邢麗娜

摘 要：針對生活垃圾填埋場運行中面臨的滲濾液泄漏污染地下含水層的潛在威脅，論文通過概化某生活垃圾填埋場地的水文地質(zhì)物理概念模型，利用Visual Modflow軟件對該場地進行建模和擬合調(diào)參，預測了滲濾液發(fā)生泄漏后20年特征污染物NH3-N在含水層中的運移規(guī)律。模擬發(fā)現(xiàn)：在水平方向上，污染物隨水流方向不斷擴散，污染面積不斷加大，污染速率呈先增長較快后逐漸變緩慢的趨勢，污染濃度由滲漏中心向周圍遞減，污染物在20年內(nèi)向下游地區(qū)運移時所到達的最遠污染距離為841.3m，受污染區(qū)域面積最大為0.243km2;在垂向上，由于存在第3、5、7層為弱透水層的阻隔作用，雖隨著時間推移，污染物不斷向下擴散，但研究周期內(nèi)在污染物到達模型底板時，特征污染物的濃度均小于1.5mg/L，由此可見特征污染物不會滲入深部含水層。

關(guān)鍵詞：Visual Modflow;生活垃圾填埋場;污染物運移;地下水

Abstract： In view of the potential threat of the leaked leachate contaminating underground aquifers during the operation of domestic waste landfills， this paper generalizes the hydrogeological and physical conceptual model of a domestic waste landfill site and uses Visual Modflow software to model and fit the parameters， and uses the fitted model to simulate and predict the migration rule of the characteristic pollutant NH3-N in the aquifer for 20 years after the leakage of the leachate. The simulation found that in the horizontal direction， the pollutants continued to diffuse along the direction of the water flow， and the pollution area continued to increase. The pollution rate showed a trend of increasing faster and then gradually slowing down. The concentration of pollution gradually decreased from the leakage center to the surroundings. When pollutants are transported to the downstream area within 20 years， the longest pollutant distance reached 841.3m， and the maximum area of the polluted area was 0.243 km2. In the vertical direction， due to the existence of the barrier effect of the third， fifth， and seventh layers as weak permeable layers， although pollutants continued to diffuse downward over time， the concentration of characteristic pollutants had less than 1.5 mg/L when the pollutants reach the model floor during the study period， so it can be seen that the characteristic pollutants will not penetrate into the deep aquifer.

Keywords： Visual Modflow; Domestic waste landfill site; Pollutant transport; Groundwater

0 前言

在過去幾十年里，我國的社會經(jīng)濟得到了前所未有的發(fā)展，伴隨而來的地下水污染問題也受到越來越多的關(guān)注。由于地表水污染日益嚴重，地下水作為重要的自然資源，在人們生活中扮演著越來越重要的角色，地下水環(huán)境惡化成為我國面臨的嚴重環(huán)境污染問題之一。由于地下水污染具有隱蔽性、難以逆轉(zhuǎn)性的特點，地下水污染防治工作已引起高度重視。而地下水污染防治的關(guān)鍵問題是掌握污染物在地下水中的運移情況。地下水的管理、開采與保護也需要有合理具體的規(guī)劃來進行，因此運用地下水數(shù)值模擬軟件來模擬研究區(qū)域的水動力場、水化學場及變化規(guī)律可以為區(qū)域整體地下水的管理以及后續(xù)的開采與保護提供強有力的數(shù)據(jù)支撐（王慶永等，2007）。研究污染物在地下水中的運移規(guī)律，對保護地下水環(huán)境具有重要的理論意義和利用價值。國內(nèi)外學者對污染物在地下水中的運移規(guī)律進行了大量的研究，常用的模擬軟件有Visual MODFLOW，GMS軟件的MODF-LOW和MT3D模塊等。

隨著人口的增長和經(jīng)濟的快速發(fā)展，垃圾的產(chǎn)生量也在不斷增長（侯濤，2018），相關(guān)研究表明：80%的國家存在著生活垃圾造成地下水污染的問題，垃圾填埋場主要產(chǎn)出滲濾液，其中含有CODCr、NH3-N等污染因子，在垃圾填埋場防護措施不當或產(chǎn)生一定程度破損時會引起含一定量滲濾液的污水滲入地下水系統(tǒng)中。地下水污染進程具有污染緩慢型和隱蔽性，滲濾液持續(xù)泄露可能形成難以治理的地下水污染情況。由于地下水一旦被污染便極難治理（薛丹等，2017），所以如果生活垃圾填埋場滲濾液一旦發(fā)生滲漏而沒有及時處理，則會產(chǎn)生極其嚴重的后果（洪梅等，2011）。本文以河北省某生活垃圾填埋場為例，利用Visual Modflow進行非正常工況下的地下水溶質(zhì)運移模擬，所得結(jié)果可為該生活垃圾填埋場及其周邊的地下水污染防治提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于燕山臺褶帶的西部，Ⅳ級構(gòu)造單元寶坻凸起的西部，第四系沉積物主要由潮白河沖積物組成，巖性以粉質(zhì)黏土、黏土、粉土、中砂、細砂為主，總厚度約430m，由老至新時代為Q1-Q4。

區(qū)域內(nèi)距離生活垃圾填埋場最近的地表水體為東北方向約3km處的潮白新河，其他水渠均為人工開挖平時與周圍地下水無水力聯(lián)系。由于研究區(qū)域地下水流向為西北向東南流動，而且地下水污染進程緩慢，本次模擬地表水體的影響不作考慮。

該填埋場為正規(guī)生活垃圾衛(wèi)生填埋場，在建設時采用了水平復合防滲（1.5mm厚HDPE土工膜+1.0m厚黏土結(jié)構(gòu)），并在場底實施了滲瀝液導排措施，收集后滲瀝液進入調(diào)節(jié)池后提升至滲瀝液處理站進行處理，于2010年3月建成使用。原設計滲瀝液處理工藝為“碟管式反滲透法”，處理規(guī)模為50t/d，設備老化嚴重，處理能力偏低，出水水質(zhì)不達標，于2016年年底停止運行，滲瀝液暫存于調(diào)節(jié)池內(nèi)。環(huán)保督察兩次對該填埋場提出了整改意見，整改問題包括設置填埋氣收集及處理系統(tǒng)，設置滲瀝液收集及處理系統(tǒng)，對大氣和地下水污染采取解決措施等。

2 模型的建立與校正

2.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)勘察資料，研究區(qū)第四系含水層主要分布在河沖洪積扇的中部和下部、潮白河沖洪積扇的下部潮白河與河的扇間地帶，按照水文地質(zhì)條件的差異分為：Ⅰ區(qū)、河沖洪積扇水文地質(zhì)區(qū);Ⅱ區(qū)、潮白河與河扇間水文地質(zhì)區(qū);Ⅲ區(qū)、潮白河沖洪積扇水文地質(zhì)區(qū)。

第四系孔隙含水層在該區(qū)從上到下依次可分為4個含水組（圖1）。

第Ⅰ含水組：埋深0～40m。含水砂層厚 13～25m;巖性為粉細砂、中砂、含礫粗砂。單位涌水量1～3m3/h·m。水化學類型為 HCO3-Ca-Na型，礦化度0.3～0.8g/L。

第Ⅱ含水層組：埋深40～100m。含水沙層厚13～25m;巖性為中粗砂、含礫粗砂，夾薄層砂礫石。單位涌水量3～15m3/h·m。水化學類型為HCO3-Ca型，礦化度0.5～0.7g/L。

第Ⅲ含水層組：埋深 100～180m，含水砂層厚 52～70m;巖性以粗砂卵礫石為主，夾薄層中粗砂層和含礫亞砂土，單位涌水量為18～60m3/h·m，最大可達70～115m3/h·m以上。水化學類型為 HCO3-Ca-Mg型，礦化度為0.3～0.5g/L。該含水層組水量大，水質(zhì)好，為本區(qū)供水的主力含水層。鍶元素含量達0.5～1.1mg/L，一般均能達到天然飲用礦泉水標準。該地區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中式飲用水均開采此層地下水作為供水水源。

第Ⅳ含水組：埋深180～320m，含水砂礫石層厚100～150m;巖性以粗砂卵礫石為主，夾薄層中細砂和含礫亞砂土、亞黏土。單位涌水量40～80m3/h·m，水化學類型為HCO3-Ca-Na型，礦化度0.5～0.7g/L。第四系孔隙含水層從北向南，即從河洪積扇的上部至中部再到?jīng)_洪積扇下部地區(qū)，含水層巖性由粗變細，即由粗砂卵礫石、到含砂中粗砂，富水性由大變小，含水層之間出現(xiàn)較為穩(wěn)定的亞黏土、黏土隔水層，從而使各含水組之間的水力聯(lián)系由好逐漸變得較差。第Ⅰ含水組為潛水，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組為承壓水。根據(jù)開采條件將第Ⅰ、Ⅱ含水組劃為淺層地下水，第Ⅲ、Ⅳ含水組劃為深層地下水。

垃圾填埋場附近地層以粉土、粉質(zhì)黏土、細砂為主要巖性（圖2），其中包氣帶巖性以粉土及粉質(zhì)黏土為主，在垃圾填埋場內(nèi)穩(wěn)定存在，根據(jù)地勘報告該地區(qū)地下水水位埋深在7～8m左右，包氣帶主要以粉質(zhì)黏土層為主，厚度在4.6m以上，因此包氣帶有一定的防護能力。

本次模擬區(qū)域埋深約40.00m深度范圍內(nèi)，屬于第四系第Ⅰ含水組，其平面初始流場如圖3所示，由于研究區(qū)域與地表水體無直接水力聯(lián)系，而且研究區(qū)域及其周邊地勢平坦無明顯分水嶺，按照地表分水嶺劃分水文地質(zhì)單元原則，可知模擬區(qū)域為一個完整的水文地質(zhì)單元。模擬區(qū)域地下水一般年變幅在0.50～1.00m左右，且多年來地下水位變化穩(wěn)定，因此區(qū)域地下水可概化為非均質(zhì)各向異性的潛水含水層。

根據(jù)勘察資料，模擬區(qū)域埋深約40.00m深度范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為7層，自上而下分別為人工填土層（Qml）、全新統(tǒng)上組陸相沖積層（Q43al）、全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）、全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q41al）、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層（Q3eal）、上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層（Q3dmc）、上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層（Q3cal）。除人工填土層外，其他地基土層水平方向上土質(zhì)均勻，且分布穩(wěn)定。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB5048-2008）附錄F及室內(nèi)試驗結(jié)果，結(jié)合各層土性質(zhì)，劃分研究層并得出相應的滲透系數(shù)（表1）。

生活垃圾填埋場污染物監(jiān)測預警設備還不夠完善，因此本次模擬是假設垃圾滲濾液發(fā)生滲漏而未被發(fā)現(xiàn)的情況下，污染物的運移規(guī)律及對地下水造成的影響。通過對生活垃圾填埋場場地資料的分析，將滲濾液收集處理站設置為滲漏區(qū)域。

由于模擬區(qū)域不存在明顯天然邊界，需要人為地劃分區(qū)域邊界。地下水分水嶺與流線均可作為隔水邊界，因此將垂直于等水位線的邊界即東北部邊界與西南部邊界設置為隔水邊界，其余邊界設置為側(cè)向補給邊界。

2.2地下水流數(shù)學模型

由于模型模擬的含水層屬潛水類型，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)形式排泄，因此地下水流數(shù)學模型應建立為（張人權(quán)等，2011）：

式中：Kx，Ky為x，y方向上的滲透系數(shù)，單位m/d;H為地下水位標高，單位m;h為含水層厚度，單位m;μ為潛水含水層重力給水度;Ω為滲流區(qū)域;Г1為滲流區(qū)的側(cè)向補給邊界;Г2為滲流區(qū)的隔水邊界;q（x，y，t）為定義的含水層Г1邊界單位面積流量，單位m3/m2·d。

2.3 地下水溶質(zhì)運移數(shù)學模型

考慮污染物在含水層中的交換、吸附、遷移與生物化學反應的地下水溶質(zhì)運移的三維流動數(shù)學模型可表示為（李巍等，2019;趙貝等，2015）：

式中：C為模擬污染質(zhì)的濃度，單位mg/L;ne為有效孔隙度;t為時間，單位s;xi或xj為在直角坐標系下沿各方向上的距離，單位m;Vi為滲透速度，單位m/d;C'為源匯的污染質(zhì)濃度，單位mg/L;W為源匯單位面積上的通量;∑Rn為化學反應項;αjmn為含水層的彌散度;Vm，Vn為m和n方向上的速度分量;|V |為速度模;Ω為研究區(qū)。

在利用Visual Modflow進行溶質(zhì)運移時，需要選擇具體的污染指標并在模型中賦初始濃度值來進行模擬。由于氨氮是限制污染排放政策文件中的約束性指標（饒磊，2018），且垃圾滲濾液中氨氮超標倍數(shù)要高于其他污染物，因此本次模擬選用氨氮作為特征污染物進行運移。生活垃圾填埋場污染物監(jiān)測預警設備還不夠完善，因此本次模擬是假設垃圾滲濾液發(fā)生滲漏而未被發(fā)現(xiàn)的情況下，污染物的運移規(guī)律及對地下水造成的影響。通過對生活垃圾填埋場場地資料的分析，將滲濾液收集處理站設置為滲漏區(qū)域。模擬時間設為20年（7300天），污染物初始濃度設置為未處理垃圾滲濾液中氨氮的濃度1200mg/L。

2.4 模型的擬合校驗

模型的擬合校驗是地下水流數(shù)值模擬中極為重要的一步，只有在與實際擬合良好的基礎上，才能保證模擬出的結(jié)果是真實可靠的。地下水流數(shù)值模擬的擬合校驗一般均為通過比較計算值與觀測值的擬合情況，不斷調(diào)整含水層滲透系數(shù)、給水度等水文地質(zhì)參數(shù)，以使模型模擬情況與實際情況相吻合來實現(xiàn)的。本次模型識別采用試估-校正法，該方法是反求參數(shù)的間接方法中的一種（黃一帆，2014）。模擬區(qū)域已有監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示：

由圖4可以看出模型計算水位與實際監(jiān)測水位的擬合結(jié)果，由于前期收集的監(jiān)測井數(shù)據(jù)較為準確，因此可以得出模型模擬結(jié)果與實際情況基本一致。其中誤差最小的為12#井，僅為0.06m;誤差最大的25#井也只有0.55m，基本符合精度要求。

3 模擬結(jié)果分析

利用已經(jīng)擬合校正完成的地下水流溶質(zhì)運移模型，對特征污染物NH3-N在地下水中的運移進行預測，模擬其在20年內(nèi)的運移趨勢。模型設置以730d、1460d、2190d、2920d、3650d、7300d為輸出時長，選擇模型第一層輸出污染物平面運移結(jié)果（圖5），以滲漏區(qū)域東南處（模型第21列）剖面輸出污染物垂向運移結(jié)果（圖6）。

3.1污染物水平方向運移結(jié)果

通過模型計算所得的污染物運移方向平面圖（圖5）可以得知，污染物隨著水流向下游地區(qū)逐漸擴散。隨著時間的推移，污染面積逐漸加大，但是污染速率呈現(xiàn)出先增長較快后逐漸變緩慢的趨勢。污染物濃度在擴散過程中由于周圍地下水的對流作用也在不斷降低，但隨著污染物的不斷擴散，下游地區(qū)受污染程度也在不斷加重。模型運行結(jié)果顯示，在730d時污染羽中心區(qū)域濃度為323.5mg/L，受污染區(qū)域面積為0.047km2，污染物向下游地區(qū)運移時所到達的最遠污染距離為295.5m;在3650d時污染羽中心區(qū)域濃度為923.4mg/L，受污染區(qū)域面積為0.174km2，污染物向下游地區(qū)運移時所到達的最遠污染距離為612.7m;在7300d時污染羽中心區(qū)域濃度為957.2mg/L，受污染區(qū)域面積為0.243km2，污染物到達的最遠污染距離為841.3m。

3.2污染物垂直方向運移結(jié)果

通過污染物運移剖面圖（模型第21列）可以得知（圖6），污染物在不同時間垂向上的運移趨勢。隨著時間的推移，污染物污染層位逐漸向下延伸。由于全新統(tǒng)下組陸相沖積層下段、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層上段與上更新統(tǒng)第四組濱海潮汐帶沉積層為弱透水層，有效地減緩了污染物繼續(xù)向下運移的趨勢。模型模擬結(jié)果顯示，在第730d時污染物在垂向上所到達的最遠距離為28.8m;在第3650d時污染物已到達模型底板，此時底板處污染物濃度為大于0.5mg/L但小于1mg/L;在7300d時，底板處污染物濃度為大于1mg/L但小于1.5mg/L。由于研究區(qū)域鉆孔資料有限，因此本次建立模型所模擬的地層厚度僅為40m。由于當污染物運移到模型底板時污染物最大濃度不超過1.5mg/L，而且該地區(qū)深部含水層頂板標高約在地表以下300m處，因此推斷污染物只會污染淺層地下水不會污染深部含水層。

4 結(jié)論

（1）通過利用Visual Modflow對河北省某生活垃圾填埋場進行地下水溶質(zhì)運移模擬，預測污染物在平面上的污染趨勢與垂向上的污染深度，對未污染區(qū)域提出預防措施，為已污染地區(qū)的治理提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）污染物在水平方向上隨水流方向不斷擴散，污染面積不斷加大，污染速率呈先增長較快后逐漸變緩慢的趨勢，污染濃度由滲漏中心向周圍遞減，污染物在20年內(nèi)向下游地區(qū)運移時所到達的最遠污染距離為841.3m，受污染區(qū)域面積最大為0.243km2。

（3）污染物在垂向上隨著時間的推移不斷向下擴散，由于模型的第3、5、7層為弱透水層，可以有效阻隔污染物繼續(xù)污染下部含水層，污染物運移到達模型底板時的最大濃度不超過1.5mg/L，因此污染物只會污染淺層地下水，不會污染到深部含水層。

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