王浪，張曼

（1.安徽省化工研究院，安徽合肥230041；2.合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽合肥230009）

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及龐大的人口基數(shù)，垃圾產(chǎn)量急劇增加，尤其近幾年增長速度近乎與GDP 相當(dāng)[1]，預(yù)計(jì)到2030 年可達(dá)到3.29 億噸，因此，及時、安全地處理生活垃圾已成為當(dāng)務(wù)之急。由于衛(wèi)生填埋法具有費(fèi)用低、技術(shù)較成熟、處理量大、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，多數(shù)國家以衛(wèi)生填埋作為處理城市固體廢棄物的最基本方式[4]。但垃圾填埋過程中會產(chǎn)生一種高濃度、多組分、成分復(fù)雜的垃圾滲濾液[5]。垃圾滲濾液經(jīng)各種途徑進(jìn)入地表或地下水體，造成地表水質(zhì)惡化、土壤功能失調(diào)、地下水失去利用價值，嚴(yán)重威脅飲用水和工農(nóng)業(yè)用水安全[6]，所以如何預(yù)測地下水的污染情況成為研究熱點(diǎn)。Dmitry V.[7]提出了一種分析模型，用于評估由含有水溶性有毒物質(zhì)的表層沉積物泄漏引起的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明，該模型具有良好的數(shù)值精度和實(shí)用的便利性，可用于監(jiān)測和預(yù)測垃圾填埋場和工業(yè)固體廢物存儲區(qū)附近的地下水污染。Jakimaviciute 等[8]采用FEFLOW 軟件對某核電站反應(yīng)堆下方地下水中3H 運(yùn)移情況進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明：10 年后3H 不會造成擴(kuò)散。Milnes 等[9]采用FEFLOW 軟件對塞浦路斯南部地區(qū)構(gòu)建了地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，研究了地下水鹽化污染，結(jié)果表明，該區(qū)域地下水鹽化污染主要是由海水入侵造成的。趙春蘭等[10]以冕寧縣漫水灣垃圾填埋場為例，分別采用了Modflow和MT3D 軟件模擬分析了正常工況和事故工況條件下滲濾液中COD 和NH3-N 在地下水中的運(yùn)移過程，并預(yù)測了垃圾封場20 年后滲濾液中COD 和NH3-N濃度情況。趙威[11]、常向萍等[12]也運(yùn)用數(shù)學(xué)模型揭示了有機(jī)污染物在含水介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

基于上述研究，本文以典型盆地地形下的垃圾填埋場為研究對象，對其垃圾滲濾液中的COD 及氨氮作為污染物及預(yù)測因子，采用MODFLOW 和MT3D 模擬軟件分別建立地下水水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，對污染物的遷移進(jìn)行預(yù)測分析，為該垃圾場地下水污染的防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于盆地中部偏北，綿陽市東南部，地處亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，累年平均氣溫16.6℃，平均降雨量870.7 mm。地勢為西北部高，東南部低，地形起伏大，海拔1 000～3 000 m，屬四川盆地盆中丘陵。研究區(qū)主要為含水巖組，巖性以砂巖、泥巖為主，各巖石呈不等厚層狀。大氣降水是地下水的主要來源，地下水接受補(bǔ)給后，一般根據(jù)地形順谷坡由高向低徑流，最后排泄至研究區(qū)周邊的涪江。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 垃圾填埋場的水文地質(zhì)概念模型

（1）含水層概化

根據(jù)研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，含水層分為第四系全新統(tǒng)坡洪積而成的粉質(zhì)黏土（Q4pl+dl）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（Q3pl）孔隙潛水含水層，以及白堊紀(jì)下統(tǒng)蒼溪組（K1c）基巖裂隙潛水含水層。由于第四系全新統(tǒng)淤泥質(zhì)粘土、含粉質(zhì)粘土卵石層為上部弱含水層，且調(diào)查期地下水位基本維持在兩層界面處；白堊紀(jì)下統(tǒng)蒼溪組基巖裂隙含水巖組為下部含水層。因此將評價區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為兩層結(jié)構(gòu)。

（2）邊界條件概化

圖1 為研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖，概化范圍以垃圾填埋場所在區(qū)域面積約3.5 km2的小型水文地質(zhì)單元，單元內(nèi)北側(cè)、西側(cè)都為支溝，因此將其概化為第一類邊界，即水頭邊界；西北側(cè)為山脊，視為分水嶺，將其全部概化為第二類隔水邊界；其余方向以涪江為界，概化為定水頭邊界。潛水含水層底部為砂巖，在勘探深度內(nèi)未揭穿，作為隔水邊界，得到了研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型圖

2.2 數(shù)值模型

（1）水流模型

綜合上述評價區(qū)地層巖性、地下水類型、地下水補(bǔ)徑排特征、地下水動態(tài)變化等水文地質(zhì)條件及評價區(qū)水均衡分析等，在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，可將評價區(qū)地下水流系統(tǒng)概化成非均質(zhì)各向異性、空間多層結(jié)構(gòu)、三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，用下列的數(shù)學(xué)模型表述：

式中：

Ω 為地下水滲流區(qū)域；H 為地下水水頭（m）；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；kxx，kyy，kzz分別表示x,y,z 主方向的滲透系數(shù)（m/d）；W 為源匯項(xiàng)，包括降水入滲補(bǔ)給、河流入滲補(bǔ)給、井的抽水量等（m3/d）；μs為彈性釋水率（m）；H0（x，y，z）為初始地下水水頭函數(shù)（m）；H1（x，y，z）為第一類邊界已知地下水水頭函數(shù)（m）；q（x，y，z）為第二類邊界單位面積流量函數(shù)（m3/d）；n 為邊界S2上的外法線方向。

（2）污染物溶質(zhì)運(yùn)移模型

采用對流－彌散方程來描述污染物在三維地下水流中的運(yùn)移，溶解于地下水中污染物運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：

C：地下水中組分的溶解相濃度，ML-3；θ：地層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；t：時間，T；xi：沿直角坐標(biāo)系軸向的距離，L；Dij：水動力彌散系數(shù)張量，L2T-1；Vi：孔隙水平均實(shí)際流速，LT-1；qs：單位體積含水層流量，代表源和匯，L3T-1；Cs：源或匯水流中組分的濃度，ML-3；∑Rn：化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)，ML-3T-1。

污染物在地下水中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化過程是極其復(fù)雜的，根據(jù)環(huán)境影響評價風(fēng)險(xiǎn)最大化原則，本次模擬不考慮污染物遷移過程中的吸附、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等作用，只考慮對流彌散作用對污染物運(yùn)移的影響。

2.3 模型參數(shù)的取值

（1）給水度的確定

潛水含水層的給水度不僅和包氣帶的巖性有關(guān)，而且隨排水時間、潛水埋深、水位變化幅度及水質(zhì)的變化而變化，各種巖性給水度經(jīng)驗(yàn)值見表1。研究區(qū)第一含水層巖性主要為粉質(zhì)粘土，給水度取值為0.03；第二含水層巖性為粉砂巖、中砂巖，因此本評價給水度取值為0.07。

表1 各種巖性給水度經(jīng)驗(yàn)值（SL278-2002）

（2）孔隙度的確定

巖石和土壤孔隙度的大小與顆粒的排列方式、顆粒大小、分選性、顆粒形狀以及膠結(jié)程度有關(guān)，不同巖性孔隙度大小見表2。研究區(qū)孔隙含水層孔隙度取值0.45，基巖裂隙含水層孔隙度取值為0.60。

表2 松散巖石孔隙度參考數(shù)值（據(jù)弗里澤，1987）

（3）滲透系數(shù)的確定

根據(jù)本次計(jì)算的含水層滲透系數(shù)，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)值等獲得研究區(qū)各層水文地質(zhì)參數(shù)，詳見表3。

（4）降水入滲補(bǔ)給系數(shù)

表3 場地地層及其滲透系數(shù)值

降水入滲補(bǔ)給系數(shù)是指降水滲入量與降水總量的比值，值的大小取決于地表土層的巖性和土層結(jié)構(gòu)、地形坡度、植被覆蓋以及降水量的大小和降水形式等，它是一個無量綱系數(shù)，其值變化于0～1 之間，不同降雨量和巖性條件下的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)見表4。由于研究區(qū)的年均降雨量約為882～1 134 mm，地表土層巖性主要為粉質(zhì)粘土，因此降水入滲補(bǔ)給系數(shù)取值為0.1。

表4 不同巖樣和降水量的平均年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α 值

（5）彌散度的確定

對不同巖性和不同尺度條件下介質(zhì)的彌散度大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，獲得了污染物在不同巖性中遷移的縱向彌散度，并存在尺度效應(yīng)現(xiàn)象（圖2）。根據(jù)室內(nèi)彌散試驗(yàn)以及參照其他地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果，對本次評價范圍潛水含水層，縱向彌散度取50 m，橫向彌散度取5 m。

圖2 松散沉積物彌散度與研究區(qū)域尺度的關(guān)系

2.4 初始邊界條件

（1）空間離散

地下水?dāng)?shù)值模擬范圍約3.5 km2，建模過程中，垂向上依次將全區(qū)概化為第四系全新統(tǒng)孔隙弱含水層及白堊紀(jì)下統(tǒng)基巖裂隙潛水含水層共2 層，采用網(wǎng)格加密優(yōu)化剖分，科學(xué)模擬研究區(qū)地下水流，如圖3 所示。

圖3 模擬范圍內(nèi)網(wǎng)格剖分圖

（2）初始和邊界條件

邊界條件：研究區(qū)為一個相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，將河流和支溝都概化為第一類邊界，即水頭邊界；將分水嶺概化為第二類邊界，即零流量邊界。潛水含水層底部為隔水邊界，頂部接受降水量的補(bǔ)給，排泄以蒸發(fā)為主。

初始條件：將水質(zhì)監(jiān)測井和調(diào)查的民用井的水位作為模擬預(yù)測的初始水位，監(jiān)測井所測的污染物背景值為初始值，初始時間為2017 年12 月。

源匯項(xiàng)：評價區(qū)的源匯項(xiàng)主要包括補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)。項(xiàng)目廠區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要為大氣降水的面狀入滲補(bǔ)給與地下水含水層的側(cè)向補(bǔ)給。地下水含水層之間的側(cè)向補(bǔ)給概化為線狀補(bǔ)給源。評價區(qū)排泄方式以大氣蒸發(fā)及下游徑流排泄為主，其農(nóng)業(yè)開采地下水量較小。根據(jù)前人工作成果和本次調(diào)查，模擬區(qū)大氣降水入滲系數(shù)值α 確定為0.3；收集了研究區(qū)多年平均大氣降水量為966 mm，因此，研究區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給地下水量為：

式中：Q—降雨入滲補(bǔ)給量，m3/d；α—降雨入滲系數(shù)；P—降雨量，mm/a；F—計(jì)算區(qū)面積，m2。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水蒸發(fā)作用的極限深度為4 m，年平均蒸發(fā)量為1 653 mm。利用阿維揚(yáng)諾夫的線性公式計(jì)算地下水蒸散發(fā)量：

式中：Eg—地下水蒸散發(fā)強(qiáng)度（mm/d）；E0—水面蒸發(fā)潛力（mm/d）；hs—地面標(biāo)高；h—潛水位標(biāo)高；—地下水蒸發(fā)極限深度。

2.5 運(yùn)行期污染情景設(shè)置

本評價主要考慮垃圾滲濾液對地下水的影響。本次選取的預(yù)測時間分別為100 天、1 000 天。正常條件下，滲瀝液平均每天的產(chǎn)生量為154 m3/d，考慮填埋區(qū)土工膜及混凝土的防滲作用，設(shè)置防滲層下垂向入滲系數(shù)β 取1%，無防滲層下滲瀝液的下滲量為總產(chǎn)生量的30%，可以計(jì)算出研究區(qū)所在地的滲瀝液下滲量每天為23.87 m3/d。

2.6 預(yù)測因子

預(yù)測因子源強(qiáng)的確定參照工程分析和取樣的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果確定。根據(jù)滲濾液主要成分，按照標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法的排序，本次模擬分別以有機(jī)污染物COD、無機(jī)物污染物氨氮作為污染物遷移的主要因子，其中有機(jī)污染物COD 以耗氧量指數(shù)計(jì)。根據(jù)廠區(qū)2018 年委托第三方檢測機(jī)構(gòu)的檢測報(bào)告，滲濾液中COD 濃度約為1 600 mg/L，氨氮濃度約為525 mg/L。

3 污染物模擬結(jié)果分析

地下水污染有分別以“最大運(yùn)移距離”和“被污染物范圍”為指標(biāo)，“最大運(yùn)移距離”是指污染擴(kuò)散的最大距離；“被污染范圍”是指地下水受到污染的總面積（包括源強(qiáng)的面積），即按地下水Ⅲ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14848-2017）確定的，在被污染范圍內(nèi)水質(zhì)較差，低于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 COD 污染物遷移模擬結(jié)果

圖4 為污染物COD 遷移擴(kuò)散圖，由圖4 可知，研究區(qū)污染源處COD 的濃度保持為703 mg/L，從平面上看，正常工況下100 d 后，項(xiàng)目所在地污染物最大遷移距離約1 200 m，地下水受到污染的總面積為50 810 m2，隨著時間的增加，1 000 d 后污染物最大遷移距離約2 600 m，地下水受到污染的總面積為268 160 m2，超標(biāo)擴(kuò)散范圍已延伸至涪江。

圖4 整改前污染物COD 遷移擴(kuò)散圖

3.2 氨氮污染物遷移模擬結(jié)果

圖5 整改前污染物氨氮遷移擴(kuò)散圖

圖5 為污染物氨氮遷移擴(kuò)散圖，由圖5 可知，填埋區(qū)污染源處氨氮的濃度保持為220 mg/L，從平面上看，正常工況下100 d 后，項(xiàng)目所在地污染物最大遷移距離約1 500 m，地下水受到污染的總面積為63 020 m2，隨著時間的增加，1 000 d 后污染物最大遷移距離約2 650 m，地下水受到污染的總面積為274 520 m2，超標(biāo)擴(kuò)散范圍已延伸至涪江。

4 結(jié)論與建議

本文采用GMS 軟件對COD 和氨氮遷移進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測，結(jié)果表明，1 000 d 后填埋場地下水中的COD 和氨氮含量均已嚴(yán)重超標(biāo)，且遷移范圍已延伸至涪江。

針對該垃圾填埋場及周邊地下水受污染情況，提出地下水防治污染的措施與建議：

（1）從源頭控制滲濾液即減少垃圾滲濾液量，如減少降水、地表水和地下水滲入垃圾填埋場。

（2）對原有滲濾液防滲和處理措施進(jìn)行整改，具體可以通過對填埋垃圾的庫區(qū)重新鋪設(shè)HDPE 防滲襯層來減少垃圾滲濾液的遷移。

（3）對垃圾填埋場及周邊設(shè)地下水監(jiān)測井，長期監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)問題及時處理，降低負(fù)面影響。