基于Landsim的填埋場長期滲漏的污染風險評價

徐 亞,顏湘華,董 路,能昌信,劉玉強,黃啟飛 (中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京100012)

基于Landsim的填埋場長期滲漏的污染風險評價

徐 亞,顏湘華,董 路,能昌信,劉玉強*,黃啟飛 (中國環境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所,北京100012)

介紹了Landsim模型的基本理論及其填埋場防滲系統、導排系統長期性能變化的表征方式，在此基礎上提出了填埋場長期滲漏風險的表征方式..通過Landsim和HELP模型的耦合,彌補了Landsim模型中堆體入滲計算過于簡單的缺陷.運用耦合的Landsim-HELP模型評價了西南地區某危險廢物填埋場的長期滲漏的地下水污染風險.結果表明,該耦合模型可以準確的評價填埋場性能變化條件下的滲漏量及其對應概率;該填埋場在短期內(1～3a)地下水被污染的概率風險較小(≤0.33),而在長期內(≥4a)被污染的風險較大(≥0.68).建議在制定填埋場的設計和運行標準時需考慮防滲膜、導排管等重要單元長期性能的變化,從而減小其長期滲漏造成的地下水污染風險.

填埋場；長期性能；地下水污染；Monte Carlo分析

據統計,我國 81.7%的固體廢物都采用填埋處理[1],至2009年我國各類填埋場的數量已經達到 935個[2].因此,固體廢物處置的環境后果主要通過填埋場造成,而填埋氣和滲濾液的泄漏和釋放是填埋場環境風險的主要表現形式[3-4].監測數據[5-7]表明,滲濾液中含有多種重金屬和有機物組分,一旦發生滲漏可產生嚴重的環境后果.風險評價可以有效的量化填埋場滲漏的環境風險,進而通過敏感性分析指導填埋場的設計、建設和運行以降低滲漏量,減小滲漏概率,最終降低填埋處置的環境危害.近年來國內外學者開展了大量的填埋場風險評價工作[8-13],與此同時,填埋場環境風險評價相關的專業軟件也發展起來,其中既有確定性的填埋場水文過程評價軟件 HELP和Fill,也有不確定性的 EPACMTP、Landsim 等軟件;既有定量的風險評價研究[8-11],也有半定量的指標體系方法[12-13].

上述針對填埋場的風險評價都基于防滲系統和導排系統長期性能不變的假設.而 Fleming等[14]VanGulck等[15]針對填埋場導排系統的研究表明,導排管在運行一段時間后將發生淤賭,導排介質的滲透系數也將發生數量級的衰減.國外對土工防滲材料的研究也表明,溫度、紫外線照射,化學腐蝕等都會造成HDPE膜防滲性能下降,漏洞數量增多,并最終導致滲濾液滲漏量增加

[16-17].另一方面,目前填埋場污染控制相關的設計標準和技術規范,都是基于材料的現狀性能制定的,沒有考慮其長期性能的變化.長期來看按照現行標準設計的填埋場均存在潛在的滲漏風險.因此急需基于相關材料的長期性能變化規律,開展滲漏的長期污染風險評價研究.Landsim模型可解決填埋場長期性能變化對滲漏量及污染風險的影響[5,18-19].

本 文 擬基于 Landsim 2.5(landfill performance simulation)開展填埋場長期滲漏風險評價的研究.文章介紹了 Landsim的理論框架及其對填埋場長期性能參數的刻畫,并應用該模型研究了西南地區某山區填埋場的滲漏風險,比較了其短期和長期滲漏的環境風險.

1 研究方法

1.1 Landsim簡介

Landsim是由Golder Associates開發的填埋場風險評價軟件,目前已在英國和威爾士等國的環境管理實踐中得到廣泛應用[18-21].在 Landsim中,滲濾液的滲漏風險定義為地下水被污染的程度及其對應的概率分布,并以目標觀測井中污染組分濃度表征地下水污染程度.為計算濃度的概率分布, Landsim集成了一個確定性模塊和一個不確定性模塊,確定性模塊用于刻畫滲濾液及其組分產生、泄漏以及在包氣帶和地下水中遷移、擴散、吸附解析的物理過程;不確定性模塊即Monte Carlo模塊用來生成確定性模塊所需的輸入參數,可根據參數類型和特性靈活定義其概率分布函數.Monte Carlo方法能實現對地質環境、填埋場防滲系統和導排系統性能等相關參數不確定性的定量描述,以反映其對最終風險的影響.

1.2 模型框架

Landsim中的確定性模塊包括組分溶出模型、滲漏模型和多孔介質溶質運移模型三個子模型,分別刻畫堆體中污染組分的溶出過程、滲濾液的滲漏過程以及污染組分在環境介質中的遷移轉化行為.確定性模塊和不確定性模塊之間通過圖1所示方法耦合,首先由Monte Carlo算法根據參數的概率分布隨機生成一組參數,將其代入到確定性模型中計算,經過多次重復計算就可得到目標觀測井中污染組分濃度的概率分布.

圖1 Landsim模型算法的基本流程Fig.1 Basic procedure of Landsim model

1.3 填埋場長期性能變化的模型刻畫

填埋場長期性能的變化主要體現在以下 3個方面:最終覆蓋層老化導致的堆體入滲量增加、導排系統失效導致的膜上飽和水位升高以及防滲膜老化導致的滲漏量增加.

1.3.1 最終覆蓋層老化 覆蓋層材料的老化,導致填埋場雨水入滲量增加的過程可概化如圖 2所示.無覆蓋入滲代表沒有任何覆蓋條件下的入滲量,填埋場封場覆蓋以后入滲急劇減小達到設計入滲量,隨著防滲材料老化入滲量逐漸增大,當覆蓋層材料完全老化后達到最大值.

圖2 Landsim對入滲過程的概化Fig.2 Conceptualization of infiltration in Landsim

1.3.2 導排管失效 導排管失效泛指所有生物、物理和化學因素導致的導排管淤積、堵塞和斷裂,進而引起的導排不暢.當一根導排管失效,其受影響區域的最高水位會抬升 1倍;兩根導排管失效,受影響區域的最高水位抬升2倍.

圖3 導排管失效對飽和液位的影響Fig.3 Impact of drainage pipe on saturated table above the geomembrane

導排管失效的數量服從 Poisson分布(見式1).

其中:P為導排管失效x根的概率;k表示導排管失效的數量;λ表示失效率.

1.3.3 防滲膜老化 防滲膜老化的主要表現為漏洞數量隨時間增加,本文假設HDPE膜漏洞數量在第100a開始增加,每隔250a漏洞數量增加1倍[18].

2 案例研究

2.1 填埋場基本信息

以東南沿海地區某危險廢物填埋場為例.填埋場設計庫容為66萬m3,填埋庫區庫底防滲結構采用復合襯層設計.水文地質勘測資料顯示,填埋場下伏承壓含水層,含水層水位動態較穩定,可近似處理為穩定流.以填埋場中心為坐標原點建立坐標系,水流方向為x 軸方向,水流法線方向為y軸方向;目標觀測井位于填埋場下游800m處;模型時間步長為年,步長數為1200,總計模擬1200a.

表1 模型計算所需的主要參數Table 1 Summary of main model parameters

該填埋場主要處理廢物為電鍍污泥和水處理污泥.對填埋樣品取樣進行分析后發現樣品中鉻、鎳和鉛(分別為0.01, 0.68, 0.46mg/L)超出了地下水環境質量標準(GB/T 14848)中Ⅲ類水標準限值,因此取其作為風險評價的目標污染物.

2.2 模型基本參數

Landsim所需的輸入參數大致包括以下幾類:入滲參數、填埋場及廢物特性參數、防滲系統參數以及多孔介質水流和溶質運移參數(如表1所示).

堆體入滲量是滲濾液的直接來源,影響滲漏量和滲濾液濃度并最終影響滲濾液的地下水污染風險.本研究采用填埋場滲濾液水文特性評價模型(HELP)進行計算.Field等[22]基于HELP對多個填埋場的水文過程進行了演算,其結果表明HELP模型能較好的模擬堆體長期(如幾年)的入滲規律,可用于填埋場長期滲漏的污染風險評價.

本文利用 HELP計算得到的自然入滲強度為(379±114)mm/a;封場后的入滲強度為(77.9±6.9)mm/a.

2.3 結果和討論

2.3.1 模型基本精度驗證 為驗證模型基本精度,比較了觀測井中實測濃度值(第2a)與模型模擬值(如圖 4所示).其中鉻的模擬濃度值接近0,與實測結果(未檢出)的結論一致;實測的Pb和Ni都在模擬的濃度區間之內,且分別等于模擬的99%和96%分位值,這說明模擬結果基本滿足要求.

圖 5為膜上飽和液位(以 50%分位值表示)隨時間的變化規律.膜上水位隨時間逐漸增加,至1000a(設定的頂蓋完全失效時間)達到最大值后不再變化.導致膜上水位隨時間增加的原因有 2個:其一是因為最終覆蓋層老化后滲透系數增大導致堆體入滲量增加;其二是因為導排管失效,導致側向導排量減少,從而使膜上水位逐漸抬升.

圖 6為滲濾液通過防滲系統的滲漏量(以50%分位值表示).同樣的,滲漏量隨著時間增加.一方面這是因為膜上漏洞逐漸增加,另一方面隨著膜上飽和液位升高,膜上水力坡度增加,根據Darcy滲流定理,滲流速度等于滲透系數乘以水力坡度.在滲透系數不變的條件下,水力坡度的增加會導致滲濾液滲漏速度的增加.

圖4 第2年觀測井中污染組分濃度的實測值與模擬值Fig.4 Measured concentration and simulated

圖5 膜上飽和液位隨時間的變化Fig.5 Saturated water level above the geomembrane

圖6 滲濾液滲漏強度隨時間的變化Fig.6 Leaking rate of leachate through holes in geomembrane

2.3.2 污染組分隨時間的變化規律 圖 7為觀測井中Pb和Ni濃度隨時間的變化趨勢.模擬初期,Pb和Ni的濃度都較低,之后隨時間逐漸增大.若分別以 10%、50%和 95%分位值表示樂觀情況、正常情況和最不利情況下,觀測井中污染物的濃度值.以 Pb為例,樂觀情況下,其濃度值在第4.5a達到地下水質量標準中3類水的Pb濃度限值(0.050mg/L),在第 7a達到最大值(0.451mg/L);正常情況下,觀測井中的Pb濃度在第3.5a達到3類水限值,在第 7a達到最大值(0.453mg/L);最不利情況下,觀測井中的Pb濃度在第2.5a達到地下水 3類水標準限值,在第 7a達到最大值(0.455mg/L).

圖7 觀測井中鉛與鎳濃度的歷時曲線Fig.7 Historical curve of Pb and Ni concentration in

2.3.3 地下水污染風險 如上所述,地下水的污染風險表現為其被污染的程度及對應概率.若認為觀測井中污染物濃度超過 3類水限值為地下水污染,那么根據其濃度值的累計概率分布,可求出地下水被污染的概率.以地下水被Ni污染為例,地下水在不同時期被污染的概率如圖 8所示.在第 1,2,3,4,5,6,7,10a,地下水被污染的概率分別為0、0、0.33、0.68、0.84、0.98、0.99 和 1.

可見在填埋場運行初期(1～3a),由于防滲層粘土和包氣帯的阻隔作用,滲濾液中污染組分進入地下水中的量較少,地下水被污染的概率較小.在填埋場運行后期(4a以后),滲濾液穿透粘土層和包氣帯,進入地下水中,此時地下水污染概率逐漸增大,在第10a后達到最大值;第10a以后,盡管滲濾液中組分濃度逐漸衰減,但是頂蓋和防滲系統的老化,以及導排管失效等事件導致滲漏量增加,兩個因素同時作用下使得在相當長時期內(≥100a)地下水都存在著較大的污染風險.

圖8 不同時期內地下水被污染的概率Fig.8 Probability risk of groundwater to be contaminated in different time

3 結論

3.1 僅就本填埋場而言,在短期內(1～3a)導致地下水被污染的風險較小(污染概率≤0.33);而在長期內(大于等于 4a)地下水被污染的風險較大(污染概率≥0.68),至第10a達到最大值(污染概率=1).

3.2 填埋場的設計和運行標準需考慮其防滲膜、導排管等重要單元長期性能的變化,在現有基礎上適當提高防滲標準從而減小其長期滲漏的風險.

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Pollution risk assessment of long-term leaking in landfill-based on the Landsim model.

XU Ya, YAN Xiang-hua, DONG Lu, NAI Chang-xing, LIU Yu-qiang*, HUANG Qi-fei
(Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1355～1360

This paper briefly introduced the basic theory framework of Landsim with especial focus on its way to conceptualize long-term performances of cap layer, liner layer and drainage pipe. The infiltration module of HELP model was introduced to couple with Landsim to improve its accuracy of infiltration calculation. This coupled model was then applied to assess the long-term leaking risk of a hazardous waste landfill in the Southwest China. The measured concentration of target contaminant falls in the range of predicted value. The groundwater pollution risk caused by the leachate leakage was ignorable in short-term(1～3year) with the pollution probability smaller than or equal to 0.33, but large in long-term (≥4year) with the pollution probability larger than or equal to 0.68. The case study suggest that insetting the national standards and guidelines about the design and operation of landfill, the long-term change of cap layer, liner layer and drainage pipe should be taken into consideration to reduce the risk of leachate leakage.

landfill; long-term performance; groundwater pollution; Monte Carlo simulation

X820.4

A

1000-6923(2014)05-1355-06

2013-07-28

國家環境保護公益性行業科研專項(201209022);2012年度院所基本科研業務專項(2012YSKY16)

* 責任作者, 工程師, liuyq@craes.org.cn

徐 亞(1985-),男,湖南岳陽人,工程師,碩士,主要從事固體廢物管理和環境風險評價工作.發表論文10余篇.