垃圾渗漏液在包气带及含水层中的联合运移模拟

周瑞静，周 磊，陈 瑾，黄 栋（北京市地质工程勘察院，北京100048）

垃圾渗漏液在包气带及含水层中的联合运移模拟

周瑞静，周 磊，陈 瑾，黄 栋
（北京市地质工程勘察院，北京100048）

近年来，全国各地新建了大量的垃圾填埋场，其中多有不符合垃圾处理处置场地建设规范的，垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险也逐年凸显，这就要求对后续垃圾填埋场建设时，在环评阶段做好垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险预测，为垃圾填埋场地下水污染预防设施的设计与建设提供指导。本文探索了垃圾渗滤液在包气带和含水层中的联合运移模拟，首先利用Hydrus建立包气带模型，模拟垃圾渗滤液中氨氮在包气带中的迁移转化，在此基础上用Visual Modflow软件建立地下含水层模型，对比渗滤液经过包气带过滤和没经过包气带过滤两种情景下的污染范围和程度。模拟结果显示，包气带和含水层联合运移模拟渗滤液泄漏后的运移途径和路线，更接近渗滤液进入含水层的实际情况。

包气带；含水层；垃圾渗滤液；联合运移模拟

0　引言

随着城市化进程的加快，城市生活垃圾数量快速增长，北京市2012年生活垃圾产生量达到了6.48×106t（宋国君等，2015）。现在并且在较长时期内都会选择土地填埋的方式处理城市中的固体废弃物（王敏，2010）。垃圾渗滤液一旦发生渗漏就会通过包气带进入地下水，对其周边地下水产生污染，而且填埋场渗滤液对地下水的污染是一个长期的过程，填埋场封场后生物分解过程还会持续10～20a，即使在封场后70～100a的时间仍可能有渗滤液渗出（赵章元，2002）。近些年来，垃圾填埋场产生的垃圾渗滤液污染地下水的事故屡见不鲜。

北京市作为严重缺水的特大城市，供水水源有60%以上为地下水，而北京市潜水含水层已有55%遭受了不同程度的污染，这也在一定程度上加剧了北京市的供水危机。鉴于地下水对北京市的重要性，以及垃圾填埋场对地下水的潜在污染风险，使得垃圾渗滤液对地下水的污染风险预测显得尤为重要。随着环境影响评价地下水导则的发布，建设项目对地下水的环境影响评价被提到了一个新的高度。研究清楚垃圾渗滤液对地下水的污染途径以及渗滤液在地下水中的迁移规律，才能在有限的经济技术条件下，最大限度地预防垃圾渗滤液对地下水的污染风险。

垃圾渗滤液在土壤中的传输释放过程的研究属于渗流问题研究范畴（苑莲菊等，2001）。Hydrus模型充分考虑了污染物在包气带迁移过程中非饱和带土壤对淋溶液中污染物的吸附等物理化学过程，能够相对客观的预测污染物在非饱和带土壤中的迁移规律。目前已有将其利用在垃圾渗滤液在包气带运移的研究中，结果表明Hydrus 软件能够较精确的模拟包气带中有机物和阴离子的迁移过程，可以为垃圾填埋场渗漏液中污染物穿过包气带进入含水层浓度的定量化提供重要依据（方堃等，2009；叶永红等，2009；庞雅婕等，2013）。

目前国际上先进的地下水渗流和溶质运移的标准可视化专业软件是Visual Modflow 软件，该软件是由加拿大Water-loo 水文地质公司在原Modflow 软件的基础上应用可视化技术开发研制的，以操作简单、界面友好等优点，现已广泛应用于地下水不同污染物运移模拟与预测不同管理方案对污染物运移的影响（王翊虹等，2002；张翠云等，2007）。已有研究报道了运用数值模拟，对不同污染控制措施在垃圾填埋场地下水污染防治效果进行评价或提出了最优的控制方案（张艳等，2010；Dong SG et al.， 2008；Zheng C et al.， 1991；赵勇胜等，2002；郭丽敏等，2009），这些研究中都是假设污染物直接进入含水层中，没有考虑到污染物泄漏后首先要通过包气带，而包气带对地下水含水层起到防护作用。可见单纯的模拟污染物在含水层中迁移来预测渗滤液对地下水的污染，会在一定程度上夸大渗滤液对地下水的污染风险，不但增加了地下水污染预防的难度和经济成本，也在一定程度上提升了垃圾填埋场建设的公众阻力。

本研究基于对某垃圾综合处置中心进行现场勘察及资料收集和整理的基础上，选择渗漏液中的典型污染物氨氮为研究因子，先用Hydrus-1D建立典型场地包气带模型，模拟氨氮在包气带中的运移规律，计算出氨氮穿过包气带到达含水层的浓度，再应用Visual Modflow建立地下水水流模型和溶质运移模型，对比垃圾填埋场渗滤液发生泄漏后，渗滤液中的氨氮在穿过包气带和不穿过包气带两种情况下对含水层的污染程度和范围变化。

1　氨氮在包气带的运移模拟

1.1地层概化

根据建设场地水文地质勘查结果，本厂区内含水层接近包气带底部，第四系深度即为本次模拟的包气带厚度，观测点设在包气带的最底部。由于场区内第四系差异较大，本次模拟在污水处理厂渗滤液处理池旁选取一个典型位置，建设场地包气带概化模型。

研究区的水流模型可概化为非均质各向同性多孔介质，饱和-非饱和剖面一维非稳定流，上边界为地表，下边界为潜水面。土壤溶质运移模型根据多孔介质溶质运移理论，考虑土壤吸收的饱和-非饱和。

经工程勘察和土工试验室测定，每层取多个土壤样品，经实验室测定后取平均值，结果如表1所示。根据已建成同类垃圾填埋场渗滤液中污染物种类和浓度，本次模拟选择垃圾渗漏液中浓度及影响较大的氨氮进行模型的识别和计算。垃圾渗漏液中氨氮初始泄漏浓度采用北京市某已建垃圾填埋场渗滤液监测浓度，为1980mg/L。氨氮理化参数采用经验值，见表2。

1.2预测结果

从图1可得，氨氮进入包气带后，经18d到达包气带底部，之后氨氮在包气带底部快速累积，136d后达到最大值为1160 mg/L，该值较渗滤液中氨氮的初始浓度降低了40%，可见此厂区6.6m厚的包气带对氨氮起到了有效的拦截和滞留作用，对地下含水层有一定的防护功能。

图1　包气带底部氨氮浓度随时间变化曲线Fig.1 The concentration curve of ammonia nitrogen at the bottom of aeration zone

2　氨氮在含水层的运移模拟

该垃圾填埋场位于山坡上的凹地，厂区下游有多口农村集中式饮用水水源井，这些水源井均属于垃圾填埋厂项目的地下水敏感点，厂界距离最近的农村集中式饮用水水源井约1.5km。

2.1含水层结构概化

研究区地处冲洪积扇前缘地区，含水层主要赋存于第四系松散地层内，地下水的补给及排泄比较简单，含水层为细砂及粗中砂，含水介质富水性在不同地段差异较大，根据已有的抽水试验结果可知，渗透系数在0.11～2.38 m/d之间。

从垂向上分析，根据钻孔资料、物探成果及水文地质剖面成果，第四系厚度在30～70m左右，地下水主要以水平运动为主，含水层主要由细砂及粗中砂形成单一潜水含水层结构。潜水含水层以下为密实的白云岩、片麻岩等弱透水层，根据已有的钻孔资料可知该层厚度50～70m，渗透性小。弱透水层以下为基岩裂隙含水层，根据已有的钻孔资料揭露地层可知，基岩裂隙含水层厚度达到500m。

综上所述，本模型在空间上分为3层，即潜水含水层、弱透水层和基岩裂隙含水层。

2.2边界条件概化

表1　Hydrus软件输入参数1Tab.1 The parameters of Hydrus input 1

表2　Hydrus软件输入参数2Tab.2 The parameters of Hydrus input 2

模型的西北为模型的山区侧向流出边界，南部为山前地带，定义为侧向补给边界，东边界为地下水流入边界，西边界由于地下水流向与模型西部界线基本垂直，为零通量边界。边界侧向流量可用达西定律计算（卢文喜，2003；沈媛媛等，2008）。

潜水含水层自由水面为系统的上边界，通过该边界，潜水含水层与系统外发生垂向水量交换，如接受河渠补给、田间入渗补给、大气降水入渗补给、排泄等。

2.3水流模型建立

在水文地质概念模型建立的基础上，利用Visual Modflow 建立地下水流数值模型。网格剖分采用有限差分的离散方法，对潜水含水层、隔水层、基岩裂隙含水层进行剖分，每层剖分为32959个网格。

根据现有监测数据资料，模拟验证时期为2006 年10月到2012年10月，以一个月作为一个时间段，对模拟结果进行识别与验证，以保证模拟结果的可靠性。在此基础上对该危险废物填埋场防渗膜发生渗漏后20a内渗滤液中污染物对填埋场周边地下水的影响进行模拟预测。

2.4溶质运移模型建立

模拟区三维非稳定流地下水流系统中，污染物的运移符合对流-弥散原理，且弥散作用符合费克定律。模拟区地下水中氨氮本底值浓度较低，其吸附符合平衡等温线性吸附。

溶质运移模型的范围和边界位置与水流模型一致，边界性质均按浓度边界处理。模拟工况为污水调节池防渗层破裂，渗滤液中氨氮浓度选择Hydrus-1D计算得的包气带底部最大浓度值1160 mg/L，以及垃圾渗滤液中氨氮的初始浓度值1980 mg/L。

2.5模拟结果

从表3、图2、图3可见，渗滤液经过包气带吸附降解作用的情况下，模型预测结果显示基岩裂隙含水层在20a模拟期内未受到渗滤液中氨氮的污染，只是在隔水层中有一定范围的污染。渗滤液不穿过包气带而直接进入含水层情况下，模型预测基岩裂隙含水层在垃圾渗滤液渗漏5a内受到污染，虽然氨氮浓度并未超标，但是氨氮沿水流方向最大运移距离达数百米，潜水含水层中氨氮沿水流方向最大运移距离以及超标面积均明显大于渗滤液穿过包气带的情况。两种情况下预测的渗滤液渗漏20a后，渗滤液中氨氮在潜水含水层中沿水流方向最大长度分别为746m 和1579m，超标范围分别为0.457km2和0.776km2。

图2　氨氮初始浓度为1160 mg/L情况下运移20a污染立体示意图Fig.2 The 3D map of contaminated scope and extent in aquifers in 20 years， as the initial concentration of ammonia nitrogen was 1160mg/L

表3　氨氮在含水层中的污染范围表Tab.3 The contaminated scope and extent of ammonia nitrogen in aquifers

图3　氨氮初始浓度为1980 mg/L情况下运移20a污染立体示意图Fig.3 The 3D map of contaminated scope and extent in aquifers in 20 years， as the initial concentration of ammonia nitrogen was 1980mg/L

3　结论

（1）模拟场地以粉质粘土为主的6.6m厚包气带能过滤掉渗滤液中40%以上的氨氮，表明包气带对氨氮有一定的吸附降解能力，对含水层起到有效的防护作用，并将包气带对含水层的防护能力量化。

（2）渗漏的渗滤液中氨氮浓度对氨氮在含水层中随水流方向运移距离以及氨氮在含水层中超标范围起重要作用。相同时间内，氨氮进入含水层的初始浓度越高，氨氮在含水层中的运移距离越远、污染程度越严重。

（3）运用包气带和含水层的联合运移模拟可以更加准确地预测渗滤液对含水层及下游敏感点的污染风险，可以更真实、更完整地展示污染物从地表到含水层的过程和途径，既准确预测了垃圾渗漏液对下游敏感点的污染风险，也避免了过量夸大渗滤液在非正常工况下对下游敏感点的污染程度，在理论上为合理地降低垃圾填埋场项目建设的公众阻力提供科学依据。

［1］宋国君，杜倩倩，马本. 城市生活垃圾填埋处置社会成本核算方法与应用——以北京市为例［J］. 干旱区资源与环境，2015，29（8）：57～63.

［2］王敏. 生活垃圾的可持续填埋［J］. 地球与环境，2010，18（5）：20～22.

［3］赵章元. 垃圾填埋场渗漏快速检测前景广阔［J］. 中国环境报，2002，11（5）：34～37.

［4］苑莲菊，李振栓. 工程渗流力学及应用［M］. 中国建材工业出版社，2001：451.

［5］方堃，陈晓民，杜臻杰，等. 低山丘陵区红壤酸雨中典型阴离子垂直迁移状况及模拟［J］.农业环境科学学报，2009，28（1）：107～111.

［6］叶永红，宁立波. 石油类污染物在包气带中的迁移预测-以兰州西固商业石油储备库为例［J］.环境科学与技术，2009，32（11）：186～189.

［7］庞雅婕，刘长礼，王翠玲，等. 某化工厂废液CODCr-在包气带中的迁移规律及数值模拟［J］.水文地质工程地质，2013，40（3）：115～120.

［8］王翊虹，赵勇胜. 北京北天堂地区城市垃圾填埋对地下水的污染［J］.水文地质工程地质，2002，29（6）：45～47.

［9］张翠云，马琳娜，张胜，等. Visual Modflow 在石家庄市地下水硝酸盐污染模拟中的应用［J］.地球学报，2007，28（6）：561～566.

［10］张艳，何江涛，李鹏，等. 开封市垃圾场污染物运移模拟与控制［J］.地下水，2010，32（3）： 15～27.

［11］Dong SG， Liu BW， Tang ZH. Investigation and modeling of the environment impact of landfill leachate on groundwater quality at Jiaxing， Southern China［J］. Journal of Environmental Technology and Engineering，2008，1（1）∶23～30.

［12］Zheng C， Bennett GD， Andrews CB. Analysis of ground-water remedial alternatives at a Superfund site［J］. Ground Water，1991，29（6）：838～848.

［13］赵勇胜，苏玉明，王翊红. 城市垃圾填埋场地下水污染的模拟与控制［J］.环境科学，2002，23（增刊）：83～88.

［14］郭丽敏，王金生，刘立才. 非正规垃圾填埋场地下水污染控制技术比较［J］.水资源保护，2009，25（4）：28～36.

［15］卢文喜. 地下水运动数值模拟过程中边界条件问题探讨［J］.水利学报，2003，（3）：33～36.

［16］沈媛媛，蒋云钟，雷晓辉，等. 地下水数值模拟中人为边界的处理方法研究［J］.水文地质工程地质，2008，35（6）：12～15.

The Combined Transport Simulation of Landfill Leachate in Aeration Zone and Aquifer

ZHOU Ruijing， ZHOU Lei， CHEN Jin， HUANG Dong
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

In recent years， a lot of garbage disposal sites have been built across the country. The risk of contamination to groundwater of landfill leachate has being increased year by year. Then， the pollution risk of landfill leachate to the groundwater is needed to predict at the stage of environmental impact assessment， which can provide guidance to the design and construction of the landfill pollution prevention facilities. This paper explores the method of combined transport simulation of landfill leachate in aeration zone and aquifer on the basis of one project example. The Hydrus model first has been chosen to simulate the distribution and conversion behavior of ammonia nitrogen in aeration zone. Then the numerical simulation of aquifer has been established by Visual Modflow-3D， to compare the contaminated scope and extent of the landfill leachate through the aeration zone or not. The simulation calculation results show that the route of landfill leachate is similar to the actual situation in the aquifer.

Aeration zone； Aquifer； Landfill leachate； Combined transport simulation

X523

A

1007-1903（2016）01-0016-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.004

周瑞静（1984- ），女，硕士，工程师，主要从事环境地质、水文地质研究。Email∶ ruijingzhou@mail.bnu.edu.cn