黃土丘陵區(qū)危險廢物填埋場地下水環(huán)境影響評價

蘇 耀 明，詹 志 薇，譚 志，蔡 勛 江，梁 煒

(1.東莞市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 東莞 310007； 2.生態(tài)環(huán)境部 華南環(huán)境科學研究所，廣東 廣州 510530)

危險廢物種類多、性質復雜[1]。不當的處置必然會對當地生態(tài)環(huán)境和周邊群眾的身體健康產生極大的危害[2-5]。危險廢物安全填埋作為一種有效的處置方式，是降低環(huán)境風險、防控環(huán)境污染的重要舉措[6]。但是，填埋場的建設和運營是否會對選址區(qū)地下水環(huán)境產生不良影響，如何采取有效污染防控措施，仍是我們重點關注的問題[7-8]。

從1904年美國舊金山建立的第一座衛(wèi)生填埋場開始，由危險廢物填埋釀成的重大污染事件大量見諸報道，引起了國內外學者的廣泛關注。結合國內外現有研究結果看，危險廢物填埋場滲濾液泄漏的原因主要包括：選址不合理或施工不當導致的地基問題、防滲膜破損、地下水集排水系統(tǒng)堵塞、滲濾液收集系統(tǒng)堵塞，或地質災害形成的填埋區(qū)不均勻塌陷等。滲濾液事故泄漏的地下水污染已經成為危險廢物填埋場及其周邊區(qū)域環(huán)境影響的首要問題。針對滲濾液滲入地層后隨著地下水運移的環(huán)境影響識別評價研究，在實驗測定和數值模型方法、同位素示蹤技術應用、滲濾液和地下水化學特征識別等方面都取得了一定的成果。但是如何結合填埋場建設實際情況，有效識別填埋場事故風險類型，科學建立事故情景及事故源強，仍有待進一步深入研究。

因此在填埋場建設前期，結合場地選址和布局、主要產排污環(huán)節(jié)以及可能發(fā)生的環(huán)境事故分析，開展危險廢物填埋場建設項目地下水環(huán)境影響識別和評價，可以為危險廢物填埋場選址布局，以及地下水環(huán)境保護措施的選擇與實施提供科學依據。

1 擬建填埋場工程情況

1.1 建設規(guī)模

根據規(guī)劃設計要求，本危險廢物填埋場主要用于承接區(qū)內某危險廢物綜合處置企業(yè)產生的安全處置后危險廢物，預計安全填埋量4萬t/a。設計有效填埋庫容約109萬m3，填埋服務年限25 a。

經安全處置后的危險廢物由該綜合處置企業(yè)負責運送進場，并確保進入填埋場的廢物滿足《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)中規(guī)定的填埋物入場要求。

1.2 工程組成

主體工程包括安全填埋庫區(qū)、防滲系統(tǒng)、滲濾液收集導排及集排水系統(tǒng)(含調節(jié)池)、導氣系統(tǒng)、雨水導排系統(tǒng)、封場覆蓋系統(tǒng)六大部分。此外還包括進場道路和辦公樓相關配套工程。

考慮西北干旱少雨的氣候特點，填埋場滲濾液實際產生量較少，填埋場運營期間產生的滲濾液擬經調節(jié)池收集后用槽罐車運送至危險廢物綜合處置企業(yè)污水處理廠集中處置。填埋場辦公區(qū)產生的少量生活污水經生活污水一體化處理設施處理后回用于場地綠化。

2 研究區(qū)概況

2.1 地理位置

擬建危廢填埋場位于寧夏回族自治區(qū)東部，銀川平原之東，場地交通便利。區(qū)內地域廣、人口少，土地和礦產資源豐富，工業(yè)經濟發(fā)展迅猛。

項目所在地屬中溫帶干旱-半干旱大陸性季風氣候，其基本特點是春暖快、夏熱短、秋涼早、冬寒長，多年平均氣溫8.4℃。春秋為多風季節(jié)，最大風力達8級，一般為4～5級，多為北風及西北風，春季時有沙塵暴天氣。境內降雨稀少，蒸發(fā)強烈，多年平均降雨量292.47 mm，降雨多集中在6～9月份，占全年總降雨量的72.3%。多年平均蒸發(fā)量2 024.25 mm，是平均降雨量的7倍。

2.2 地形地貌特征

擬建場地位于青龍山和萌成石梁所夾持的惠安堡復向斜構造盆地東翼，屬黃土丘陵區(qū)，由石炭-二疊及奧陶系灰?guī)r、第三系泥巖構成基底，覆蓋厚度不等的黃土，形成以黃土梁、峁為主的地貌。區(qū)域地形整體上波狀起伏，千溝萬壑。黃土梁多呈長塬形，長軸呈北西方向展布，丘間洼地展布方向與之相同，梁間沖溝發(fā)育，大部分地段黃土被“Ⅴ”型溝谷切穿。

2.3 地層巖性及構造

區(qū)域上地表為第四系黃土、古近系泥巖覆蓋。其中黃土層揭露厚度55.0～64.0 m，黃土層底部發(fā)育一薄層更新統(tǒng)沖洪積碎石層，層厚0～2.7 m。古近系清水營組泥巖覆于碎石層之下，地表僅在切割較深的溝谷底部和溝壁上零星出露，根據搜集的區(qū)域勘探資料顯示該層最大厚度為121 m。古近系之下地層依次為二疊-三疊系石千峰群、二疊系石盒子組、山西組、石炭-二疊系太原組、奧陶系等。

擬建項目所在區(qū)域大地構造位于華北板塊鄂爾多斯地塊西緣拗陷帶韋州坳陷。區(qū)域性構造以褶皺為主，自西向東有羅山背斜、韋州向斜、青龍山復背斜、惠安堡復向斜。總的展布方向為北北西向。

2.4 水文地質特征

場地地下水類型可分為松散巖類孔隙水和碎屑巖類層間水兩個類型。第四系松散巖類孔隙水即分布在第四系黃土和碎石層中的地下水，大氣降雨入滲補給后由于第四系大部分被沖溝切穿，松散巖類孔隙水最終又以下降泉的形式排出地表，轉化為地表水排出區(qū)外，場地黃土層中地下水普遍呈疏干狀態(tài)，屬透水不含水層，僅在微地貌條件有利的地段形成局部的含水透鏡體，不連續(xù)點狀分布少量地下水，場地包氣帶厚度大于100 m。

碎屑巖類層間水包括三疊系、二疊系和石炭系砂巖裂隙中的地下水。參照搜集的區(qū)域水文地質資料，碎屑巖類層間含水層單位出水量0.002 3～0.002 6 L/(s·m)，屬弱富水性含水層，場地內鉆孔均未揭露該含水層。

兩含水層空間結構上呈疊加關系，由大厚度的古近系清水營組紅色泥巖相隔，構成區(qū)域性連續(xù)穩(wěn)定隔水層，水力聯系微弱。

2.5 地下水開發(fā)利用現狀

根據現場調查，場地周邊地下水開發(fā)利用程度較低?，F狀場地周邊5 km范圍內均無集中式地下水飲用水源保護區(qū)分布，周邊部分村莊現場調查時發(fā)現少量民井，由于水質較差，大部分均已經廢棄。根據村民反映當地井水基本屬苦咸水，難以飲用，目前周邊居民點主要以通過黃河引水和水窖儲水作為主要供水源。經資料搜集和走訪相關主管部門也無集中開發(fā)利用地下水的相關規(guī)劃。

2.6 選址的地質條件可行性論證

通過采用高密度電阻率法對場地開展工程物探，結合場地勘探鉆孔的解譯，查明場地范圍內110 m埋深范圍未見斷裂。且上部黃土較均勻，未見局部異常，含水率低，其承載力120～160 kPa，壓縮性中等；黃土和泥巖界面較平緩，起伏不大；場地不屬于破壞性地震及活動構造區(qū)等可能危及填埋場安全的區(qū)域，滿足《危險廢物填埋污染控制標準》(GB18597-2001)中關于場地選址穩(wěn)定性的相關要求。

但經現場雙環(huán)滲水試驗結果可知，場地表層黃土垂向入滲系數為0.075～0.084 m/d，場地天然基礎層防滲性能偏弱。施工過程中填埋區(qū)內表層黃土應清除表面1 m并換填等厚黏土層進行夯實，確?；A層飽和滲透系數符合大于1.0×10-6cm/s的要求。

3 環(huán)境影響識別及情景設置

《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)、《危險廢物貯存污染控制標準》(GB 18597-2001)、《危險廢物安全填埋處置工程建設技術要求》(環(huán)發(fā))[2004]75號)等相關國家標準和技術規(guī)范對危險廢物安全填埋處置工程規(guī)劃、設計、施工及驗收和運行管理都提出了明確要求。填埋場應嚴格按照上述標準及規(guī)范要求采取有效污染防護措施，包括：入場危險廢物需經預處理且達到《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)入場要求；填埋場的分區(qū)設置及隔離設施；填埋場的防滲措施；滲濾液集排水系統(tǒng)、雨水集排水系統(tǒng)和集排氣系統(tǒng)的設置；填埋場的運行管理要求、封場要求和監(jiān)測要求等。但是從實際運營管理案例看，各類在建和已建的填埋場中，潛在的滲濾液滲漏風險極嚴重[9-11]。針對危險廢物填埋場可能發(fā)生的地下水環(huán)境安全事故，及其后果和可能性分析見表1。因此，地下水環(huán)境影響分析需要結合事故風險的概率及程度進行情景設置，通過情景設定進一步明確事故位置以及可能的事故源強。

表1 危險廢物填埋場地下水環(huán)境風險事故分析Tab.1 Analysis of groundwater environmental risk accidents in hazardous waste landfills

結合填埋場的事故風險概率識別[12-13]，從事故發(fā)生的概率及其后果的影響程度，確定危險廢物填埋場地下水污染風險源主要為填埋場防滲層由于事故或老化破損導致滲濾液泄漏的情景。情景假設填埋區(qū)中心位置人工防滲襯層因施工操作失誤或年久老化等原因發(fā)生破損滲漏，并導致滲濾液直接通過破損層進入包氣帶。同時參考相關案例經驗[14]，按照最不利條件假定破損的漏洞數量為2 000個/km2，每個漏洞均為20 cm直徑的圓形孔洞。結合填埋區(qū)面積測算可能發(fā)生防滲層破損的面積約3.45 m2，破損處底部土壤垂向滲透系數結合場地滲水試驗確定為0.082 m/d。防滲破損部分的滲漏量可按下式計算：

Q=K·A·i

(1)

式中，Q為單位時間內防滲破損部分的滲透量, m3/d；K為填埋場底部天然基礎層土壤垂向滲透系數, m/d；A為防滲層破損部分的滲漏面積, m2；i為防滲層上下的水頭差，水頭差按當地最大降雨量2.43 m估算。由此可計算得到每天可能發(fā)生的滲濾液風險滲漏量約為0.69 m3/d。滲漏污染物濃度參照《危險廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)中的危險廢物允許進入填埋區(qū)的控制限值進行賦值。

4 事故風險影響預測

4.1 污染物運移預測分析

在開展場地特征污染源識別的基礎上，結合場地水文地質條件分析，確定選取常規(guī)指標氨氮和重金屬指標鉛為預測因子。根據場地水文地質勘查資料和鉆孔數據，黃土丘陵區(qū)地下水水位埋深較大(包氣帶厚度大于100 m)，因此根據污染質的遷移特性分別對污染質在包氣帶中的垂向遷移規(guī)律及其在地下水中的水平遷移特征進行預測。

場地包氣帶巖性主要是第四系黃土和碎石層，其中黃土層厚25.0～59.5 m，碎石層厚0～4.9 m。第四系下覆為古近系清水營組紫紅色-磚紅色泥巖，呈泥質、塊狀，強風化-中等風化軟巖，局部含少量礫石，按場地鉆孔資料確定填埋場內滲漏點位包氣帶厚度112 m。包氣帶水分運動及溶質運移以垂向一維為主，選用美國農業(yè)部鹽土實驗室開發(fā)的 HYDRUS-1D模擬軟件進行建模，該軟件在飽和及非飽和介質中的一維水流、溶質運移和反應等相關研究方面都得到了廣泛的應用[15-19]。其中一維平衡水流運動方程如下：

(2)

式中，t為模擬時間, d；θ為包氣帶土壤的體積含水率；z為垂直方向空間坐標量, m；h為壓力水頭, m；S為根系源匯項；K為垂向空間方向z上的滲透系數函數, m/d；α為水流方向與z軸方向的夾角，本次模擬水流一維垂向連續(xù)入滲，則α=0。

包氣帶一維土壤溶質運移的控制方程如下：

θcμw-ρbsμs+ρbγs+θγw-r

(3)

式中，θ為土壤含水量；c為溶質的液相濃度,g/cm3；qw為地面水分通量,cm3/(min·cm2)；s為溶質的固相濃度, mg/mg；ρb為土壤干密度,g/cm3；D為水動力彌散系數,cm2/min；t為模擬時間,min；z為垂直方向空間坐標量,cm；μw和μs分別為溶液在液相和固相中的一階降解系數；γw和γs分別為零階生產系數；r為根系溶質源匯項,cm3/(min·cm2)；其它符號意義同上式。重金屬運移過程中可將μw,μs,γw,γs均概化為0。

項目區(qū)包氣帶較厚，模擬包氣帶垂向剖面的水流模型可以概化為上邊界為與入滲相關的流量邊界，下邊界為自由排水邊界。模型重點關注下界面底部節(jié)點。重點預測污染質下滲到模型泥巖底板的時間節(jié)點及濃度變化特征情況。

4.2 離散方法和參數設置

本次預測模型將假設入滲面以下的非飽和帶作為模擬剖面，模型地層厚度112 m，以上密下疏的不等間隔剖分垂向網格，最小剖分間隔為0.1 m，最大剖分間隔為1 m，模型模擬期為30 a。時間剖分方式采用變時間步長法，初始時間步長設定為 0.001 d，最小步長為0.001 d，最大步長為10 d。根據收斂迭代次數來調整時間步長，即采用自動控制時間步長的方法來處理迭代的收斂性。

土壤水分模型采用單孔隙模型中的 Van Genuchten-Mualem 模型，忽略水分滯后效應，不考慮化學反應和生物降解等衰減作用的影響。模型中水流模擬的上邊界為變水頭邊界，水流模擬的下邊界為自由排水邊界。包氣帶溶質運移模擬的上邊界為(Cauchy)溶質濃度通量邊界，下邊界為溶質濃度零梯度邊界，即自由下滲邊界。

本次模擬中，根據評價區(qū)地質剖面的巖性資料并結合HYDRUS-1D 自帶的不同巖性參數數據包，結合場地土工試驗取得的參數來確定模型各層的參數。

4.3 預測結果分析

根據工程實際情況，假設基礎底部出現破裂的情況下，污染物通過淋濾作用由池底破裂處滲入包氣帶中，根據“危險廢物允許進入填埋區(qū)的控制限值”確定各污染物的濃度，并假設為持續(xù)入滲的條件。通過模擬得出不同時間污染物的運移情況，如圖1所示。重金屬污染物在包氣帶中的垂向運移緩慢，不考慮化學反應等作用影響的最不利情況下，鉛在污染物泄漏6 880 d(約19 a)后到達包氣帶底板，污染質遷移的最大穩(wěn)定濃度0.137×10-5mg/L；鎳在泄漏6 670 d(約18 a)后可到達包氣帶底板，污染質遷移的穩(wěn)定最大濃度0.413×10-5mg/L。

4.4 地下水環(huán)境影響評價結論

由于黃土丘陵區(qū)特殊的水文地質結構特征，擬建填埋場場地包氣帶厚度大于100 m。結合危險廢物填埋場最大可能的風險事故情景設置，開展包氣帶污染物遷移數值模擬。預測結果表明，污染物隨滲濾液持續(xù)下滲的過程中，特征污染物鉛和鎳穿透包氣帶分別需要約19 a和18 a時間，且持續(xù)達到穩(wěn)定的最大濃度(進入含水層的穩(wěn)定最大濃度)分別為0.137×10-5mg/L和0.413×10-5mg/L，已遠低于地下水質量標準Ⅲ級限值，事故情景下污染物滲漏不會影響區(qū)域地下水環(huán)境。環(huán)境影響主要集中在包氣帶土壤。

此外，場地及周邊無地下水飲用水源地和集中式供水井分布，不屬于水源地補給區(qū)范圍，項目運營不影響城鄉(xiāng)生活供水安全，對區(qū)域地下水環(huán)境無影響，場地選址的地下水環(huán)境保護目標可以達到。

圖1 包氣帶中鉛運移濃度深度變化Fig.1 Depth change of lead concentration in aeration zone

圖2 包氣帶中鎳運移濃度深度變化Fig.2 Depth change of nickel concentration in aeration zone

4.5 地下水污染防控措施

從“源頭控制、分區(qū)防控”的基本原則出發(fā)，結合事故風險概率及影響預測結果分析，將該項目填埋庫區(qū)、滲濾池調節(jié)池、滲濾液導排管網劃為重點污染防控區(qū)，將辦公區(qū)(含生活污水處理設施)劃為一般污染防控區(qū)。分區(qū)防控措施見表2。

表2 危險廢物填埋場地下水污染分區(qū)防控措施Tab.2 Prevention and control measures for groundwater pollution in hazardous waste landfill

通過預測可知，污染物垂向穿透場地包氣帶地層的時間達到了18～19 a，通過設置監(jiān)測井進行污染跟蹤監(jiān)控的措施時效性極差，因此擬不新設地下水環(huán)境跟蹤監(jiān)測井。通過施工期在土工膜下安裝電極格柵，利用滲濾液的強導電性來實現填埋場防滲層的滲漏事故監(jiān)測，可有效提升填埋場事故滲漏檢測的有效性。

5 結論及建議

(1) 結合相關調查研究案例看，即使是在嚴格質量控制的工程中，HDPE土工膜的滲漏率也有可能達到200 L/(km2·d)[20]。因此，本次結合黃土丘陵區(qū)水文地質條件分析，在填埋場地下水環(huán)境影響識別及情景設置的基礎上，運用HYDRUS-1D軟件重點對污染質在場地包氣帶中的垂向遷移規(guī)律進行了模擬預測，預測結果表明，污染物隨滲濾液持續(xù)下滲的過程中，鉛和鎳穿透包氣帶分別需要約19 a和18 a時間。場地巨厚包氣帶可以有效保護區(qū)域地下水環(huán)境，場地選址的地下水環(huán)境保護目標可行。但考慮到事故污染的影響，仍需按照相關技術規(guī)范的要求針對重點污染防控區(qū)加強場地防滲措施。

(2) 現有的填埋場污染控制標準及相關技術規(guī)范都只對防滲層材料的滲透系數做出了規(guī)定，尚未對施工過程的土工膜破損率提出明確要求。然而HDPE防滲膜在施工過程中的破損卻是一個較為普遍的現象，不利于危險廢物填埋場的環(huán)境風險管控，急需盡快完善相關標準和規(guī)范要求，確保施工質量滿足填埋場污染防控需求。

(3) 針對本項目的運營期地下水環(huán)境跟蹤監(jiān)測計劃，由于包氣帶厚度大，結合預測結果可知，即使發(fā)生事故滲漏，污染物穿透包氣帶需要十多年時間，想通過地下水質跟蹤監(jiān)測發(fā)現污染滲漏十分困難，且建井費用投入巨大，還難以達到預期目標。因此針對上述包氣帶巨厚地區(qū)的新建填埋場，地下水跟蹤監(jiān)測井應盡可能從常用的民井、生產井以及泉水中選擇布設監(jiān)測點[21]。此外，應重點提出加強填埋場防滲系統(tǒng)滲漏破損檢測系統(tǒng)的建設要求。