基于GMS的某生活垃圾填埋场地下水环境影响数值模拟

梁 川, 邹安权, 郭 昆, 彭进生

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

基于GMS的某生活垃圾填埋场地下水环境影响数值模拟

梁 川, 邹安权, 郭 昆, 彭进生

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

地下水溶质运移模型是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段,可以为垃圾填埋场地下水环境影响评价和地下水污染修复提供定量依据。通过对垃圾填埋场场区水文地质条件的分析,运用GMS中的MODFLOW和MT3D模块建立三维数值模型,进行地下水环境影响数值模拟,研究事故工况下污染物在地下水环境中的浓度变化情况,分析和预测一定时间内地下水可能受到污染的情况。

垃圾填埋场;地下水环境影响;数值模拟;GMS

垃圾的卫生填埋是城市垃圾处置最为经济、最为方便和适用的处置方法。对于生活垃圾填埋场地的选择、设计、监测以及污染风险的模拟评价等,发达国家具有十分严格的要求。如何预测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已是国际上环境和水资源学者研究的前沿和热点。

本文以某生活垃圾填埋场为例,在研究场区水文地质条件的基础上,运用GMS中的MODFLOW模块建立三维数值模型,进行地下水流场数值模拟。设定事故工况,选用MT3D模块进行污染物溶质运移数值模拟,研究污染物在地下环境中的浓度变化情况。通过地下水环境影响数值模拟,预测事故工况下地下水可能受到污染的情况。

1 研究区概况

1.1 项目概况

本次论文的研究依托于某生活垃圾填埋场项目,该项目场址位于武汉市青山区,项目用地约346 632 m2。建设规模:飞灰固化体产生量为18.69万t/年,平均约为512 t/d(512 m3/d),填埋区库容约422.39万m3。项目建设内容主要包括:填埋库区工程、渗滤液处理工程、管理区及辅助工程、配套设施。其中填埋库区工程主要有土方工程、防渗工程、坝体工程、渗滤液导排系统、地下水导排系统、雨水导排系统、绿化、封场工程、水土保持、计量设施、防护设施、监测设施。

通过对项目工艺流程的分析,该项目调节池渗滤液一旦泄漏后渗入地下水中,可能对周围地下水环境造成影响。

1.2 气象与水文

1.2.1 气象条件

项目拟建场地属亚热带季风湿热气候区,具有四季分明、气候温和、雨量充沛的气候特征。冬夏温差大,历年7月份气温最高,平均气温为28.8～31.4 ℃,极端最高气温为41.3 ℃(1934-08-10);历年最低气温为1月,平均为2.6～4.6 ℃,极端最低气温-18.1 ℃(1977-11-30)。每年7—9月为高温期,12月—翌年2月为低温期,并有霜冻和降雪发生。

1.2.2 水文特征

项目拟建场地场区距长江约3.5 km,距北湖约350 m。项目场区内无河流及湖泊,地表水主要为填埋库区内的水塘及填埋场周边的鱼塘中的塘水,勘察期间填埋库区内的水塘最深约2.8 m,填埋场周边的水塘、鱼塘中水深约2～5 m。

1.3 地质环境条件

1.3.1 地形地貌

项目拟建场地位于长江一级阶地上,为地势宽阔平坦的冲洪积、湖积平原,地形起伏不大。场区地形整体为一凹形场地,垃圾坝高约10 m,坝顶高程为27～29 m;填埋库区地面高程在17～19 m。

1.3.2 地层岩性

场区在勘察深度范围内地层为第四系冲洪积、湖积土体,上部地层主要由杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂互层、粉细砂组成,底部下伏基岩为泥质砂岩[1]。

1.3.3 水文地质条件

该区域为长江一级阶地,主要由全新统冲积层堆积而成。项目场区地下水类型主要为松散岩类孔隙承压水,主要赋存于场区下部的粉砂、细砂层中[2]。孔隙承压含水岩组由砂层、砂砾、卵石层组成,厚度为8.30～17.50 m。孔隙承压水与长江水力联系密切,地下水水量丰富。场区内地下水受长江水涨落变化,地下水位一般为16.72～19.49 m,年变幅约2 m。

2 地下水流数值模拟和污染物溶质运移数值模拟

2.1 水文地质概念模型

(1) 含水层概化:研究区主含水岩组为松散岩类孔隙承压含水岩组,上覆粉质粘土概化为上隔水层,下伏白垩—下第三系红色砂岩概化为下隔水层,概化为具上、下越流的承压含水层系统。

(2) 边界条件:对于研究区临江边界,江底切穿含水岩组顶板,但未切穿至底板,形成非完整河补给,因江底切穿深度不一,江底沉积细颗粒厚度不一,故江水在不同地段与地下水水力联系的密切程度也不相同,将长江概化为非完整河已知水位边界。研究区非临江边界表层为网纹状红色粘土,下伏为泥质砂岩,都是弱透水岩层,故概化为隔水边界。

(3) 源汇项设定:研究区的含水层主要由大气降水补给,最终排泄至长江。

(4) 初始条件确定:在模型中输入收集的研究区监测孔的长期观测水位,可生成初始等水位线,确定研究区地下水的初始流场。

2.2 地下水流数学模型和三维溶质运移模型的建立

选择地下水模拟软件GMS中的MODFLOW模块来建立研究区的地下水流数学模型。MODFLOW模块是基于有限差分法的三维地下水流数值模拟系统。研究模型采用三维溶质运移模型,根据模拟区含水层的结构和地下水渗流特征,将计算域在垂向上分为三层,平面上各层按Δx=Δy=100 m的网格剖分,据此全区共剖分成三层共3×9 376个单元。

考虑地下水对流、弥散、源汇项,忽略吸附、溶解、化学反应等作用,建立了预测因子的三维迁移控制方程。选用GMS中的MT3D模块进行三维溶质运移模拟[3]。

2.3 水文地质参数确定

参数分区是基于研究区水文地质条件和野外抽水试验的计算结果,利用GMS中Map下的Layer模块进行参数分区。将主要含水层概化为7个参数分区,并对参数进行了调整和优选,如图1、表1所示。

图1 水文地质参数分区图Fig.1 Chart of hydrological geology parameter partition

表1 水文地质参数分区一览表

Table 1 List of hydrological geology parameter partition

参数分区渗透系数/(m·d-1)释水系数138．00．00065236．70．0006335．90．0006427．00．0005525．00．0005619．00．00045718．00．0004

溶质运移模型中,将研究区域含水介质类型、含水层厚度、渗透系数等与文献中场地的条件进行对比,取承压含水层孔隙度为0.4,纵向弥散系数为20 m[4]。

2.4 地下水渗流模型识别与验证

识别时间段选取2013年1月—12月一个水文年的资料,模型识别时间步长Δt=1 d,共计365个时段。经识别和检验模型,研究区内观测孔水位的模拟计算值与实测值的拟合情况如图2所示。

由图2可以看出,观测点的水位计算值与实测值拟合程度较好,说明现行的参数设置较为合理,所建立的数学模型达到了模型精度要求。

2.5 模拟因子选择和事故工况设定

预测因子包括六价铬和汞,预测因子的初始浓度通过工程分析确定,详见表2。根据本项目污染物产生排放的情况分析,本次地下水预测按照最不利的情况,事故工况下的污染情况是泄漏事故发生后,调节池渗滤液持续泄漏渗入地下水中。设计调节池占地面积为2 200 m2,平面尺寸为55 m×40 m。将渗滤液中各污染因子的浓度作为污染源的起始浓度,来模拟泄漏事故发生后不同时间地下水系统中污染物浓度变化规律。利用验证后的模型来预测不同时间下各预测因子的浓度。

图2 观测孔水位模拟计算值与实测值对比图Fig.2 Comparison of calculated and measured values of the water level in the observation wells

表2 预测因子及初始浓度一览表

2.6 污染物浓度变化趋势

以下图3-图6显示了调节池渗滤液泄漏事故发生后,30 d、90 d承压含水层中预测因子六价铬和汞随水流运移扩散的污染晕浓度分布情况。

图3 泄漏30 d后地下水中铬污染晕分布图Fig.3 Distribution of chromium pollution in groundwater after 30 days

通过模拟可知,一旦事故发生之后,污染物进入地下水,承压含水层中污染物浓度逐渐升高,劣质水面积增大,污染范围不断扩大,将对场地地下水水质产生污染。渗滤液的事故排放对环境的影响较大,渗滤液中含有高浓度污染物,随着地下水径流,对地下水的水质构成威胁。因此,需要采取一定的应急污染控制措施,防止地下水污染范围扩大,使填埋场泄露事故所带来的环境污染得到有效控制,对周边环境质量的影响控制在一定程度之内。

图4 泄漏90 d后地下水中铬污染晕分布图Fig.4 Distribution of chromium pollution in groundwater after 90 days

3 结论与建议

运用GMS软件建立某生活垃圾填埋场地下水三维数值模型,经过模型的识别和验证,模型模拟效果较好。预测结果表明:在设定的事故工况下,污染物进入地下水,承压含水层中污染物浓度逐渐升高,劣质水面积增大,污染范围不断扩大,将对场地地下水水质产生污染。

建议在项目的建设与营运过程中,保护好包气带和土壤环境,避免污染土壤再对地下水环境产生污染。为防止地下水污染,在污染晕扩散方向预设监测井以及抽水井,一旦出现突发性污染事故,可以对地下水进行抽出处理,及时切断污染源,防止地下水受到持续污染。

图5 泄漏30 d后地下水中汞污染晕分布图Fig.5 Distribution of mercury pollution in groundwater after 30 days

图6 泄漏90 d后地下水中汞污染晕分布图Fig.6 Distribution of mercury pollution in groundwater after 90 days

[1] 张海军.武汉市生活垃圾焚烧发电厂固化飞灰安全填埋场岩土工程勘察报告[R].武汉:湖北省水文地质工程地质勘察院,2014.

[2] 马霄汉,桂承新,代朝铭,等.湖北省武汉市区水文地质工程地质综合勘察报告[R].荆州:湖北省武汉水文地质工程地质大队勘察分队,1989.

[3] 郑春苗,Gordon D.Benneff.地下水污染物迁移模拟[M].孙晋玉,卢国平,译.第2版.北京:高等教育出版社,2009:186-198.

[4] Gelhar,L.W.,C.Welty,K.R.Rehfeldt.A Critical review of data on field-scale Dispersion in Aquifers[J].Water Resources Research,1992,28(7):1955-1974.

(责任编辑：于继红)

Numerical Simulation of Impact of Groundwater Environmentin the Municipal Solid Waste Landfill Based on GMS

LIANG Chuan, ZOU Anquan, GUO Kun, PENG Jinsheng

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

Solute transport model of groundwater is an important way to identify the contamination transfer rule and define the scope of pollution and the concentration distribution.It can provide the quantitative basis for the groundwater resource management and groundwater pollution repair．By analyzing the hydrogeological conditions of the field area,a three-dimensional numerical model is established by MODFLOW and MT3D modules in GMS. Through groundwater environment impact simulation,the concentration change of pollutant in underground in accident conditions environment is studied. The results show the migration of pollutants in the groundwater environment under a certain time.

waste landfill; the impact of groundwater environment; numerical simulation; GMS

2016-08-29;改回日期:2016-10-11

梁川(1990-),女,助理工程师,硕士,环境科学与工程专业,从事水工环地质和地下水环境保护相关研究工作。E-mail:liangchuan90@126.com

X143

A

1671-1211(2016)06-0872-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.014

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161109.1112.016.html 数字出版日期:2016-11-09 11:12