基于敏感性分析的危險廢物填埋場工程和地質屏障參數優化設計分析

方志強

（朔州職業技術學院，山西 朔州 036002）

截至2020年，我國危險廢物的產生量高達9 000 萬t。填埋是固廢物處置的主要手段，其成本低，操作便捷，但是在填埋場設計期間會出現滲濾液滲漏的問題，這是一種危險廢物在化學或生物反應下形成的高污染液體，一旦滲入地下水，將會給土壤與地下水造成污染。所以，有必要對填埋場進行優化設計，合理選擇各項參數，判斷其中的敏感性，確保泄漏風險降到最低。

1 危險廢物填埋場工程地下水概況

以地下水環境保護為目標，確定工程地下水環境的大致情況，以此滿足滲濾液滲漏預測模型的建立要求。研究區以等水位線、地下水流線為界，東部邊界按照等水位線進行劃定，西部按照河流邊界來劃定，其他的邊界按照地下水流線來劃定，最終可確定危險廢物填埋場區域面積共計53.89 km2。危險廢物無害化處理的始終是解決全球性環境問題的重點，各國家多數會采用填埋的處理手段，以此降低危險廢物泄漏風險，但是填埋場的設計比較復雜，機械性損壞與化學老化會造成土工膜的性能逐漸退化，因此泄漏事故與污染問題時有發生。有必要對填埋場的工程地質屏障進行優化設計［1］。

2 模型與方法

2.1 構建代表性場景

為了有效控制滲濾液向地下水的滲漏風險，各國紛紛對填埋場地質屏障提出了強制性設計標準，比如美國與中國要求導排層的坡度不能低于0.02，滲透系數必須在1.0×10-1cm/s以上，因此，本文決定選擇過程模擬方法，以參數的敏感性分析為前提，對填埋場工程和地質屏障的各項參數進行優化選取與設計，從中選出最佳取值［2］。

構建代表性場景，識別不同參數的敏感性程度，模擬出真實情況下滲濾液向地下水和土壤內滲漏的場景與地下水污染場景，按照相關污染控制標準，從上至下進行幾部分的劃分，具體情況如下：（1）封場覆蓋系統，其中的分層主要包含覆蓋層，材質為細砂壤土，厚度0.6 m；雨水導排系統，材質為粗砂，厚度0.2 m；防滲系統上層材質為HDPE膜，厚度0.001 m，下層材質為黏土，厚度0.3 m。（2）危險廢物層，該部分的厚度為7 m。（3）主滲濾液防滲與導排系統，其中包含導排層、系統上層與下層三部分。導排層選用卵石材料，厚度為0.3 m；系統上層材質為黏土，厚度0.6 m；系統下層材質為HDPE膜，厚度0.001 m。（4）次滲濾液防滲與導排系統，其中包含導排介質、系統上層與下層三部分。導排介質主要為排水網材料，厚度0.006 m；系統上層選用HDPE膜，厚度0.001 m；系統下層為黏土材料，厚度為0.99 m。

2.2 基于過程模擬的滲濾液滲漏與污染預測

2.2.1 滲濾液滲漏預測模型

在填埋場內設計雨水防滲、滲濾液導排防滲系統，可有效降低滲漏液帶來的風險問題，但污染問題依然存在，這是因為HDPE膜在安裝和后期使用期間會出現不同程度的破損，滲濾液會經過破損的地方逐漸滲漏與擴散。

經過室內滲漏模擬實驗與仿真分析［3］，確立滲漏速率計算公式，再結合我國填埋場內“兩層HDPE膜+一層CCL壓實黏土襯層”的結構，滲濾液的滲漏速率計算公式如下：

上述公式當中，Q指的是滲濾液向地下水與土壤內的滲漏速率，單位為m3/s；a為HDPE膜的破損面積，單位為m2；ks是CCL水力傳導率，單位為m/s；Ls為CCL厚度，單位為m；hw指的是HDPE膜上滲濾液的高度，單位為m；N是膜上的破洞密度，單位為holes/（104m2），通常針眼孔的尺寸為1 mm，破洞密度為2.5～5.4 holes/（104m2），小孔的尺寸在10～25.5 mm左右，破洞密度為2.5～22 holes/（104 m2）；S指的是填埋場底部面積，單位為104 m2；βc為HDPE和CCL襯層的接觸系數，良好狀態下取值0.21，非良好狀態下取值1.15。

2.2.2 滲濾液濃度衰變模型

填埋場內的滲濾液是廢物堆放與填埋期間，在廢物壓實與雨水滲流的共同作用下產生的高濃度液體，這類液體具有有機和無機兩種成分。隨著自然降雨在填埋場淋溶，廢棄物內部的有害組分會產生不同程度的耗損，同時滲濾液污染物濃度下降，這一期間可采用源項衰減模型來描述滲濾液濃度的衰變過程，具體如下：

公式當中，Ct指的是在t時滲濾液內有害物的濃度，單位為mg/L；C0指的是滲濾液有害物質初始濃度，單位為mg/L；λ指的是有害物濃度變化系數，單位為10-7m-3a-1；t指的是時間，單位為a；i是滲濾液的滲透速率，單位為mm/a；Wd和Wfe分別指的是廢物深度與現場容量，單位分別為m和104m3。

2.2.3 滲濾液與危害組分在土壤—地下水中遷移轉化預測

當污染物在包氣帶與地下水介質內進行前移與分布期間，會同時受到水流稀釋與衰減效應的影響，這里提到的衰減效應就是指降解與吸附，在土壤—水系統內，水流稀釋效應和衰減效應能夠通過以下工程來表述：

上述公式當中，x指的是沿著滲濾液流動方向的路徑距離，單位為m；c指的是距離在x、時間在t的情況下污染物實際濃度，單位為mg/L；v指的是地下水的流速，單位為m/s；n指的是有效孔隙度；R和γ分別為衰減因子和一階衰減率，單位s-1；DL指的是流體動力學的縱向彌散系數，單位為m2/s，最小值為0.012 m2/s，此時含水層厚度2.7 m，地下水的流速為10 m/a。最大值為12 m2/s，此時含水層厚度43.2 m，地下水的流速為150 m/a；a指的是介質的分散度，單位為m；Dm指的是分子的擴散系數，單位為m2/s。

當邊界條件不同時，對流與擴散方程的解析式也會有所差異，針對滲濾液的滲漏邊界條件，假設污染物的濃度按照上述公式中的規律進行衰減，那么經過拉普拉斯變換之后，解析過程大致如下：

上述公式當中，c(x,t)指的是模擬污染物的遷移初始濃度，單位為mg/L；cd為模擬污染物遷移之后的濃度，單位為mg/L；μ為特征根。以上兩個公式適用于滲漏條件內，填埋場的防滲層下方污染物遷移時根據公式計算得出包氣帶底部和地下水內的污染物濃度，各項參數的取值大致如下：Ks=1×10-7m/s；LS=0.6 m；S=3 ha；i=78 mm/a；Wd=20 m，Wfe=0.5 104m3。

3 模擬參數對污染物濃度的影響

3.1 導排支管間距

了解導排支管間距在不同的情況下污染物濃度的大致空間分布情況，隨著間距增加，污染物濃度也會隨之增加。比如間距為240 m的時候，支管間距從5 m上升到10～100 m，此時污染物濃度也從最初的4×10-6mg/L上漲到了1.65×10-5g/L。出現這一情況的原因是導排支管間距增加，導致滲濾液滲流的途徑延長。所以，防滲膜上的滲濾液飽和水位上升，同時水頭壓也會上升。按照“達西滲流定律”得知當滲流量增加的時候，地下水受到滲濾液污染的程度也會明顯加劇。

3.2 導排層坡度

導排層的厚度在增加的過程中，井內污染物的濃度逐漸縮小。比如在240 m位置，導排層的坡度從最初的0.01提高到0.16，而污染物的濃度也從5.67×10-6mg/L下降到1.36×10-5mg/L。出現這一變化的原因主要是導排層坡度加大，而介質內水力坡度也會增加，這就會使導排層側向的導排能力提高，而防滲膜處滲濾液的飽和水位降低，此時滲漏量也會因此而減少。

3.3 導排層滲透系數

根據相關標準規定，要求填埋場內導排層滲透系數不能低于0.1 cm/s，但是滲濾液內會存在懸浮顆粒與鈣鎂離子，這些物質的存在會造成淤堵現象，有時導排層的滲透系數會因此降低3個數量級。導排層滲透系數降低，污染物濃度上升，在含水層內其他區域的污染物濃度增加。這是因為滲透系數在減小的同時，導排層的側向排水能力有所減弱，所以滲濾液的飽和水位與滲漏量都有所增加。

4 地質屏障參數優化

4.1 參數的敏感性分析

計算得出為敏感性的分析結果，可知導排支管間距在從5 m提高到100 m的時候，污染物的濃度增加到了1.17×10-5mg/L，增加速率達到了1.23×10-7mg/（L·m）。間距會對滲濾液導排途徑長度造成影響。如果填埋場的面積相同，間距越大，導排途徑就越長，此時滲濾液的最高水位就會增加，同時水壓也會加大，這就會導致填埋場內面臨著嚴峻的滲漏風險［4］。

導排層的坡度從0.01提高到0.04，污染物濃度也降低到了6.31×10-6mg/L。導排層的滲透系數從最初的0.000 1 cm/s提高到了0.01 cm/s，此時污染物的濃度會以0.2（mg·s）/（L·cm）的速度下降到1.96×10-4mg/L。滲透系數如果進一步加大，這一變化會對污染物濃度產生較小的影響，甚至可以忽略不計。經過研究得知，導排層的坡度與滲透系數在增加期間，滲濾液導排效率明顯提高，滲濾液的飽和液位降低，這會讓污染物濃度有所減少［5］。

天然襯層的滲透系數增加到1.0×10-6cm/s，污染物的濃度也增加到3.3×10-5mg/L，經過計算，得知增加速度是33.74（mg·s）/（L·cm）。滲透系數從1.0×10-6cm/s增加到5.0×10-5cm/s時，此時增加速率降低，只有11.75（mg·s）/（L·cm）。這就說明天然襯層的滲透系數對于滲濾液向地下水內與土壤內的滲漏風險有著一定的控制作用，會對滲漏于地下水內的穿透時間產生影響。

含水層厚度提高到5.4 m，污染物濃度降低到1.55×10-5mg/L，減小速率5.74×10-6mg/（L·m）。地下水的流速增加時，污染物濃度下降，減小速度為4.03×10-7（mg·a）/（L·m）。

在敏感性指數方面，導排支管間距的敏感性指數為0.865；導排層坡度的敏感性指數為-0.418；導排層滲透系數的敏感性指數為-0.378；天然襯層坡度的敏感性指數為-0.401；含水層厚度的敏感性指數為-0.563；地下水流速的敏感性指數為-0.267。其中導排支管間距敏感性最大，其次是含水層的厚度與導排層坡度。

4.2 參數的敏感區間和推薦取值

在敏感區間內選擇合適的參數值，這是控制污染的關鍵。要求導排支管間距取值為10-25 m，坡度取值為0.02～0.03，滲透系數取值0.000 5～0.001 cm/s。天然襯層的滲透系數取值為5.0×10-7～1.0×10-6cm/s，含水層厚度取值為2.7～5.44 m，地下水的流速取值為20～50 m/a。

5 結語

總而言之，近年來，我國工業化發展進程逐步加快，人們對自然資源的消耗量日益增加，而危險廢物的產生量也是以萬噸級的速度增長。各項參數對于污染風險有著不同的敏感性，經過研究得知，敏感性最大的是導排支管的間距，最小的是地下水流速，隨后可采用指標體系方法進行風險評估分析，以此最終判斷填埋場工程內地下水的風險情況。