基于GMS的某生活垃圾填埋場地下水環境影響數值模擬

梁 川, 鄒安權, 郭 昆, 彭進生

((湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

基于GMS的某生活垃圾填埋場地下水環境影響數值模擬

梁 川, 鄒安權, 郭 昆, 彭進生

((湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

地下水溶質運移模型是找出污染物遷移規律、確定污染范圍及污染物濃度分布的重要手段,可以為垃圾填埋場地下水環境影響評價和地下水污染修復提供定量依據。通過對垃圾填埋場場區水文地質條件的分析,運用GMS中的MODFLOW和MT3D模塊建立三維數值模型,進行地下水環境影響數值模擬,研究事故工況下污染物在地下水環境中的濃度變化情況,分析和預測一定時間內地下水可能受到污染的情況。

垃圾填埋場;地下水環境影響;數值模擬;GMS

垃圾的衛生填埋是城市垃圾處置最為經濟、最為方便和適用的處置方法。對于生活垃圾填埋場地的選擇、設計、監測以及污染風險的模擬評價等,發達國家具有十分嚴格的要求。如何預測和控制垃圾填埋場地對地下水的污染,進而對污染進行治理已是國際上環境和水資源學者研究的前沿和熱點。

本文以某生活垃圾填埋場為例,在研究場區水文地質條件的基礎上,運用GMS中的MODFLOW模塊建立三維數值模型,進行地下水流場數值模擬。設定事故工況,選用MT3D模塊進行污染物溶質運移數值模擬,研究污染物在地下環境中的濃度變化情況。通過地下水環境影響數值模擬,預測事故工況下地下水可能受到污染的情況。

1 研究區概況

1.1 項目概況

本次論文的研究依托于某生活垃圾填埋場項目,該項目場址位于武漢市青山區,項目用地約346 632 m2。建設規模:飛灰固化體產生量為18.69萬t/年,平均約為512 t/d(512 m3/d),填埋區庫容約422.39萬m3。項目建設內容主要包括:填埋庫區工程、滲濾液處理工程、管理區及輔助工程、配套設施。其中填埋庫區工程主要有土方工程、防滲工程、壩體工程、滲濾液導排系統、地下水導排系統、雨水導排系統、綠化、封場工程、水土保持、計量設施、防護設施、監測設施。

通過對項目工藝流程的分析,該項目調節池滲濾液一旦泄漏后滲入地下水中,可能對周圍地下水環境造成影響。

1.2 氣象與水文

1.2.1 氣象條件

項目擬建場地屬亞熱帶季風濕熱氣候區,具有四季分明、氣候溫和、雨量充沛的氣候特征。冬夏溫差大,歷年7月份氣溫最高,平均氣溫為28.8～31.4 ℃,極端最高氣溫為41.3 ℃(1934-08-10);歷年最低氣溫為1月,平均為2.6～4.6 ℃,極端最低氣溫-18.1 ℃(1977-11-30)。每年7—9月為高溫期,12月—翌年2月為低溫期,并有霜凍和降雪發生。

1.2.2 水文特征

項目擬建場地場區距長江約3.5 km,距北湖約350 m。項目場區內無河流及湖泊,地表水主要為填埋庫區內的水塘及填埋場周邊的魚塘中的塘水,勘察期間填埋庫區內的水塘最深約2.8 m,填埋場周邊的水塘、魚塘中水深約2～5 m。

1.3 地質環境條件

1.3.1 地形地貌

項目擬建場地位于長江一級階地上,為地勢寬闊平坦的沖洪積、湖積平原,地形起伏不大。場區地形整體為一凹形場地,垃圾壩高約10 m,壩頂高程為27～29 m;填埋庫區地面高程在17～19 m。

1.3.2 地層巖性

場區在勘察深度范圍內地層為第四系沖洪積、湖積土體,上部地層主要由雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉土、粉砂互層、粉細砂組成,底部下伏基巖為泥質砂巖[1]。

1.3.3 水文地質條件

該區域為長江一級階地,主要由全新統沖積層堆積而成。項目場區地下水類型主要為松散巖類孔隙承壓水,主要賦存于場區下部的粉砂、細砂層中[2]?？紫冻袎汉畮r組由砂層、砂礫、卵石層組成,厚度為8.30～17.50 m?？紫冻袎核c長江水力聯系密切,地下水水量豐富。場區內地下水受長江水漲落變化,地下水位一般為16.72～19.49 m,年變幅約2 m。

2 地下水流數值模擬和污染物溶質運移數值模擬

2.1 水文地質概念模型

(1) 含水層概化:研究區主含水巖組為松散巖類孔隙承壓含水巖組,上覆粉質粘土概化為上隔水層,下伏白堊—下第三系紅色砂巖概化為下隔水層,概化為具上、下越流的承壓含水層系統。

(2) 邊界條件:對于研究區臨江邊界,江底切穿含水巖組頂板,但未切穿至底板,形成非完整河補給,因江底切穿深度不一,江底沉積細顆粒厚度不一,故江水在不同地段與地下水水力聯系的密切程度也不相同,將長江概化為非完整河已知水位邊界。研究區非臨江邊界表層為網紋狀紅色粘土,下伏為泥質砂巖,都是弱透水巖層,故概化為隔水邊界。

(3) 源匯項設定:研究區的含水層主要由大氣降水補給,最終排泄至長江。

(4) 初始條件確定:在模型中輸入收集的研究區監測孔的長期觀測水位,可生成初始等水位線,確定研究區地下水的初始流場。

2.2 地下水流數學模型和三維溶質運移模型的建立

選擇地下水模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊來建立研究區的地下水流數學模型。MODFLOW模塊是基于有限差分法的三維地下水流數值模擬系統。研究模型采用三維溶質運移模型,根據模擬區含水層的結構和地下水滲流特征,將計算域在垂向上分為三層,平面上各層按Δx=Δy=100 m的網格剖分,據此全區共剖分成三層共3×9 376個單元。

考慮地下水對流、彌散、源匯項,忽略吸附、溶解、化學反應等作用,建立了預測因子的三維遷移控制方程。選用GMS中的MT3D模塊進行三維溶質運移模擬[3]。

2.3 水文地質參數確定

參數分區是基于研究區水文地質條件和野外抽水試驗的計算結果,利用GMS中Map下的Layer模塊進行參數分區。將主要含水層概化為7個參數分區,并對參數進行了調整和優選,如圖1、表1所示。

圖1 水文地質參數分區圖Fig.1 Chart of hydrological geology parameter partition

表1 水文地質參數分區一覽表

Table 1 List of hydrological geology parameter partition

參數分區滲透系數/(m·d-1)釋水系數138．00．00065236．70．0006335．90．0006427．00．0005525．00．0005619．00．00045718．00．0004

溶質運移模型中,將研究區域含水介質類型、含水層厚度、滲透系數等與文獻中場地的條件進行對比,取承壓含水層孔隙度為0.4,縱向彌散系數為20 m[4]。

2.4 地下水滲流模型識別與驗證

識別時間段選取2013年1月—12月一個水文年的資料,模型識別時間步長Δt=1 d,共計365個時段。經識別和檢驗模型,研究區內觀測孔水位的模擬計算值與實測值的擬合情況如圖2所示。

由圖2可以看出,觀測點的水位計算值與實測值擬合程度較好,說明現行的參數設置較為合理,所建立的數學模型達到了模型精度要求。

2.5 模擬因子選擇和事故工況設定

預測因子包括六價鉻和汞,預測因子的初始濃度通過工程分析確定,詳見表2。根據本項目污染物產生排放的情況分析,本次地下水預測按照最不利的情況,事故工況下的污染情況是泄漏事故發生后,調節池滲濾液持續泄漏滲入地下水中。設計調節池占地面積為2 200 m2,平面尺寸為55 m×40 m。將滲濾液中各污染因子的濃度作為污染源的起始濃度,來模擬泄漏事故發生后不同時間地下水系統中污染物濃度變化規律。利用驗證后的模型來預測不同時間下各預測因子的濃度。

圖2 觀測孔水位模擬計算值與實測值對比圖Fig.2 Comparison of calculated and measured values of the water level in the observation wells

表2 預測因子及初始濃度一覽表

2.6 污染物濃度變化趨勢

以下圖3-圖6顯示了調節池滲濾液泄漏事故發生后,30 d、90 d承壓含水層中預測因子六價鉻和汞隨水流運移擴散的污染暈濃度分布情況。

圖3 泄漏30 d后地下水中鉻污染暈分布圖Fig.3 Distribution of chromium pollution in groundwater after 30 days

通過模擬可知,一旦事故發生之后,污染物進入地下水,承壓含水層中污染物濃度逐漸升高,劣質水面積增大,污染范圍不斷擴大,將對場地地下水水質產生污染。滲濾液的事故排放對環境的影響較大,滲濾液中含有高濃度污染物,隨著地下水徑流,對地下水的水質構成威脅。因此,需要采取一定的應急污染控制措施,防止地下水污染范圍擴大,使填埋場泄露事故所帶來的環境污染得到有效控制,對周邊環境質量的影響控制在一定程度之內。

圖4 泄漏90 d后地下水中鉻污染暈分布圖Fig.4 Distribution of chromium pollution in groundwater after 90 days

3 結論與建議

運用GMS軟件建立某生活垃圾填埋場地下水三維數值模型,經過模型的識別和驗證,模型模擬效果較好。預測結果表明:在設定的事故工況下,污染物進入地下水,承壓含水層中污染物濃度逐漸升高,劣質水面積增大,污染范圍不斷擴大,將對場地地下水水質產生污染。

建議在項目的建設與營運過程中,保護好包氣帶和土壤環境,避免污染土壤再對地下水環境產生污染。為防止地下水污染,在污染暈擴散方向預設監測井以及抽水井,一旦出現突發性污染事故,可以對地下水進行抽出處理,及時切斷污染源,防止地下水受到持續污染。

圖5 泄漏30 d后地下水中汞污染暈分布圖Fig.5 Distribution of mercury pollution in groundwater after 30 days

圖6 泄漏90 d后地下水中汞污染暈分布圖Fig.6 Distribution of mercury pollution in groundwater after 90 days

[1] 張海軍.武漢市生活垃圾焚燒發電廠固化飛灰安全填埋場巖土工程勘察報告[R].武漢:湖北省水文地質工程地質勘察院,2014.

[2] 馬霄漢,桂承新,代朝銘,等.湖北省武漢市區水文地質工程地質綜合勘察報告[R].荊州:湖北省武漢水文地質工程地質大隊勘察分隊,1989.

[3] 鄭春苗,Gordon D.Benneff.地下水污染物遷移模擬[M].孫晉玉,盧國平,譯.第2版.北京:高等教育出版社,2009:186-198.

[4] Gelhar,L.W.,C.Welty,K.R.Rehfeldt.A Critical review of data on field-scale Dispersion in Aquifers[J].Water Resources Research,1992,28(7):1955-1974.

(責任編輯：于繼紅)

Numerical Simulation of Impact of Groundwater Environmentin the Municipal Solid Waste Landfill Based on GMS

LIANG Chuan, ZOU Anquan, GUO Kun, PENG Jinsheng

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

Solute transport model of groundwater is an important way to identify the contamination transfer rule and define the scope of pollution and the concentration distribution.It can provide the quantitative basis for the groundwater resource management and groundwater pollution repair．By analyzing the hydrogeological conditions of the field area,a three-dimensional numerical model is established by MODFLOW and MT3D modules in GMS. Through groundwater environment impact simulation,the concentration change of pollutant in underground in accident conditions environment is studied. The results show the migration of pollutants in the groundwater environment under a certain time.

waste landfill; the impact of groundwater environment; numerical simulation; GMS

2016-08-29;改回日期:2016-10-11

梁川(1990-),女,助理工程師,碩士,環境科學與工程專業,從事水工環地質和地下水環境保護相關研究工作。E-mail:liangchuan90@126.com

X143

A

1671-1211(2016)06-0872-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.014

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.016.html 數字出版日期:2016-11-09 11:12