簡易垃圾填埋場滲濾液地下水溶質運移數值模擬

廖 鐳，張 涵，郭珊珊

(西南交通大學地球科學與環境工程學院,四川 成都 611756)

地下水污染主要指人類活動引起地下水化學成分、物理性質和生物學特性發生改變而使質量下降的現象。地下水污染具有污染進程緩慢隱蔽、一旦污染形成則很難治理和造成的后果嚴重等特點[1]。簡易垃圾填埋場通常利用自然地形條件對垃圾進行填埋，未采取或采取簡易的防滲措施，導致產生的滲濾液易滲入地下，進入含水層而對地下水造成污染[2-3]。

國外一些發達國家由于簡易垃圾填埋現象較少出現，加之人口數量較少，能及時控制簡易垃圾填埋場產生的污染，因此對垃圾填埋場的研究主要集中在正規垃圾填埋場防滲系統、垃圾填埋場內部垃圾演化以及滲濾液產生的機理與土壤和水的差別等方面[4]。我國一些經濟欠發達地區，由于環保基礎設施的建設落后于人口增長和社會經濟的發展，出現了一批簡易垃圾填埋場。但我國對簡易垃圾填埋場環境污染的認識和研究起步較晚，北京市2006年開始對簡易垃圾填埋場場地進行修復治理工作，隨后其余各省份也開展了對簡易垃圾填埋場場地的修復治理工作，對簡易垃圾填埋場環境污染的研究也隨之展開。目前我國對簡易垃圾填埋場環境污染的研究主要集中在：簡易垃圾填埋場場地污染的調查方法、場地地下水污染風險等級評估、場地垃圾組成的物理化學性質、場地污染的治理方法等，主要涉及生態修復和土壤及地下水污染治理的方法等[5-7]。

1 研究區域概況

西南山區涼山州某簡易垃圾填埋場位于四川省木里縣城道路S216路邊，博瓦河右岸，其地理位置見圖1。該垃圾填埋場依靠河谷灘地而建，未進行防滲處理，也沒有建立滲濾液收集系統，至今運行已有13年，在相關部門的支持下，目前該垃圾填埋場已經停運，進行封場治理，封場后填埋區面積為10 000 m2，平均高度為10 m。

圖1 研究區地質圖Fig.1 Geological map of the study area

該垃圾填埋場場地地處北亞熱帶季風氣候區，干濕分明，雨季集中，多年平均氣溫為11.5℃，多年平均降雨量為818.2 mm。場地總體地形起伏大，地勢較開闊，地勢北西面高、南東面低，縱坡(北-西向)坡度約為6°～10°，局部達35°，溝谷兩側橫坡坡度約在20°～25°，局部在30°以上。場地地貌屬低中山地貌，微地貌屬溝谷地貌。

圖2 研究區地下水補、徑、排條件示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater recharge,runoff and discharge conditions of the study area

2 數值模型的建立

2.1 垃圾填埋場水文地質概念模型

研究區建模區域為3.24 km2，地下水概化為三維穩定流。模擬區西部山脊視為分水嶺，概化為零流量邊界；根據實地監測，垂直通過北部和南部邊界的地下水流較小，概化為零流量邊界；東部博瓦河作為河流邊界，見圖3。

圖3 模型區域網格及邊界劃分圖Fig.3 Model domain and boundary division

2.2 數學模型

Visual MODFLOW軟件中集成的MODFLOW和MT3DMS模塊，可分別對地下水滲流場和溶質運移進行數值模擬。其中，MODFLOW模塊是基于三維水流偏微分方程的有限差分法。三維水流偏微分方程遵循達西定律，其表達式如下：

(1)

H(x,y,t)|t=t0=H0(x,y,t0)

(2)

H(x,y,t)|Γ1=H1(x,y,t)t≥0

(3)

(4)

式中：H為水頭；w為源匯項；us為當水頭下降一個單位時，從單位體積孔隙中釋放的水量(體積單位，量綱為L-1)；Kxx、Kyy、Kzz分別表示在x、y、z方向上的主滲透性系數；H0(x,y,t0)為初始水頭值；H1(x,y,t)為邊界水頭值；n為邊界Γ2的外法線方向；q為邊界上的單寬流量；Τ為邊界處含水層的導水系數；Γ1、Γ2分別為研究區的水頭和流量邊界。

MT3DMS模塊是基于溶質運移偏微分方程的有限差分法。溶質運移偏微分方程的表達式如下：

(5)

式中：R為滯留因子，其值常大于1；n為介質的空隙度(無量綱)；C為溶質的濃度；t為時間；xx、xj為在直角坐標下沿各方向上的距離；Dij為水動力彌散系數張量；ui為孔隙水流實際速度；qk為單位體積含水層給出或者接受的流體數量；δ為含水層的干容重；s為固體顆粒吸附的溶質濃度；λ為放射性元素蛻變(或者生物降解)常數。

2.3 模擬區域網格劃分和初始條件的確定

通過對該垃圾填埋場區水文地質條件的概化，建模區域范圍為1.8 km×1.8 km，剖分網格為18 m×18 m，共100行100列，網格x軸為東西向，y軸為南北向，見圖3。垂直方向上分為兩層，高程范圍為1 820～2 560 m，由上至下分別代表含細砂角礫卵石層和風化板巖層。第一層在水平方向上分為兩個區，博瓦河至省道公路之間的河漫灘為砂礫卵石，河漫灘至高山分水嶺為風化板巖。初始條件為定地下水頭，考慮研究區域地下水水位的年變化量為2～3 m，根據區域勘查得到該垃圾場填埋區地下水初始水位埋深約5 m，因此設置模型初始地下水水位為地表以下5 m。

2.4 模型水文地質參數的確定

2.4.1 滲透系數

經過場地注水試驗和壓水試驗，得到該垃圾填埋場區不同地層的滲透系數，含細砂角礫卵石層的滲透系數K為5.8×10-5～2.9×10-5m/s,風化板巖層的滲透系數K為2×10-7～3.5×10-7m/s，并在模型校正中進行參數優化，最終確定含細砂角礫卵石層的滲透系數K為3.5×10-5m/s，風化板巖層的滲透系數K為3.0×10-7m/s。模型介質滲透系數的取值具體見表1。

表1 模型介質滲透系數的取值表

2.4.2 彌散系數

彌散系數即彌散度，是含水層中介質彌散特征的重要參數，而確定野外尺度遷移模擬問題的彌散度有較大的難度，且長期以來一直備受爭議。為了確定野外尺度的彌散度，已經開展過大量的工作。如Gelhar等[8]詳細介紹了各種野外實驗，并總結了野外尺度彌散度的取值規律，根據經驗，當缺乏場地實測數據時，水平橫向彌散度的取值應該比縱向彌散度的取值約小一個數量級，垂直橫向彌散度的取值應該比縱向彌散度的取值約小兩個數量級。本文中，縱向彌散度取值為10 m，橫向與縱向彌散度比率取值為10，垂向與縱向彌散度比率取值為100。

2.4.3 溶質運移參數

污染遷移模型參數與污染物本身的性質有關。本次模擬采用線性等溫吸附，分配系數Kd反映的是溶解相濃度和多孔介質中被吸附物質的濃度之間的關系。動力學反應速率反映的是放射性元素的衰變，以及某種有機污染物由于水解、微生物作用發生的降解。污染遷移模型中主要采用分配系數和反應速率常數來衡量污染物因子在地下水中的吸附和生化反應規律。

硝化作用：

厭氧氨氧化作用：

表2 含水層中污染物遷移模型的參數取值

2.5 滲濾液下滲量的計算及源強濃度的設定

2.5.1 不同工況下滲濾液的下滲量計算

在正常工況下，HDPE土工膜完好，滲濾液經膜向下滲透，HDPE土工膜滲透系數取值為1.0×10-13m/s，水頭高度為膜上0.5 m，防滲系統處于常規狀態，滲濾液下滲量的計算公式如下：

Q=KIA

(6)

式中：Q為滲濾液的下滲量(m3/d)；K為介質的滲透系數(m/d)；I為水力坡度；A為土工膜滲透面積(m2)。

在事故工況下，HDPE土工膜存在缺陷(刺穿或焊接不到位或不均勻沉降撕裂)，滲濾液經膜的缺陷逐漸滲入地下水系統，壓實度良好的GCL黏土滲透系數取值為5.0×10-9m/s，水頭高度為膜上0.5 m，防滲系統處于失效狀態，滲濾液下滲量的計算公式如下[13]：

Q=1.15×α0.1×H0.9×k0.74×β

(7)

式中：Q為滲濾液的下滲量(m3/d)；α為漏洞面積(m2)；H為水頭高度(m)；β為膜上漏洞率；k為壓實基礎層的滲透系數(m/d)。

由公式(6)計算可知，在理想狀況下，滲濾液的下滲量非常有限。故本文根據HDPE土工膜上漏洞率和黏土膨脹引起開裂的差異，針對以下兩種事故工況進行地下水溶質運移預測以及污染時空分布分析。兩種事故工況分別如下：

事故工況1：HDPE土工膜上漏洞率為0.5，GCL黏土出現輕微開裂現象，k取值為5.0×10-7m/s。

事故工況2：HDPE土工膜上漏洞率為1.0，GCL黏土出現嚴重開裂現象，k取值為5.0×10-5m/s。

假設垃圾填埋場連續不斷地產生滲濾液，故污染遷移模型中污染物滲漏設置為連續源。經計算，兩種事故工況下垃圾滲濾液的下滲量詳見表3。

表3 兩種事故工況下垃圾滲濾液的下滲量計算表

2.5.2 滲濾液中污染物預測因子濃度的取值

表4 滲濾液中污染物預測因子的補給濃度

2.6 模型校正

地下水滲流模型校正通過不斷調整滲透系數、彌散度等模型參數，使模擬計算的水位值與選取的6個監測孔實測水位值的誤差在可接受范圍內，即認為模型得到校正，6個監測孔水位的觀測值與水位模擬計算值的對比詳見表5，監測孔水位觀測值與水位模擬計算值進行配對T檢驗，其檢驗結果見表6。

表5 監測孔水位觀測值與水位模擬計算值的對比

表6 監測孔水位觀測值與水位模擬計算值配對T檢驗結果

由表6可知，監測孔的水位觀測值與水位模擬計算值差值雙尾檢驗置信度為0.906，表明監測孔水位觀測值與水模擬計算值相吻合。校正后的地下水滲流場見圖4。

圖4 地下水滲流場圖Fig.4 Groundwater seepage field

3 模擬結果與分析

3.1 模擬預測結果

圖5 某簡易垃圾填埋場在封場5年及10年后事故工況1下地下水中污染物預測因子(CODMn、N-N) 濃度的空間分布圖Fig.5 Distribution of concentration of predictive contaminants (CODMn、N-N) after 5 and 10 years of landfill closure under the accident conditon 1

3.2 模擬結果分析

由圖5和圖6可以看出：

圖6 某簡易垃圾填埋場在封場5年及10年后事故工況2下地下水中污染物預測因子(CODMn、N-N) 濃度的空間分布圖Fig.6 Distribution of concentration of predictive contaminants (CODMn、N-N) after 5 and 10 years of landfill closure under the accident condition 2

表7 不同事故工況下污染物預測因子在地下水中的超標范圍和下游最大遷移距離

4 結論與建議

針對該簡易垃圾填埋場區及其周圍地下水受污染的情況，提出以下地下水污染防治措施與建議：①對還未封場的簡易垃圾填埋場進行滲濾液檢漏測試，一旦發現滲濾液發生滲漏現象應立即采取相應的防滲層修補措施，同時合理導排收集雨水，增加綠化面積，并進行封場處理等；②在簡易垃圾填埋場區及其周圍布設地下水長期監測井，通過地下水水質監測及時發現滲漏液滲漏現象，并推斷滲漏位置及滲漏程度，同時研究地下水中污染因子的降解過程；③對簡易垃圾填埋場地下水污染嚴重的地區，采取抽出、滲透性反應墻等技術進行地下水污染的修復處理等。