填埋場滲濾液在飽和土壤中運移的數值研究

鄭淑君　何百通　徐蕤

【摘 要】垃圾填埋場滲濾液是造成地下水污染的一個重要原因。針對農村簡易填埋場，本文建立數學模型，土壤被看成各向同性均勻多孔介質，采用Darcy定律描述多孔介質中的滲流，在此基礎上，數值模擬了吸附性污染物COD在飽和土壤中的運移過程。分析了降雨量及其他參數對COD運移的影響，為控制地下水污染及填埋場選址提供可靠依據。

【關鍵詞】滲濾液;數值模擬;COD;降雨

中圖分類號： TQ085.41文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0024-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.007

Numerical Research on Pollutant Transport Laws of Landfill Leachate in Saturated Soil

ZHENG Shu-jun HE Bai-tong XU Rui

（Quzhou College of Technology，Quzhou Zhejiang 324000，China）

【Abstract】The landfill leachate has been recognized as one of the important causes to the groundwater.This paper establishes the mathematical model for simple landfill，the soil is regarded as isotropic homogeneous porous medium， therefore the seepage field in the porous soil layer is obtained by solving Darcys equations.Based on the flow fields obtained，the unsteady contaminant solute transportation process for COD in the saturated soil is numerically simulated. We have analysed the precipitation and other parameters on the transport of pollutants，it provides basis for controlling groundwater pollution and selecting landfill site.

【Key words】Leachate;Numerical simulation;COD;Precipitation

0 引言

隨著人口增長以及經濟的快速發展，生活垃圾的處理已經成為難題之一。雖然我國的生活垃圾處置越來越規范，但是不少農村地區的生活垃圾，仍然采用簡易填埋的方式進行處理。由于簡易填埋是沒有采取防滲措施的直接填埋，未執行環保標準，填埋場滲濾液持續下滲會造成地下水污染。農村條件有限，填埋場選址往往沒有經過充分的論證，部分距離居民點較近，對周邊地下水的污染影響到居民的飲用水，威脅到居民的身體健康[1]。在建造簡易填埋場時，必須考慮滲濾液對周圍環境的影響程度和范圍。

垃圾滲濾液引起的污染物傳輸過程是一個復雜的動力學過程，因此學者常用數值模擬的方法預測地下水污染問題。陳云敏[2]給出了土壤中污染物的一維擴散解析解，只考慮了擴散和吸附作用，而未考慮對流的影響。

垃圾滲濾液組分復雜，有機污染主要以綜合指標BOD和COD表示，本文選取COD作為研究對象。以衢州地區為參照，考慮降雨強度的影響，數值模擬研究填埋場滲濾液在飽和土壤中的運移機制。土壤被看成各向同性均勻多孔介質，考慮到模擬周期較長，首先采用Darcy定律獲得多孔介質中的穩態滲流場。基于上述流場計算結果，數值計算非定常污染物COD遷移擴散過程。在這里，之所以先計算流場再計算濃度場，是因為污染物COD的傳輸不會對流場造成影響。

1 計算模型和初、邊值條件

本文建立了地下水污染過程的控制方程：一類是地下水流動方程;另一類是溶質運移方程，兩類方程通過流速進行耦合[3]。建立簡單二維模型，如下圖所示。

由于簡易填埋場工程簡單，本文假設無防滲層，而滲濾液中有機物COD濃度較高，因此本文將填埋場底部看作一個恒定的面源。

1.1 控制方程

考慮土壤對污染物質的吸附與解吸，地下水的溶質輸運的控制方程為：

DLii為擴散張量的主分量，DLij為交叉項，？琢L、？琢T為彌散度;De為分子擴散系數;下標L和T分別代表縱向和橫向。（3）式等號左邊的第一項表示多孔介質中污染物濃度變化項;第二項是由于吸附解吸引起的濃度變化項;第三項表示由于流體隨整體體系的運移，稱為對流作用引起的濃度變化項;等號右邊表示由于分子擴散和機械彌散作用共同引起的濃度變化項。

1.2 邊界條件和初始條件

滲流邊界條件：4、5、6、7、8為速度邊界條件，由降雨量計算而來;其他為零流量邊界。

濃度邊界條件：6為恒定濃度邊界，COD濃度設定為4g/L，1、3為平流通量邊界;其它為無流通邊界。

初值條件：土壤以及地下水中的污染物初始濃度c0為0g/L。根據實際情況以及查閱相關資料文獻獲得模型中的各參數如下：水的密度ρ=1000kg/m3，水的動力粘度系？濁=0.001Pa·s，土壤的密度ρb=1400kg/m3，孔隙率？茲=0.3，，分子擴散系數De=2.5e-10m2/s，橫向彌散度？琢L=0.1m，縱向彌散度？琢T=0.01m，楊春曉[4]通過實驗數據進行擬合，發現線性吸附方程能夠合理的描述土壤對COD的吸附作用，本文采用線性吸附模型且不考慮降解和衰減，分配系數kp=0.1cm3/g。

1.3 計算工況及結果分析

通過查閱文獻，顯然可知衢州為濕潤地區，近50年平均降雨量約為1600mm[5]。半干旱和半濕潤地區分界為400mm，為研究衢州地區與半干旱地區填埋場滲濾液運移是否存在區別。下面我們選擇降雨量為1600mm、400mm兩種工況初步探討不同降雨強度條件下土壤中的COD運移情況。降雨入滲補給量是淺層地下水的主要補給來源，考慮到土壤入滲率低，存在蒸發量等因素，我們取降雨入滲系數為0.29[6]。

圖2顯示了降雨量對填埋場底部土壤中COD運移的影響。顯然，填埋場所處位置降雨量與孔隙水流速呈正比例。隨著流速的增加，減少了污染物在土壤中的滯留時間，達到濃度預定值的所需要的時間越短，這表明流速的增加對污染物的運移有著促進作用。經過同樣的時間，隨著填埋場所處位置降雨量的增大，污染物COD運移的范圍越廣，因此衢州對填埋場的要求高于其他半干旱地區。計算的時間是50年后的COD的濃度變化，說明污染物COD的輸運過程是緩慢的，并且填埋場滲濾液污染具有量小，持續周期長的特點。如果沒有對填埋場進行預防整治，污染物往往慢慢積累擴張，在這種輸運的持續影響下，大片的區域終將受到污染，這顯然是非常不利于地下水環境的。

我們仔細分析降雨量為1600mm的數據，在豎直方向上，5年后，COD在5.5m處達到了0.5g/L，而在20年后和50年后分別在15.9m和30.7m處達到0.5g/L。而在水平方向上，5年、20年及50年后COD濃度達到0.5g/L的距離分別為4.8m、14.6m和34.2m。基于上述數據，很明顯滲濾液在水平方向的運移是無法忽略的，從而填埋場選址需要考慮其對周邊地下水的污染。進一步發現，COD 在水平方向上遷移距離隨著土壤埋深增加而增加，這是由于降雨量引起的對流占據主導作用。由圖中還可以看出，COD的濃度除了主要集中于一段區域外，污染物濃度梯度幾乎為0，說明污染物的運移是比較均勻的。

為考察不同參數（擴散系數、吸附系數）對COD運移的影響，分別改變初始參數，研宄污染物運移是否有明顯差異，為以后的填埋場選址以及施工提供有效意見。

選取地下水中的一點A（250，55）監測污染物濃度，該點位于垃圾填埋場的正下方，距離填埋場底部15m。圖3是監測點COD濃度隨時間的變化圖，當COD在土壤中的分子擴散系數增大為5e-10m2/s時，地下水中COD的濃度幾乎沒有差別。在豎直方向上，20年后，COD在16m處達到了0.5g/L，運移深度變化量不到1%，說明對于考慮降雨量的填埋場，分子擴散系數對COD在土壤中運移范圍的影響非常小，可以忽略不計。前面的工況均采用線性吸附模型，為了考察吸附系數對污染物運移的影響，取kp=0表示不考慮吸附作用。圖4中kp=0時監測點濃度達到0.5g/L的時間約為12年，線性吸附模型下需要將近18.5年。同時分析數據的傾斜角度，可以得到kp=0的工況斜率遠大于線性吸附工況，斜率越大，表示污染物濃度變化的速率越快。這是由于進入土壤中的污染物有一部分吸附在土壤顆粒上，從而降低了地下水中的COD濃度變化速率。因此，非吸附性污染物在地下水中的運移速率更快，將填埋場建立在吸附性能好的土壤可有效延緩污染物COD在地下水中的運移深度。

2 結論

本文建立了吸附性污染物COD在飽和土壤中輸運過程的數學模型。數值模擬了降雨條件下填埋場滲濾液在地下水中的運移機制，結果表明污染物COD的運移是比較均勻的，并且不可忽略其在水平方向上的擴張。分析不同參數對COD運移的影響，首先發現土壤的擴散系數對污染物運移范圍影響甚小，對流占據主導作用。其次，土壤的吸附系數對污染物運移具有顯著的影響，因此填埋場選址需靠近吸附性能好的粘性土壤。

【參考文獻】

[1]張志紅，孫保衛，紀華等.北京地區簡易垃圾填埋場特性[J].北京工業大學學報，2013（7）：1116-1120.

[2]陳云敏，謝海建，柯瀚，等.層狀土中污染物的一維擴散解析解[J].巖土工程學報，2006，28（4）：521–524.

[3]黃昕霞，嘉興垃圾填埋場地下水污染狀況及污染物遷移規律研究[D].中國地質大學，2008.

[4]楊春曉，土體分形特征對垃圾滲濾液中COD遷移的影響研究[D].中國地質科學院，2015.

[5]錢子立，汪穎俊，方偉.1951—2015年衢州市氣象變化特征分析[J].浙江水利科技.2019.222（2）：27-34.

[6]周旻，靳孟貴，魏秀琴.利用地中滲透儀觀測資料進行降雨入滲補給規律分析[J].地質科技情報，2002，21（1）：37-40.