水力截获技术在地下水污染修复中的应用——以某危险废物填埋场为例

顾 栩，杜 鹏，单慧媚，马 腾，程胜高

（1.中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北 武汉430074；2.中国地质大学环境学院，湖北 武汉430074；3.中化地质矿山总局化工地质调查总院，北京100013）

危险废物填埋场，由于危险废物储存量大、种类繁多，渗滤液污染组分复杂、浓度高、毒性大，是高风险的地下水潜在污染源［1］。因此，在危险废物填埋场建设项目的环境影响评价阶段，就需提出有效的地下水污染防治方案。而在填埋场运行过程中一旦防治方案失去效果，就需要对受污染的地下水进行修复。

地下水污染修复技术，按修复机理可以分为物理修复法、化学修复法、生物修复法和复合修复法；按污染物修复位置可以分为原位修复和异位处理［2—4］。目前，在实际工程中应用较广的主要有水力截获法、原位生物处理法和渗透性反应墙。其中，水力截获技术在国外已被广泛应用于抽出－处理系统的设计中，它是通过设置一系列合理的抽（注）水井，人工改变地下水天然流动方式，制造人工流场，最大限度地汇集和抽取受污染地下水，以达到修复受污染的含水层并抑制污染羽扩散的一种水动力学技术［5］。相对于其他地下水污染修复技术，该技术的优点是实施过程简单，适用于常规修复和应急修复。该技术的关键是设计一种有效的水力截获系统截取污染的地下水，而不允许污染物运移到下游［6］，特别是针对危险废物填埋场的地下水污染修复，其难点是控制水力截获带的规模和几何形态。为此，本文以拟建的某危险废物填埋场为例，尝试通过数值模拟方法，解决水力截获技术在危险废物填埋场地地下水污染修复中的井群布设等难点问题。

1 水力截获技术

早在20世纪60年代，J.Bear等［7］利用注水井人工补给地下水含水层，并对其运动规律进行了定量研究，该成果为后来水力截获技术的发展打下了基础。

水力截获技术是修复受污染含水层并抑制污染羽扩散的一种水动力学技术。单个抽水井形成的截获带平面图（忽略垂向流速分量）如图1所示，在抽水井下游截获表面上，存在一个所有流线收敛的特定位置，在该点处流速矢量的全部分量都为零，称为驻点，而截获表面上的所有分水线都必然通过驻点。多井截获带是多个单井截获带几何形状的叠加，在二维流的状态下，未被井群系统截获继续向下游流动的水和流向井群系统水的分水岭就是水力截获带的边界曲线；三维流情况下为截获体，是抽水井截获表面边界迹线组所限定的空间结构体［8］。

图1 单个抽水井形成的水力截获带平面图Fig.1 Hydraulic capture－zone curves of single pumping well

水力截获技术的核心，是根据治理场地区域的地质及水文地质条件，以及污染物的性质、分布及迁移特征，应用渗流理论以及最优化理论等学科的知识，在污染羽下游设置治理井（群），形成水力截获带抽出受污染地下水。水力截获带的形态与规模受很多因素的影响，含水层结构参数、天然流场水力梯度，截获井的数量、间距、抽水量及完整性等诸多因素都可以成为控制变量［6，9］。

井（群）系统设计方法主要包括：解析/半解析方法、数值模拟方法、数值模拟及优化耦合方法［8］，本文主要利用数值模拟方法建立区域水流模型、污染物迁移模型，以为水力截获带的最优布设提供前提条件。

2 研究区地下水污染的数值模拟

本文以拟建的某危险废物填埋场场地为研究区，对研究区地下水污染进行数值模拟。

2.1 研究区概况

研究区地形地貌类型属构造剥蚀低山，地势起伏较大，场地东西侧为山体，整体呈北高南低态势，山体为燕山晚期裸露花岗岩岩体，自然坡度为35°～45°。场地部分区域上覆第四系残积砾质黏性土，下伏基岩主要为燕山晚期二云母二长花岗岩。自上而下地层分布为：砾质黏性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩。填埋场区含水层主要为砾质黏土层，因此污染物的扩散和截获模拟主要针对该层。场区地下水径流条件差，由于下伏弱、微风化花岗岩为相对隔水层，地下水主要为潜水，循环深度浅，径流路径短；加之受地形控制，地下水与地表水具有基本相同的分水岭，由地形高处往低处径流，整体地下水径流方向为沿风化裂隙从分水岭下游和两侧谷坡向沟谷汇集，由北往南径流，并向地势低洼地带汇集。拟建场地周边约50户居民生活用水主要为地下水（民井），该范围内地下水部分接受拟建场地周边范围内地下水的补给，但主要还是来源于大气降雨的补给。

2.2 地下水中污染物运移的数学模型

地下水中污染物的运移问题涉及两个数学模型，即地下水流动的数学模型和污染物运移的数学模型。本文采用地下水流动与污染物运移的模拟软件Visual MODFLOW建立其数学模型。Visual MODFLOW模拟软件是在无缝集成MODFLOW－96、WinPEST、MT3D99、MODPATH（平面和剖面流线示踪分析）、RT3D等软件的基础上，建立了系统、合理的Windows菜单界面与可视化功能，其界面设计包括三大彼此联系但又相对独立的模块，即前处理模块、运行模块和后处理模块，既增强了模型的数值模拟能力，又简化了三维建模的复杂性［10—11］。

天然情况下地下水流动的数学模型可表示为如下三维稳定流数学模型：

式中：H为地下水水头（m）；Kx、Ky、Kz为x、y、z方向渗透系数（m/d）；H1为含水层第一类边界水头（m）；ε1为源汇项强度（包括开采强度等）（1/d）；Σ1为含水层第一类边界；Σ2为含水层第二类边界。

污染物运移的数学模型可表示为［12］

式中：Rd为阻滞因子，其中ρb为骨架密度，Kd为分配系数）；c为地下水中污染物浓度（mg/L）；cs为源和汇的浓度（mg/L）；t为时间（d）；θ为含水层孔隙率；xi为沿坐标轴各方向的距离（m）；ΣRk为化学反应项；Dij为水动力弥散系数；vi为地下水渗流速度（m/d）；qs为源和汇的单位流量（m3/d）。

2.3 模拟范围

如图2所示，拟建的危险废物填埋场位于沟谷中，场地东北部红线位置为地表水分水岭（也是地下水分水岭），距东南副坝轴线约300m，地面高程为208m。拟建场地东部山岭比谷地高出约130m，西部则高出约40～60m，地下水水流从208m等高线以及两侧山地向中间河谷凹地（拟建工程场地）汇集，场地内地下水自东北向西南径流，在拟建工程场地外侧沿沟谷地带汇入BS、NZ两个水库，地下水流向主要受地形的控制。场地西南侧的HF、NZ两个水库常年蓄水，库水位分别约为140m和160m，场地东南侧BS水库常年蓄水，库水位约为80m。

模拟预测范围为如图2所示的红色线所圈定的范围，面积约为5km2。208m等高线处是该危险废物填埋场区与北部另一填埋场的分隔坝，其地势高于南北两侧的场区，是两个场区的地下水分水岭，因此设为隔水边界；模拟区西北和东北以山脊线（红线）为地下水分水岭，为隔水边界；西南HF水库、南边的NZ山水库以及东南的BS水库切割含水层，与含水层有水力联系，设为定水头边界；与3个水库相邻的山脊线（红线）设为隔水边界。

图2 拟建危险废弃物填埋场场地布局示意图Fig.2 Layout sketch of the study site

2.4 模型概化

（1）水平剖分。平面上，对模拟区进行矩形单元网格剖分，剖分网格数为100×100，尺寸为25m×25m；对厂区安全填埋区、污水处理池和暂存库内的网格进行加密，尺寸为12.5m×12.5m。

（2）地层含水性。场区内主要的地层为：地表的砂质黏土层、砾质黏性土含水层、强风化和中风化花岗岩弱含水层、微风化花岗岩相对隔水层。其中，地表的砂质黏土层，厚度为2～5m，在场地局部分布，主要覆于沟谷、洼地表层，除NZ山水库、HF水库及其附近沟谷范围内的地下水位处于该地层外，其余地区都处于下伏的砾质黏性土和强、中风化花岗岩弱含水层；砾质黏性土为主要含水层，厚度在3～15m，广泛分布于区内；强、中风化的花岗岩为弱含水层，厚度在8～54m，分布于第四系地层以下；微风化花岗岩分布于整个场地，处于中风化花岗岩以下，为相对隔水层。

（3）垂向剖分。垂向上依据场区建设特点以及研究区内含水层特征划分为三层：第一层为针对厂区不同功能区进行防渗：填埋区按照工艺设计采取双层防渗，厚度约1m，渗透系数低于8.64×10－8cm/s；雨水收集和事故排放池、渗滤液调节池以及厂区其他用地的渗透系数小于1.0×10－6cm/s；沟谷平缓地带分布的砂质黏土层，渗透系数为6.17×10－6～16×10－6cm/s；山坡体分布的砾质黏性土，渗透系数为4.63×10－4～16×10－4cm/s。第二层整体刻画为砾质黏土层，渗透系数为4.63×10－4～16×10－4cm/s。第三层为强和中风化花岗岩裂隙含水层，渗透系数为1.85×10－4～4.63×10－4cm/s。底板设为隔水层。

2.5 地下水流场

根据区域水动力参数，建立的研究区天然条件下地下水二维稳定流流场见图3。场地内地下水径流受到地形的控制，场区东侧靠近山区地带的地下水径流较快，西南侧冲洪积地带地下水径流较缓，东南侧山谷低洼处向BS水库汇集地带地下水径流较快，说明该模型的建立能够正确地反映真实情况下地下水流场的特点。

图3 地下水径流矢量图Fig.3 Vector diagram of groundwater flow流向矢量配色方案：红色表示向外，蓝色表示向内，绿色表示与平面平行。

2.6 地下水污染模拟

根据该危险废物处置中心《地下水环境影响评价专题报告》中对填埋区污染组分的等标污染负荷值的计算（见表1）可知，造成该填埋区主要污染风险的组分为COD、氨氮、Ni、F和As。其中，COD和氨氮为常规污染指标，在一般的垃圾填埋场中这类污染很常见；而Ni为重金属污染物，危害较大，其等标污染负荷值为3.552×105，是除COD和氨氮之外的最高污染指标，为该场地主要的污染风险，且由于Ni在地下水中的运移不考虑吸附项和反应项，对于污染物的运移具有普遍的指示意义，因此本文选择Ni为特征指标对该填埋场地地下水污染进行数值模拟。

表1 填埋区污染组分等标污染负荷值Table 1 Pollution load values of the pollutants in the landfill

根据填埋场地监测数据显示，区域内地下水中Ni的本底值在0.001 6～0.002 3mg/L之间，渗滤液中Ni的最大浓度为2.612mg/L，将此浓度作为初始浓度赋值并假设污染物等浓度连续入渗。《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）中Ⅲ类标准对Ni的限定值为0.05mg/L，因此将0.05mg/L作为研究区污染羽边界值。

对研究区降雨入渗系数进行分区，山坡体的降雨入渗系数依据坡度大小取值范围在0.05～0.11之间，陡峭处取最小值；平缓的凹谷地带降雨入渗系数取值范围在0.25～0.28之间。据此，对降入入渗补给量进行分区，由于多年平均降雨量为1 489.8mm，因此降雨入渗补给量分别为：山坡体为74.49～163.878mm/a；凹谷平缓地带为372.45～417.144 mm/a。此外，根据研究区内水文地质勘察报告，厂区西南侧HF水库、南边NZ山水库以及东南侧的BS水库水头取值分别为140m、160m和80m。

根据野外弥散试验，纵向弥散度为18.2m。本次模拟中按照线性等温吸附处理，黏土的干密度取1 500kg/m3，各层均采用默认的分配系数Kd＝1×10－7L/mg。

假设填埋场防渗失效，污染物运移扩散模拟结果显示：在发生渗漏故障的第1d，污染物已经有所扩散，但仍然控制在一期填埋区防护坡范围内，扩散距离约为10m；在事故渗漏的第30d，污染羽已扩散出填埋场区范围，超越截污坝，扩散距离约为60m；在第60d，污染羽扩散至场区渗滤液调节池附近，扩散距离达100m；在第365d，污染羽已扩散至拟建工程外，至地下水水流下游约200m处；在第730d，污染羽已接近BS水库，距其大约只有150m左右；第1 000d，污染羽已到达BS水库。

3 研究区地下水污染的修复

3.1 井群布设方案

假设在渗滤液渗漏365d时发现了填埋场防渗结构已失效，修复目标为使污染羽收缩到最小，限定修复时间为1a，并要求在修复效果最好的前提下优化抽（注）水井的数量和抽水量，降低修复成本，经济高效地防控地下水污染。

根据事故渗漏第365d的污染分布状况，该场地范围内有zk12、zk16和zk203个勘察钻孔以及1个民井mj1位于污染羽范围内，因此可将这4口井改造成污染修复井（抽水井）。此外，根据污染物运移状况，在污染羽扩散的中轴线上布设3个备选的补充抽水井bc1、bc2和bc3，并在污染羽的下游污染扩散中轴线以及两侧布设备选注水井zs1、zs2和zs3，其井位分布如图4所示。

3.2 水力截获系统的优化选择

现有的4口抽水井为最少井数，在此基础上逐渐增加抽、注水井数量，分别模拟不同抽水量条件下的污染羽收缩状况，并进行交叉比较。在保证污染羽充分收缩的前提下，选用最少的井数与最少抽注水量则为最优方案。

3.2.1 4井抽水系统

图4 备选井井位布置图Fig.4 Sketch map of the alternative well sites

zk12、zk16、zk20和 mj1都是现有钻孔和民井，井位位于扩散污染羽的中间地带，将它们改造成抽水井，模拟这4口抽水井在单井日抽水量分别为100 m3、300m3和500m3的状况下，到一年修复期满时污染羽的分布情况，其模拟结果见图5。

图5 4井抽水系统不同抽水量的修复效果Fig.5 Remediation effects of four－pumping－well system at different pumpages

由图5可以看出：在单井抽水量由100m3/d提高到500m3/d的情况下，污染羽的范围逐渐缩小，修复效果越来越好。经过试算，当单井抽水量达到750m3/d之后再增加时，mj1井处已出现疏干情况，此井失去了修复作用，而且污染羽的范围也比抽水量为500m3/d时的大。因此，在4井抽水系统状况下，单井抽水量为500m3/d时的修复效果最好。

3.2.2 5井抽水系统

图6 不同5井抽水系统的修复效果Fig.6 Remediation effects of five－pumping－well systems by adding a different pumping well

在备选的3个补充抽水井bc1、bc2和bc3中，分别选择1个井与现有4个井组成5井抽水系统，根据上述4井抽水系统中单井抽水量为500m3/d，井群日抽水总量为2 000m3，在5井抽水系统中设定单井抽水量为400m3/d，并在横向比较不同5井抽水系统修复效果的同时，与相同总抽水量的4井抽水系统进行了对比，其模拟结果见图6。

由图6可以看出：在选择补充bc2井组成的5井抽水系统中［见图6（b）］，修复效果相对于其他两个5井抽水系统［见图6（a）、（c）］更优；经过大量模拟试算，单井抽水量为360m3/d就可以保证污染羽范围控制在bc2井点位以内；此外，综合一次性的建井投入、资源消耗以及污水抽出之后的处理费用和修复效果，此方案比四井抽水系统更优。

3.2.3 6井抽水系统和7井抽水系统

6井抽水系统与5井抽水系统对比，在保持最佳5井抽水系统相同的井群总抽水量的条件下，6井抽水系统模拟选用单井抽水量为300m3/d。通过对不同6井抽水系统修复效果进行对比，增加bc1和bc2井的6井抽水系统的修复效果相对最优。增加bc1和bc2井的6井抽水系统中，当单井抽水量为290m3/d时就可达到单井抽水量300m3/d时相似的修复效果；相比五井抽水系统，抽水量只减少了70m3/d，但多建了一口井，而且多建的bc1井位于污染传播的核心地带，此位置抽出的污水污染浓度高，势必会增加废水处理的费用。

7井抽水系统与5井抽水系统对比，经过试算，在单井抽水量达300m3/d时，7井抽水系统的修复效果与5井抽水系统最佳修复效果相似，都能将污染羽控制在bc2井点位以内，但是此方案单日总抽水量已经达到2 100m3，与5井抽水量相比，不仅增加了总抽水量，而且还增加了抽水井，因此该方案欠佳。

3.2.4 抽水加注水系统

抽、注井并用系统中，主要分为增加1个注水井和增加3个注水井两种，且总抽水量与总注水量相同。对于一注多抽系统之间的比较，在保持单井抽水量相同的条件下，主要比较达到同样修复效果时所需要的抽水量，抽水量节约的越多则方案越优；对于1个注水井与3个注水井之间的比较，在一个注水井最佳单井抽水量的基础上依次减少抽水量，比较修复的效果，并综合节约的水量与建井的费用，选择最优化的方案。

首先，试算现有的4井抽水系统加上污染羽下游中轴线方向上设置的备选注水井zs1，比较不同抽注水量下四抽一注系统的修复效果，其模拟结果见图7。由图7可以看出：在四抽一注的抽注水系统中，单井抽水量为900m3/d（注水量为3 600m3/d）是该系统的最佳修复方案，且在单井抽水量由500 m3/d增加到900m3/d的过程中，没有出现在上文中单纯使用4井抽水系统时出现的含水层疏干的情况，原因是zs1的注水对区域地下水的补充使得抽水系统正常运行，而继续增加抽水量则会出现疏干现象。

然后，在四抽一注系统的基础上，若增加zs1井两侧的备用注水井zs2和zs3，控制污染羽向两侧的逸散，并将抽水井单井抽水量逐渐下调，试算四抽三注系统的修复效果，其模拟结果见图8。由图8可以看出：在增加了两侧的注水井之后，并减小抽水量，到单井抽水量为880m3/d甚至890m3/d时的修复效果才能达到四抽一注系统的最佳修复效果，这样对抽水量的节约十分有限，而且又增加了两口新建井，并增加了建设费用，因此与四抽三注系统相比，四抽一注系统更优。

图7 不同抽注水量下四抽一注系统的修复效果Fig.7 Remediation effects of four－pumping－one－injection well system at different pumpages

图8 不同单井抽水量情况下四抽三注系统的修复效果Fig.8 Remediation effects of four－pumping－three－injection well system at different pumpages

此外，其他抽注水系统的模拟计算结果显示：

（1）用最佳5井抽水系统增加zs1组成五抽一注系统，其在单井抽水量为600m3/d时就能到达4井抽水系统的修复效果，节约的水量基数较大，综合而言更为优化；五抽三注系统与五抽一注系统相比，控制污染羽的收缩非常有限，污染羽的分布状况几乎一致，因此没有必要再增加两个侧向注水井。

（2）在最佳6井抽水系统中增加zs1组成六抽一注系统，其在单井抽水量为350m3/d时的修复效果已与五抽一注系统最佳修复效果无异，而且在此情况下，总抽水量控制在2 100m3/d，比五抽一注系统的总抽水量又有显著降低；而对比六井三注系统，多增加了两个注水井非但没有优势，还带来了意外的污染羽逃逸，因此增加两侧注水井没有必要且有弊端。

（3）将7井抽水加注水系统的总抽水量设定为六抽一注系统的最佳总抽水量2 100m3/d，即单井抽水量为300m3/d，其修复效果并没有六抽一注系统好，因此没有必要再增加一口抽水井。

对比两种不同的井群系统，最佳抽、注水方案为六抽一注，多了bc1和zs1两口井，虽然会增加一次性建井费用和一定的运行费用，但单纯的5井抽水系统只能将污染羽限制在bc2井点位以内，而六抽一注系统可将污染羽收缩至mj1井点位以内，其污染修复的效果有明显优势，可满足预期的修复要求；此外，注水井的设置，可将抽水井抽出的受污染地下水经过处理之后回灌到含水层中，不仅解决了污水处理之后的出路问题，还可以均衡区域地下水资源，防止水资源浪费，同时又可以避免含水层水位降深过大甚至局部疏干带来的一些负面效应。综合比较，六抽一注系统比单纯的5井抽水系统方案更优。

4 结 论

通过对某拟建危险废物填埋场主要污染物Ni建立其在地下水中的运移扩散模型，并对采取的水力截获修复技术最优方案进行研究，可以得出以下结论：

（1）污染物Ni在发生渗漏故障第1d即开始扩散；第30d开始超越截污坝，对地下水开始产生影响；第365d污染羽已扩散至拟建工程外，至地下水水流下游约200m处；第730d污染羽已接近BS水库，距其大约只有150m左右，严重影响周边居民用水；第1 000d，污染羽已到达BS水库。

（2）采用水力截获技术对污染羽进行控制，对比不同的井群布设系统，采用现有井zk12、zk16、zk20、mj1与备选的抽水井bc1、bc2和备选的注水井zs1联合组成的六抽一注系统是地下水污染修复的最优化方案，能够达到预期的修复目的。

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