寧立波,陳津端

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，中國 武漢 430074；2.湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國 衡陽 421005)

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的提高，城市垃圾產(chǎn)量也大幅度攀升，生活垃圾的年增長率為8%～10%[1]，城市垃圾處置及污染防治已成為環(huán)境保護(hù)的突出問題[2]，而垃圾滲濾液對地下水的污染尤為引人注意，如何預(yù)報和控制垃圾填埋場地對地下水的污染，進(jìn)而對污染進(jìn)行治理，將是水資源保護(hù)的重大課題[3-4]．

洛陽市作為中原城市群的重點城市[5]，近年工業(yè)發(fā)展與居民生活水平迅速提高，垃圾產(chǎn)量也成倍增加，垃圾填埋造成的環(huán)境危害已經(jīng)嚴(yán)重影響城市形象和居民生活質(zhì)量[6-7]．本文以洛陽市正在運行的某垃圾場為例，運用MODFLOW和Modular 3D Finite Difference Mass Transport Model(MT3D)軟件模擬預(yù)測在未來若干年污染物的運移特征和對地下水的污染強度．

1 垃圾場概況

該垃圾場位于洛陽市西南部，1999年開工建設(shè)，2006年投入使用，距市區(qū)約30 km，占地30 hm2，以生活垃圾和建筑垃圾為主，填埋深度為10 m，預(yù)計年處理垃圾2.178×105t．

2 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)面積約2.16 km2．垃圾填埋場位于一山谷谷底，地下水位埋深0.5～2.5 m．第四系松散沉積層可分為兩層：上部溝壁兩側(cè)為4～15 m厚的黃土，透水能力差．溝底巖性是粉砂、砂卵石，其透水能力相對較好．第二層為厚度不均的粘土、亞粘土及黃土層，厚度5～35 m．地下水流向為由溝壁流向溝谷，后在溝底匯集自西向東流動．研究區(qū)含水層厚度有的地方大、有的地方較小，水力坡度的變化也起伏不定，時大時小，總的來看這里的孔隙水具有明顯的三維流動特征，因此作者將該區(qū)的地下水流動系統(tǒng)概化為三維系統(tǒng)(圖1)．圖中采用80西安坐標(biāo)系，縱橫坐標(biāo)單位為km.

根據(jù)地下水位的動態(tài)特征狀態(tài)確定模型的側(cè)邊界，將地下水位相對穩(wěn)定的區(qū)域確定為側(cè)向邊界；而上邊界的確定是根據(jù)自由潛水面界定，其確定因素為降雨與蒸發(fā)；據(jù)研究區(qū)資料，在80 m深度的位置，基本沒有底部的水量交換，所以將底邊界設(shè)定為第二類邊界．

3 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，構(gòu)建污染物遷移數(shù)學(xué)模型:

4 地下水中污染物遷移數(shù)值模擬

本研究應(yīng)用MODFLOW和MT3D軟件求解上述數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行污染物運移模擬．模擬范圍為2.16 km2,南北寬度為1.2 km,東西長度為1.8 km. MODFLOW和MT3D在評價地下水資源及污染物遷移中的應(yīng)用廣泛，并取得了很好的效果．

4.1 初始條件及邊界條件

本次研究模擬時間為2020～2050年，因此應(yīng)用2011年1月份的觀測水位作為初始水位．模擬的范圍不是一個完整的自然單元，因此在邊界確定方面主要是根據(jù)流場和地下水位在時間變化的情況下不斷波動的特性，特別選取地下水開采范圍的外部邊界，尤其是地下水位變化相對較小區(qū)域的水頭當(dāng)做模型的一類邊界．

4.2 參數(shù)的確定

確定參數(shù)是構(gòu)建數(shù)值模型的重要環(huán)節(jié)[8-9]．根據(jù)勘察報告及相關(guān)資料，場區(qū)巖土滲透系數(shù)見表1．本區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡單，分為上下兩個含水層．上層為導(dǎo)水能力較強的砂卵石，下層為滲透性較差的粉細(xì)沙土．各層參數(shù)值如表2．

表1 巖土滲透系數(shù)統(tǒng)計表

表2 水文地質(zhì)參數(shù)與溶質(zhì)運移參數(shù)

4.3 污染源特點

該垃圾填埋場運行時間較短，垃圾滲濾液中的有機成分質(zhì)量濃度較高，其中2006年4月份監(jiān)測CODCr為769 mg/L，銨根離子濃度為805 mg/L，氯離子濃度為3 121 mg/L．在垃圾填埋場下游，距離填埋場10 m左右的地方鉆孔取水樣分析發(fā)現(xiàn)，該孔地下水中CODCr濃度30 mg/L左右，銨根離子濃度為40 mg/L左右，氯離子濃度為60 mg/L(背景值6 mg/L)，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于研究區(qū)背景值．說明該垃圾填埋場雖然有衛(wèi)生防護(hù)措施，但垃圾滲濾液已經(jīng)透過防護(hù)層進(jìn)入地下含水層中．

5 模擬結(jié)果分析

為了充分認(rèn)識垃圾滲濾液在地下水中的遷移污染范圍，本次模擬中，應(yīng)用保守型離子Cl-作為模擬因子[10-11]，分析不同時段垃圾滲濾液遷移擴展?fàn)顩r．污染源中氯離子的濃度采用滲濾液透過防護(hù)層后的濃度．根據(jù)2011年4個季節(jié)監(jiān)測的結(jié)果，滲濾液透過防護(hù)層后氯離子的平均濃度為68 mg/L．模擬時間步長從2020年至2050年，共30年．根據(jù)所確定的參數(shù)，采取MODFLOW和MT3D軟件進(jìn)行計算和模擬[12]，結(jié)果見圖2～5．

圖2 2020年Cl-遷移范圍 圖3 2030年Cl-遷移范圍

圖4 2040年Cl-遷移范圍 圖5 2050年Cl-遷移范圍

模擬結(jié)果表明，污染物的運移范圍隨時間的變化而變化，且呈持續(xù)擴大的趨勢．由圖2～圖5可以看出污染暈的形態(tài)呈橢圓狀，其長軸方向指向地下水的流向．在無外來事件干擾的前提下，污染物的擴散范圍將持續(xù)向下游運移并漸漸增大，具體結(jié)果見表3．假如將來下游地區(qū)由于生活或者工業(yè)生產(chǎn)而加大地下水的開采強度，甚至其他不可知的原因使得地下水流場發(fā)生較大的變化的情況下，可能污染物影響的范圍將會放大．模擬計算給出了地下水污染暈的變化動態(tài)．分析認(rèn)為：

(1)通過分析氯離子最大遷移距離，確定污染羽的范圍，是目前研究垃圾場滲濾液污染地下水的主要手段之一．從表3中可以看出：在該垃圾場運營的早期，地下水中的污染物濃度迅速增加，污染羽向下游擴展的速度較快．隨著污染物的持續(xù)運移，地下水的混合作用會逐漸加強，尤其是越向下游這種混合作用愈加強烈，污染物濃度會被稀釋而逐步變小，相應(yīng)的其擴散的速度也會越來越慢．

(2)由模擬結(jié)果可以看出，垃圾滲濾液向溝壁兩側(cè)擴展的范圍不是很大，但由于垃圾填埋場部分改變了地下水流場，特別是抬高了垃圾填埋區(qū)的地下水位高程，使填埋區(qū)垃圾滲濾液向兩側(cè)泄露的機會加大，對附近區(qū)域應(yīng)做好防護(hù)工作．

表3 Cl- 最大遷移距離表

6 結(jié)論與建議

(1)在垃圾場運營早期，地下水中的污染組分濃度增加明顯，污染羽快速向下游擴展，遷移距離達(dá)到700 m，而隨著污染物遷移距離的擴大其濃度和擴展速度都開始降低；

(2)污染物運移距離在2050年接近1 km，已逼近洛陽市區(qū)，將對當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟踩斐晌：Γ?/p>

(3)建議加強對垃圾滲濾液的處理力度，并在垃圾場下游建設(shè)地下防護(hù)墻．

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