李亮,吳靜, 徐世光,2, 張志勇

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，昆明 650041)

冶煉廢渣處理是云南省礦產(chǎn)行業(yè)的常見(jiàn)問(wèn)題，且省內(nèi)多采取建立填埋場(chǎng)方式來(lái)處理固體廢渣。但廢渣一旦發(fā)生泄漏將會(huì)使地下水污染，將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害社會(huì)[1]。對(duì)于填埋場(chǎng)污染問(wèn)題研究，目前主流的方法是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立地質(zhì)模型，以此來(lái)模擬預(yù)測(cè)地下水污染狀況[2]。GMS軟件在地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬方面有成熟的應(yīng)用，很適合處理本次研究問(wèn)題[3,4]。

目前，研究區(qū)的工程地質(zhì)、自然環(huán)境等方面已有較為詳盡的資料，但在地下水方面沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的分析研究。本研究應(yīng)用GMS建立研究區(qū)的溶質(zhì)(污染物)運(yùn)移模型來(lái)探索污染物遷移的規(guī)律、確認(rèn)污染擴(kuò)散時(shí)間和范圍，彌補(bǔ)研究區(qū)對(duì)地下水研究方面的不足，并在此基礎(chǔ)上建立場(chǎng)地的污染監(jiān)控體系。同時(shí)為其他類似場(chǎng)地的污染模擬、監(jiān)測(cè)工作提供參考。

1 研究對(duì)象概況

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于滇東高原和滇西橫斷山脈結(jié)合部位、建水盆地綿羊沖水庫(kù)東南側(cè)。如圖1中藍(lán)線區(qū)域所示，北側(cè)為仙人洞富水塊段，南側(cè)為團(tuán)結(jié)水庫(kù)，東側(cè)和西側(cè)為地表水分水嶺，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。研究區(qū)大面積出露地層為第四系(Q4)松散層，厚度約為22～25 m，巖性為沖、洪積粘土、砂土，為孔隙含水層；而深層是巖性為灰?guī)r和白云巖的泥盆系中統(tǒng)(D2dn)地層，為巖溶含水層。兩套地層之間水力聯(lián)系緊密，可概化為統(tǒng)一的含水體系。松散層含水層主要接受大氣降雨補(bǔ)給，地下水徑流較快，以蒸發(fā)排泄為主；巖溶含水層主要接受大氣降雨補(bǔ)給及松散層入滲補(bǔ)給，地下水總體上自北東向南西徑流，最終流入水庫(kù)或民用井抽水進(jìn)行排泄。

圖1 研究區(qū)三維地貌圖

1.2 研究區(qū)地下水水質(zhì)

在廢渣填埋場(chǎng)周圍采集6組水樣，采樣及化驗(yàn)嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)規(guī)范進(jìn)行[5]，水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 廢渣填埋場(chǎng)附近地下水質(zhì)分析結(jié)果一覽表 單位:(mg/l)

注：“檢出限+ ND”為檢測(cè)結(jié)果低于分析方法檢出限。

由表1的水質(zhì)分析可知，研究區(qū)域內(nèi)的地下水資源并未受到污染。且通過(guò)調(diào)查，在研究區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他污染源。

1.3 廢渣填埋場(chǎng)概況

填埋場(chǎng)處于徑流區(qū)，為半地填埋式，占地面積約為15 000 m2，深4.5 m，總庫(kù)容15 000 m3，由10個(gè)填埋區(qū)組成，共設(shè)置2個(gè)檢漏井。廢渣主要源于鋁礦加工，經(jīng)淋濾作用可能產(chǎn)生氟化物和氰化物等含有害成份的浸出液。在填埋場(chǎng)北東側(cè)和南側(cè)設(shè)3個(gè)50 m深的水文地質(zhì)勘察鉆孔，具體位置分布如圖1中所示。

2 地下水流動(dòng)模型的建立

2.1 研究區(qū)概念模型

將研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為2層，第一層對(duì)應(yīng)第四系松散層，地下水類型為孔隙水；第二層為巖溶含水層,地下水類型為潛水。其邊界條件概化為：北側(cè)為定流量邊界，西側(cè)和東側(cè)為隔水邊界，南側(cè)為定水頭邊界。廢渣填埋場(chǎng)是本次評(píng)價(jià)的主要污染源，污染遷移模擬過(guò)程中將這個(gè)污染源作為排放面源進(jìn)行模擬。研究區(qū)總面積約為5.06 km2，研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流。

2.2 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的分析，當(dāng)不考慮水的密度的變化時(shí)，描述地下水流三維非均質(zhì)各項(xiàng)異性含水層時(shí)，控制方程[2～6]為：

式中,Kxx,Kyy和Kzz分別為x,y和z方向的滲透張量,單位為(LT-1) , 其中L代表長(zhǎng)度，T代表時(shí)間。這里假定滲透系數(shù)主軸與坐標(biāo)軸方向一致。h為水頭(L)；W為單位體積流量(T-1),代表流進(jìn)源或流出匯的水量；Ss為連續(xù)介質(zhì)的貯水率(L-1)或給水率(L-1)；t為時(shí)間(T)。

2.3 空間離散

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀，將研究區(qū)在平面上剖分成300×500 的矩形網(wǎng)格單元，廠區(qū)進(jìn)行了加密處理，垂向上為2 層，模型頂部高程為地表標(biāo)高，底部至潛水底板。有效計(jì)算單元為103 118個(gè)，無(wú)效計(jì)算單元為46 882個(gè)，共計(jì)150 000個(gè)。

2.4 時(shí)間離散

模擬時(shí)段設(shè)定：本次模擬自廢渣填埋場(chǎng)建成開始運(yùn)營(yíng)起，總共模擬7 200 d(20 a)，時(shí)間步長(zhǎng)為50 d，總共144步，模擬得出污染物濃度時(shí)空變化過(guò)程。

2.5 邊界條件與源匯項(xiàng)

水流模型邊界包括北側(cè)的定流量邊界、東西側(cè)的隔水邊界和南側(cè)的定水頭邊界。定流量大小采用達(dá)西公式結(jié)合實(shí)測(cè)流場(chǎng)及含水層特征計(jì)算確定，區(qū)域地下水主要接受降水補(bǔ)給，據(jù)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)年平均降水量為783.1 mm，地形平坦，當(dāng)?shù)亟邓霛B系數(shù)為0.23，由此可計(jì)算出降水補(bǔ)給地下水的量為0.000 493 460 3 m3/d。將地表溝谷概化為一條大致南北向的排水溝。地下水最終以流入水庫(kù)或民用井抽水進(jìn)行排泄。

2.6 參數(shù)的確定

根據(jù)前期大量水文地質(zhì)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)profound壓水試驗(yàn)情況，第四系松散層滲透系數(shù)取1.58×10-6cm/s。根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)地層、構(gòu)造分布特征及注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖溶含水層滲透系數(shù)取值為1.5 m/d。

彌散度室內(nèi)測(cè)定值不宜用于大尺度污染物彌散遷移數(shù)值模擬[7]，因此縱向彌散度的確定參考前人研究成果[8,9]。依據(jù)Zech等(2015)研究得到的彌散度與尺度關(guān)系圖(圖2)[10]，再結(jié)合本次研究區(qū)面積為5.06 km2，北東南西向長(zhǎng)度約為2～3 km的實(shí)際情況，此次彌散度取值5 m。

圖2 彌散度與尺度的關(guān)系評(píng)估圖(據(jù)Zech等2015)

2.7 滲流模擬模型校正

根據(jù)如上所述，輸入相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)通過(guò)對(duì)模型的校正及敏感性分析，最終分別模擬枯水期穩(wěn)定流條件下研究區(qū)范圍內(nèi)地下水等水頭線分布圖如圖3所示。

從上圖可得，研究區(qū)地下水等水頭線分布形態(tài)總體符合該區(qū)地下水滲流場(chǎng)分布特征，地下水自北西向南東向徑流。

3 溶質(zhì)(污染物)運(yùn)移模型的建立

3.1 污染源強(qiáng)

根據(jù)現(xiàn)有廢渣分析資料，廢渣主要有害成份為氟化物和氰化物?！段ｋU(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598-2001)規(guī)定，允許直接進(jìn)入填埋區(qū)的危險(xiǎn)廢物其浸出液中上列兩種有害成份的控制限值如表3所示。

表3 危險(xiǎn)廢物允許進(jìn)入填埋區(qū)的控制限值及

圖3 模擬區(qū)滲流場(chǎng)分布圖

浸出液濃度超過(guò)上列控制限值的廢物，需經(jīng)預(yù)處理后方能入場(chǎng)填埋。廢渣有害成份主要為氟化物，廢渣中的氟化物遇水將產(chǎn)生高濃度的含氟水體。由表1的水質(zhì)分析結(jié)果可知，研究區(qū)域內(nèi)沒(méi)有其他污染源。故本次的污染物運(yùn)移模型以廢渣填埋場(chǎng)作為污染源，以其中的氟化物作為污染物進(jìn)行數(shù)值模擬。本著風(fēng)險(xiǎn)最大原則，本次模擬廢渣填埋場(chǎng)氟化物濃度以100 mg/l作為源強(qiáng)濃度。

3.2 水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)情景設(shè)定

在枯水期滲流場(chǎng)分布條件下，廢渣填埋場(chǎng)底部發(fā)生持續(xù)泄漏下滲到第四系松散粘土孔隙含水層。①泄漏點(diǎn)：固體廢物填埋場(chǎng)底部泄漏，泄漏持續(xù)進(jìn)行。②泄漏源強(qiáng)：泄漏物質(zhì)為氟化物，其濃度為100 mg/l。

將泄漏點(diǎn)設(shè)為補(bǔ)給濃度邊界。根據(jù)污染情形分析，氟化物初始濃度設(shè)為100 mg/l，模擬期為20 a，以50 d為時(shí)間步長(zhǎng)，共模擬了144個(gè)應(yīng)力期。利用MODFLOW 和MT3D 軟件，聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型，得到氟化物擴(kuò)散預(yù)報(bào)結(jié)果(見(jiàn)圖4～8，圖中1C：100，1—代表情景1，F(xiàn)HW—分別代表氟化物濃度(mg/l)，100—代表時(shí)間)，各圖分別給出了在固體廢物填埋場(chǎng)底泄漏發(fā)生100 d、1 000 d、5 000 d、7 200 d后的預(yù)測(cè)結(jié)果。預(yù)測(cè)情景圖坐標(biāo)網(wǎng)格為每格1 000 m。

從上述預(yù)測(cè)圖可以看出：

氟化物在泄漏100 d后，整體沿著廢渣填埋場(chǎng)邊界往南遷移，移動(dòng)距離較短，上覆第四系松散含水層影響范圍限制在填埋場(chǎng)周邊區(qū)域，中心部分最高濃度可達(dá)到源強(qiáng)濃度100 mg/l，而下伏巖溶含水層未受污染，渣庫(kù)底部巖溶含水層濃度為零。

泄露500 d后，上覆第四系松散孔隙含水層進(jìn)一步向南側(cè)遷移，污染羽狀物擴(kuò)散范圍有逐漸增加，而下伏巖溶含水層仍然未見(jiàn)受到明顯污染，未出現(xiàn)明顯污染羽狀物聚集及滲漏。

泄漏1 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴(kuò)散遷移，但遷移距離仍然較短，而下伏巖溶含水層仍然未發(fā)現(xiàn)污染物分布。

泄漏5 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴(kuò)散遷移，濃度也在持續(xù)增大，但遷移距離仍然較短，此時(shí)下伏巖溶含水層出現(xiàn)低濃度氟化物迅速向南側(cè)遷移，最遠(yuǎn)遷移距離約200 m。

泄漏7 200 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴(kuò)散遷移，濃度也在持續(xù)增大，但遷移距離為75 m，擴(kuò)散面積12 800 m2;此時(shí)下伏巖溶含水層出現(xiàn)低濃度氟化物迅速向南側(cè)遷移，最遠(yuǎn)遷移距離約300 m,擴(kuò)散面積36 600 m2。

圖4 100 d后氟化物污染范圍

圖5 500 d后氟化物污染范圍

圖6 1 000 d后氟化物污染范圍

圖7 5 000 d后氟化物污染范圍

圖8 7 200 d后氟化物污染范圍

通過(guò)上述情景模擬分析結(jié)果表明，假如廢渣填埋場(chǎng)以現(xiàn)有污染情景排放，不采取防滲措施條件下將造成該區(qū)地下水不同程度的污染，尤其是一旦特征污染物下滲至下伏巖溶含水層之后，污染物將迅速向南側(cè)遷移，對(duì)地下水產(chǎn)生嚴(yán)重污染。

3.3 對(duì)敏感點(diǎn)的影響分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，廢渣填埋場(chǎng)在無(wú)防滲條件下，會(huì)導(dǎo)致填埋場(chǎng)第四系孔隙含水層及下伏巖溶含水層污染，由于氟化物濃度超過(guò)地下水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的99倍，廢渣填埋場(chǎng)對(duì)含水層仍然有影響。為了說(shuō)明填埋場(chǎng)對(duì)其下游地下水含水層的影響，取ZK2和ZK3作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖9～10為ZK2和ZK3在污染情景下的穿透曲線(BTC)。

從以上穿透曲線圖中可以看出，由于ZK2和ZK3位于填埋場(chǎng)下游邊界，一旦填埋場(chǎng)發(fā)生滲漏，約200 d即可在ZK2和ZK3監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)到填埋場(chǎng)特征污染物超標(biāo)濃度，且表層監(jiān)測(cè)到的特征污染物濃度遠(yuǎn)大于底層。

一旦監(jiān)測(cè)到污染信息，應(yīng)在ZK2和ZK3附近區(qū)域及時(shí)采取地下水污染治理修復(fù)補(bǔ)救措施，如在場(chǎng)地下游綠化帶中開挖東西向排水溝，收集滲漏污染的地下水，同時(shí)及時(shí)查明發(fā)生滲漏原因。

圖9 污染情景下ZK2監(jiān)測(cè)井處氟化物表層和底層的穿透曲線

圖10 污染情景下ZK3監(jiān)測(cè)井處氟化物表層和底層的穿透曲線

4 結(jié)論

(1) 地下水污染分析

廢渣填埋場(chǎng)若發(fā)生污染物(氟化物或氰化物)泄露，將對(duì)地下水產(chǎn)生嚴(yán)重污染，并向南側(cè)遷移。20 a內(nèi)最遠(yuǎn)可擴(kuò)散300 m，擴(kuò)散面積可達(dá)36 600 m2。到時(shí)下游的新寨、水塘寨以及團(tuán)結(jié)水庫(kù)等地的居民生活用水和工業(yè)用水都會(huì)受到污染，對(duì)社會(huì)造成嚴(yán)重的危害。因此必須提高填埋場(chǎng)底部及四周的防滲等級(jí)。

(2) 地下水監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)

以ZK2、ZK3為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合ZK1及2口檢漏井共同構(gòu)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象是松散淺層潛水含水層及對(duì)應(yīng)鉆孔所在第四系松散孔隙含水層。若發(fā)生泄露，在約200 d內(nèi)即可監(jiān)測(cè)到污染信息，并及時(shí)采取地下水污染治理補(bǔ)救措施。