洛阳市某垃圾填埋场垃圾渗滤液对地下水的污染预测

宁立波,陈津端

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，中国 武汉 430074；2.湖南环境生物职业技术学院，中国 衡阳 421005)

随着我国城镇化水平的提高，城市垃圾产量也大幅度攀升，生活垃圾的年增长率为8%～10%[1]，城市垃圾处置及污染防治已成为环境保护的突出问题[2]，而垃圾渗滤液对地下水的污染尤为引人注意，如何预报和控制垃圾填埋场地对地下水的污染，进而对污染进行治理，将是水资源保护的重大课题[3-4]．

洛阳市作为中原城市群的重点城市[5]，近年工业发展与居民生活水平迅速提高，垃圾产量也成倍增加，垃圾填埋造成的环境危害已经严重影响城市形象和居民生活质量[6-7]．本文以洛阳市正在运行的某垃圾场为例，运用MODFLOW和Modular 3D Finite Difference Mass Transport Model(MT3D)软件模拟预测在未来若干年污染物的运移特征和对地下水的污染强度．

1 垃圾场概况

该垃圾场位于洛阳市西南部，1999年开工建设，2006年投入使用，距市区约30 km，占地30 hm2，以生活垃圾和建筑垃圾为主，填埋深度为10 m，预计年处理垃圾2.178×105t．

2 水文地质概念模型

研究区面积约2.16 km2．垃圾填埋场位于一山谷谷底，地下水位埋深0.5～2.5 m．第四系松散沉积层可分为两层：上部沟壁两侧为4～15 m厚的黄土，透水能力差．沟底岩性是粉砂、砂卵石，其透水能力相对较好．第二层为厚度不均的粘土、亚粘土及黄土层，厚度5～35 m．地下水流向为由沟壁流向沟谷，后在沟底汇集自西向东流动．研究区含水层厚度有的地方大、有的地方较小，水力坡度的变化也起伏不定，时大时小，总的来看这里的孔隙水具有明显的三维流动特征，因此作者将该区的地下水流动系统概化为三维系统(图1)．图中采用80西安坐标系，纵横坐标单位为km.

根据地下水位的动态特征状态确定模型的侧边界，将地下水位相对稳定的区域确定为侧向边界；而上边界的确定是根据自由潜水面界定，其确定因素为降雨与蒸发；据研究区资料，在80 m深度的位置，基本没有底部的水量交换，所以将底边界设定为第二类边界．

3 构建数学模型

根据研究区水文地质概念模型，构建污染物迁移数学模型:

4 地下水中污染物迁移数值模拟

本研究应用MODFLOW和MT3D软件求解上述数学模型，并进行污染物运移模拟．模拟范围为2.16 km2,南北宽度为1.2 km,东西长度为1.8 km. MODFLOW和MT3D在评价地下水资源及污染物迁移中的应用广泛，并取得了很好的效果．

4.1 初始条件及边界条件

本次研究模拟时间为2020～2050年，因此应用2011年1月份的观测水位作为初始水位．模拟的范围不是一个完整的自然单元，因此在边界确定方面主要是根据流场和地下水位在时间变化的情况下不断波动的特性，特别选取地下水开采范围的外部边界，尤其是地下水位变化相对较小区域的水头当做模型的一类边界．

4.2 参数的确定

确定参数是构建数值模型的重要环节[8-9]．根据勘察报告及相关资料，场区岩土渗透系数见表1．本区水文地质条件比较简单，分为上下两个含水层．上层为导水能力较强的砂卵石，下层为渗透性较差的粉细沙土．各层参数值如表2．

表1 岩土渗透系数统计表

表2 水文地质参数与溶质运移参数

4.3 污染源特点

该垃圾填埋场运行时间较短，垃圾渗滤液中的有机成分质量浓度较高，其中2006年4月份监测CODCr为769 mg/L，铵根离子浓度为805 mg/L，氯离子浓度为3 121 mg/L．在垃圾填埋场下游，距离填埋场10 m左右的地方钻孔取水样分析发现，该孔地下水中CODCr浓度30 mg/L左右，铵根离子浓度为40 mg/L左右，氯离子浓度为60 mg/L(背景值6 mg/L)，均远远高于研究区背景值．说明该垃圾填埋场虽然有卫生防护措施，但垃圾渗滤液已经透过防护层进入地下含水层中．

5 模拟结果分析

为了充分认识垃圾渗滤液在地下水中的迁移污染范围，本次模拟中，应用保守型离子Cl-作为模拟因子[10-11]，分析不同时段垃圾渗滤液迁移扩展状况．污染源中氯离子的浓度采用渗滤液透过防护层后的浓度．根据2011年4个季节监测的结果，渗滤液透过防护层后氯离子的平均浓度为68 mg/L．模拟时间步长从2020年至2050年，共30年．根据所确定的参数，采取MODFLOW和MT3D软件进行计算和模拟[12]，结果见图2～5．

图2 2020年Cl-迁移范围 图3 2030年Cl-迁移范围

图4 2040年Cl-迁移范围 图5 2050年Cl-迁移范围

模拟结果表明，污染物的运移范围随时间的变化而变化，且呈持续扩大的趋势．由图2～图5可以看出污染晕的形态呈椭圆状，其长轴方向指向地下水的流向．在无外来事件干扰的前提下，污染物的扩散范围将持续向下游运移并渐渐增大，具体结果见表3．假如将来下游地区由于生活或者工业生产而加大地下水的开采强度，甚至其他不可知的原因使得地下水流场发生较大的变化的情况下，可能污染物影响的范围将会放大．模拟计算给出了地下水污染晕的变化动态．分析认为：

(1)通过分析氯离子最大迁移距离，确定污染羽的范围，是目前研究垃圾场渗滤液污染地下水的主要手段之一．从表3中可以看出：在该垃圾场运营的早期，地下水中的污染物浓度迅速增加，污染羽向下游扩展的速度较快．随着污染物的持续运移，地下水的混合作用会逐渐加强，尤其是越向下游这种混合作用愈加强烈，污染物浓度会被稀释而逐步变小，相应的其扩散的速度也会越来越慢．

(2)由模拟结果可以看出，垃圾渗滤液向沟壁两侧扩展的范围不是很大，但由于垃圾填埋场部分改变了地下水流场，特别是抬高了垃圾填埋区的地下水位高程，使填埋区垃圾渗滤液向两侧泄露的机会加大，对附近区域应做好防护工作．

表3 Cl- 最大迁移距离表

6 结论与建议

(1)在垃圾场运营早期，地下水中的污染组分浓度增加明显，污染羽快速向下游扩展，迁移距离达到700 m，而随着污染物迁移距离的扩大其浓度和扩展速度都开始降低；

(2)污染物运移距离在2050年接近1 km，已逼近洛阳市区，将对当地居民的用水安全造成危害；

(3)建议加强对垃圾渗滤液的处理力度，并在垃圾场下游建设地下防护墙．

参考文献：

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