基于MODFLOW的某垃圾場(chǎng)滲濾液污染模擬研究

沈碧哲

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110007)

某垃圾填埋場(chǎng)位于遼寧東部低山丘陵區(qū)，運(yùn)行中產(chǎn)生的滲濾液對(duì)周?chē)h(huán)境造成一定影響。王海龍等在研究基巖裂隙水時(shí)，發(fā)現(xiàn)基巖裂隙流屬于復(fù)雜地下水流，和地表孔隙介質(zhì)的地下水流有一定的差異，但孔隙介質(zhì)流動(dòng)模型研究有很多成熟的經(jīng)驗(yàn)，而裂隙介質(zhì)流動(dòng)本身涉及的影響因素又很復(fù)雜，利用兩者的相似點(diǎn)，將山區(qū)裂隙流等效多孔介質(zhì)方法來(lái)研究有很好的效果。周振江等探究地下水污染防治時(shí)，認(rèn)為研究地下水環(huán)境保護(hù)時(shí)，應(yīng)著重研究如何高效地處理水污染問(wèn)題。

有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)等地下水模擬方法現(xiàn)階段應(yīng)用十分廣泛。本文選用Visual MODFLOW FLEX采取有限差分法對(duì)新舊2個(gè)垃圾填埋場(chǎng)滲濾液在地下水中的遷移范圍進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)評(píng)估。在設(shè)定情景下，預(yù)測(cè)污染物COD、氨氮超標(biāo)范圍，及與1#支洞和2#支洞之間隧洞的防護(hù)范圍的位置關(guān)系。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

垃圾場(chǎng)附近輸水工程位于遼寧東部，由水庫(kù)取水，經(jīng)主輸水隧洞、分支輸水洞及管道自流到城市各需水企業(yè)。該段現(xiàn)已貫通。該隧洞2#支洞控制段上游上方為新舊2個(gè)垃圾處理廠，施工期間發(fā)現(xiàn)垃圾場(chǎng)向洞內(nèi)滴滲污水，為保證將來(lái)隧洞內(nèi)輸水水質(zhì)不受污染，設(shè)計(jì)已經(jīng)采取必要確保安全的防護(hù)措施，防護(hù)段范圍在1#支洞和2#支洞之間。

工程區(qū)處于山區(qū)，山體走向主要呈NE向，總體地勢(shì)南東高西北低，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，山頂高程多在300～500m之間。地貌成因上以侵蝕構(gòu)造地形—侵蝕斷褶低山-尖頂狀低山為主，基巖大部分裸露，植被發(fā)育；區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，多為寬緩開(kāi)闊的“U”形谷。工程區(qū)出露的地層主要為頁(yè)巖，并于隧洞出口處有少量分布有第四系(Q4)坡洪積物及沖洪積物等。

依據(jù)水文地質(zhì)條件及垃圾場(chǎng)滲濾液在地下水環(huán)境中的遷移范圍，在滿(mǎn)足環(huán)境影響預(yù)測(cè)的前提下，確定本次模擬區(qū)范圍，總面積約5km2，如圖1所示。

圖1 模擬計(jì)算區(qū)范圍示意圖

1.2 邊界條件

模擬區(qū)沒(méi)有天然水頭邊界，將分水嶺附近的北面邊界、垂直于地下水等水位線(xiàn)的西面和東面的邊界概化為零流量邊界。僅模擬區(qū)南面局部區(qū)域?yàn)榱髁窟吔纾脭嗝娣ㄓ?jì)算流量。

該系統(tǒng)的上邊界為地下水含水層自由水面，僅有入滲補(bǔ)給垂向通過(guò)該邊界，將此段隧洞下部高程60m處作為此次模型的底板。

1.3 水文地質(zhì)特征

(1)含水層

模擬區(qū)地層巖性單一，均為頁(yè)巖，層理發(fā)育，多以水平狀為主，與模擬區(qū)外部具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系，所以把該區(qū)域概化成單層含水層進(jìn)行模擬計(jì)算。

(2)地下水流動(dòng)特征

該區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)以自北向南方向水平徑流方式為主。根據(jù)地下水流動(dòng)特點(diǎn)，忽略地下水流的垂向分量，進(jìn)而概化為層流滲流。

1.4 地下水流數(shù)值模型的建立

(1)模型剖分及數(shù)字高程模型

本次地下水流數(shù)值模擬采用二維規(guī)則網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算節(jié)點(diǎn)在單元中心。研究區(qū)剖分為78行80列1層，對(duì)垃圾填埋場(chǎng)區(qū)域的有限差分網(wǎng)格細(xì)化2倍，水平網(wǎng)格大小為25m×25m，其他區(qū)域水平網(wǎng)格大小為50m×50m，模擬區(qū)剖分為無(wú)效矩形網(wǎng)格單元2020個(gè)，有效矩形網(wǎng)格單元4040個(gè)，合計(jì)6240個(gè)。

模型的地表高程和潛水含水層的底板用數(shù)字高程來(lái)表示。模型的頂面為地表，剔除異常高程數(shù)據(jù)，進(jìn)一步采用Kriging插值法生成數(shù)字高程模型。模擬區(qū)地表數(shù)字高程模型如圖2所示。

圖2 模擬區(qū)地表數(shù)字高程模型

以1980年1月1日作為模型的初始流場(chǎng)，以月作為時(shí)間步長(zhǎng)，并根據(jù)模型預(yù)測(cè)輸水工程附近的污染水平。模擬區(qū)潛水初始流場(chǎng)如圖3所示。

圖3 模擬區(qū)潛水初始流場(chǎng)

1.5 模型的識(shí)別與檢驗(yàn)

為更準(zhǔn)確地展現(xiàn)地下水的變化規(guī)律，反復(fù)識(shí)別、驗(yàn)證模擬區(qū)的地下水系統(tǒng)，確保有較小的水位擬合誤差。參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 模型識(shí)別與驗(yàn)證后參數(shù)取值表

通過(guò)擬合對(duì)比，模擬區(qū)的地下水系統(tǒng)的流場(chǎng)特征和實(shí)際水文地質(zhì)條件通過(guò)該模型展示是合理可信的。

2 地下水污染模擬預(yù)測(cè)

2.1 地下水污染預(yù)測(cè)情景設(shè)定

原垃圾場(chǎng)于1980年投入運(yùn)行，新建垃圾場(chǎng)于2011年竣工完成試運(yùn)行。新建垃圾場(chǎng)設(shè)置了水平防滲和垂直防滲，不會(huì)對(duì)地下水造成新的污染；原有垃圾場(chǎng)已實(shí)施了封場(chǎng)，并采用有效措施使原有垃圾場(chǎng)滲瀝液不對(duì)地下水造成新的污染。因此，本項(xiàng)目主要污染源為原垃圾場(chǎng)在加強(qiáng)防護(hù)前所產(chǎn)生的滲瀝液。

源強(qiáng)計(jì)算：經(jīng)調(diào)查分析，在1980—2010年期間，原有垃圾場(chǎng)滲瀝液產(chǎn)生量平均為70m3/d，2011年封場(chǎng)以后，滲瀝液產(chǎn)生量為18m3/d。分析工程最大風(fēng)險(xiǎn)情況，即滲瀝液全部滲入地下水含水層中。滲瀝液中COD、氨氮，GB 50869—2013參考《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的國(guó)內(nèi)典型填埋場(chǎng)不同時(shí)期滲瀝液水質(zhì)范圍上限，詳見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)因子及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一覽表 單位：mg/L

模擬預(yù)測(cè)COD和氨氮2種污染物在不同時(shí)段的影響范圍，參照GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類(lèi)水確定不同污染物的超標(biāo)范圍，詳見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)因子及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一覽表 單位：mg/L

2.2 地下水污染預(yù)測(cè)

根據(jù)污染源位置和源強(qiáng)大小，設(shè)定的污染泄漏情景，利用地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，分別對(duì)不同時(shí)期的污染物COD、氨氮超標(biāo)范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定超標(biāo)范圍及隧洞方向超標(biāo)長(zhǎng)度。

(1)COD滲漏地下水污染預(yù)測(cè)

在設(shè)定情景條件下，COD的地下水污染模擬結(jié)果如圖4所示、見(jiàn)表4。

圖4 COD含水層影響范圍圖

表4 COD影響范圍統(tǒng)計(jì)表

從污染物COD預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果可以看出，在極端泄露地非正常狀況情景下，泄露的COD在濃度降低的同時(shí)逐步向下游擴(kuò)散，核部污染物濃度高的面積隨著時(shí)間增長(zhǎng)越來(lái)越小但超標(biāo)范圍和隧洞方向的影響長(zhǎng)度均隨著時(shí)間的增加而增加。25550d以后，超標(biāo)范圍和隧洞方向的影響長(zhǎng)度達(dá)到最大，COD污染物超標(biāo)面積為487.9萬(wàn)m2。隧洞方向超標(biāo)長(zhǎng)度為2215m。極限條件下，超標(biāo)范圍在支護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)隧洞影響不大。

(2)地下水中氨氮污染預(yù)測(cè)

在設(shè)定情景條件下，氨氮的地下水污染模擬結(jié)果如圖5所示、見(jiàn)表5。

圖5 氨氮含水層影響范圍圖

表5 氨氮影響范圍統(tǒng)計(jì)表

從污染物氨氮預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果可以看出，在極端泄露地非正常狀況情景下，泄露的氨氮污染物在濃度降低的同時(shí)逐步向下游擴(kuò)散，超標(biāo)范圍和隧洞方向的影響長(zhǎng)度均隨著時(shí)間的增加而增加，10950d以后，超標(biāo)區(qū)域增速越來(lái)越緩慢。25550d以后，超標(biāo)范圍和隧洞方向的影響長(zhǎng)度達(dá)到最大，氨氮污染物超標(biāo)面積為331.8萬(wàn)m2。隧洞方向超標(biāo)長(zhǎng)度為1788m。氨氮的污染范圍要小于同期的COD污染范圍。極限條件下，超標(biāo)范圍在支護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)隧洞影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

從模擬結(jié)果分析得出，由北向南，越靠近下游，污染物擴(kuò)散速度越來(lái)越慢，同時(shí)其濃度也漸漸降低。隧洞上游1#支洞方向基本沒(méi)有受到垃圾場(chǎng)滲濾液的影響。

滲濾液所產(chǎn)生的污染物在濃度降低的同時(shí)向下游擴(kuò)散。在預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)，污染物COD、氨氮超標(biāo)范圍在1#支洞和2#支洞之間隧洞的防護(hù)范圍內(nèi)。

本文通過(guò)有限差分法對(duì)場(chǎng)區(qū)污染物運(yùn)移進(jìn)行了數(shù)值模擬，具有借鑒意義，但仍存在以下不足：

(1)本文參數(shù)均取極端條件下，預(yù)測(cè)范圍可能比實(shí)際影響范圍大。

(2)如何將MODFLOW與其他有限元建模軟件(Midas等)結(jié)合使用，需做進(jìn)一步研究。