù)測能力，能夠直觀的對區(qū)域的地下水污染變化進(jìn)行預(yù)測分析，也進(jìn)一步的增加了地下水保護(hù)力度。在這項研究中提出的地下水污染監(jiān)測方法來評價污染的可行性仍然需要其他驗證，如通過使用此方法監(jiān)測更多的地下水污染，并測試其準(zhǔn)確性。