某垃圾场渗滤液在地下水中迁移扩散模拟研究

冯瑞，郑百录，李晓龙

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都　610061； 2.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，四川成都　610041)



某垃圾场渗滤液在地下水中迁移扩散模拟研究

冯瑞1，郑百录2，李晓龙1

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都610061； 2.四川省交通厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041)

拟建的某填埋垃圾场位于四川盆地西部,垃圾场运行中产生的渗滤液必将对周围环境造成一定影响.本次模拟运用Visual ModFlow软件对渗滤液在地下水中的迁移扩散进行模拟研究,研究结果表明：正常情况下，污染物在一定范围内扩散和运移，影响距离及浓度都较小，不会迁移至附近地表水系。而对渗滤液事故情况下，污染影响范围广，浓度大，持续时间长。

垃圾场渗滤液；污染物；迁移扩散

近年来，越来越多的环境问题成为了人们讨论的话题，由此更多的人加入了环境保护的行列。在日益严重的环境问题中，地下水生态环境问题也在逐渐进入人们的视线。对地下水环境的保护是城市垃圾处置及污染防治的突出问题[1-2]。由于地下水污染防治的复杂性，寻找科学有效的处理水污染问题的方法，对地下水环境保护起着重要作用[3-4]。随着计算机技术的发展，模拟地下水系统的方法很多，归纳起来主要有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等，本次模拟借助Visual Modflow软件，对垃圾填埋场运行过程中渗滤液中污染物在地下水中大的扩散迁移问题进行模拟研究[5]。

1　地下水渗流场模型的建立

1.1数学模型的建立

在理想状态下，不考虑水的密度变化的条件下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可用偏微分方程来表示[4-5]：

式中，Kxx、Kyy和Kzz分别为渗透系数在x、y和z方向的分量，LT-1，L代表长度，T代表时间，这里假定渗透系数主轴与坐标轴方向一致；h为水头，L；W为单位体积流量，代表流进源或流出汇的水量，T-1；Ss为孔隙介质的贮水率或给水率，L-1；t为时间，T。

地下水中污染物的迁移转化是一个极为复杂的过程，不仅存在物理作用(对流、弥散等)，也存在各种化学反应(离子交换)和生物化学反应(微生物降解)。这些物理化学反应在不同的环境下，其强度甚至方向都会有很大不同，在本文中对污染物只考虑对流和弥散作用。因此，本次模拟采用对流—弥散方程来描述污染物在地下水中的运移，即：

qsCS-λθC

初始及边界条件为：

C(x,y,0)=C0(x,y)

式中，c为溶解于水中的污染物的浓度，mg/L；θ为地层介质的孔隙度，无量纲；t为时间；R为阻滞因子，无量纲；x为运移的距离，m；v为渗透速度，m/d；D为弥散系数，m2/d；C为源或汇的浓度。

1.2模型的建立

1.2.1模型范围

模型范围以垃圾场为中心，向外扩展至次级分水岭或区内最低排泄面(河流)，整个模型范围在同一个水文地质单位内，具有一套相同且较为完整的补给、径流、排泄条件。

模型三维方向X、Y、Z分别表征水平EW方向、水平SN方向及海拔高度的垂直方向，见图1。

图1　数值模拟范围Fig.1　Numerical simulation range

1.2.2空间离散

模型空间范围EW方向长度为5 900 m，SN方向宽度为3 400 m；平面上共剖分单元格295×170(列×行)，垂向上按照区域及钻孔资料，分为粉质黏土、强分化泥质砂岩，中风化泥质砂岩三层，共计150450个网格，见图2、图3。

图2　三维地质模型Fig.2　Three-dimensional geological model

图3　模型空间离散Fig.3　Spatial discretization of the model

1.2.3边界条件概化

模拟区为区域水文地质单元内的一个很小部分，根据场地地形地貌特征，模型范围在一个相对小的水文地质单元内，西侧山脊分水岭为边界，南北侧为通用流入流出边界，东侧以河流为最低排泄点，定为河流边界。

1.2.4参数选取

水文地质模型建立主要包括各个地层渗透系数、区域降雨量等重要指标；污染物运移模型中，主要参数包括弥散系数、初始浓度、补给浓度、降解系数。

(1)渗透系数。根据区域及现场钻孔资料，渗透系数按照试验及相关工程经验取值，见表1。

(2)汇源项。区内地下水补给来源主要为大气降雨，部分来自地下水的侧向补给。河流作为最低侵蚀基准面，是区内地下水最终排泄点。

表1渗透系数取值表

Table 1Permeability coefficient value

地层Kx/(m/s)Ky/(m/s)Kz/(m/s)粉质黏土4×10-74×10-74×10-7强风化泥质砂岩5.5×10-65.5×10-65.5×10-6中风化泥质砂岩6×10-76×10-71.2×10-7

注：中风化泥质砂岩垂向的K值根据《水文地质手册》分别取横向K值的1/5。

大气降水对地下水的补给是一个复杂的过程，地下水接受降雨的程度同降雨强度、时间、接受降雨地区的地形地貌、植被条件等多种因素有关，同时地下水的埋藏深度、包气带的含水率也对降雨入渗量有一定影响。通过大量实践总结，前人把影响入渗的各种因素用降雨入渗系数代替，简化采用下式计算：

Q=α·F·P

式中，α为降水入渗系数；F为接受降水入渗的地表面积，km2；P为多年平均的年降雨量，m/a。根据该地区的水文资料，年平均降雨量为828.5 mm，结合相关规范手册及工程经验，降水入渗系数取0.15。

(3)弥散系数。弥散度表征尺度效应，是含水介质弥散特征的重要参数，它反映了含水层介质空间结构的非均质性。综合研究区地形、岩性及含水层类型。参考《水文地质手册》弥散系数经验值，横向与纵向弥散度比率为10，垂向与纵向弥散度比率为10。

(4)初始浓度。污染物在此模型中考虑成恒定面源，根据《生活垃圾填埋场污染控制标准》，将COD的二级排放标准作为初始浓度，即300 mg/L；考虑渗滤液处理事故时，污染物进入地下水浓度假设为正常排放标准的10倍，即COD浓度分别为3 000 mg/L连续排放15天后按正常标准取值，其他条件与正常排放标准一致(如降解系数等)。

(5)补给浓度。填埋场运行期为17年，产生渗滤液是一个持续过程，因此模型中污染物进入地下水考虑为持续不断供给的关系，即假设浓度为一个固定值，从运行期开始到结束不随时间变化而变化的连续源。

(6)降解系数。COD作为反应性污染物代表物质，这类污染物在迁移过程中会吸附于含水层介质上，同时自身发生降解反应，根据相关经验及工程类比，COD降解系数取0.25 d-1。

2　模型的校验

由于空间物理模型是对现实条件的具体概化，对边界条件的概化、参数选取的合理性等需要进行校验，校验主要是对天然渗流场的合理性进行验证。

模型校验主要是利用给定的各个参数带入天然条件下渗流场计算中做稳定流分析，获得各单元中的地下水位数据。同时，在模型区选取相应的钻孔，根据钻孔水位埋深资料，与模拟结果进行对比，当模拟结果与实际水位误差在一定范围内时，说明天然渗流场较为符合实际情况，这时，天然渗流场的水头即可作为整个计算的初始水头，可带入后续的计算。

为了检验模型拟合的程度，选取 ZK66、ZK80、ZK96作为观测孔进行对比，其结果见表2。

表2观测孔的水位与模拟水位对比表

Table 2Comparison between the water level and simulated water level of observation hole

项目ZK66ZK80ZK96实际水位/m471.33472.23467.05观测水位/m471.1471.9471.0误差/m0.230.333.95

通过水位对比验证，ZK66、ZK80模拟与实测水位误差值小于0.5 m，ZK96误差稍大，但整体而言，模拟水位于观测水位误差均在可接受范围，能反应场地地下水的真实情况。说明初始模型的建立比较符合实际，用于后续模拟计算是较为合理的。

3　模拟结果分析

3.1天然条件地下水渗流场特征

在地下水溶质模拟之前，先进行地下水水流模拟，其中包括地下水位、地下水流向、流速的模拟。模拟结果见图4～图6。

图4　地下水渗流场三维特征图Fig.4　Three-dimensional characteristics of groundwater seepage field

图5　地下水渗流场特征平面图Fig.5　Characteristics graph of groundwater seepage field

图6　地下水渗流场特征剖面图Fig.6　Characteristics profile of groundwater seepage field

从地下水渗流特征图上看，该地区地下水总体上由坡顶向坡脚运移，与地形坡向基本一致，但变化趋势较地形小。同时在小区域内，原始河流和原始地形对地下水的运动方向具有控制作用，因此部分地区的地下水还体现了向沟汇集的特征。区内地下水的主要排泄方式为沿水力坡降方向，向区内最低排泄基准面(垃圾场E侧的河流)排泄。

3.2污染物运移数值模型模拟

在天然状态下，地下水渗流场模型建立后，可在模型中加入各个污染物因子(渗滤液)，进行污染物运移的模拟。

考虑到渗滤液中各种污染物的降解、迁移、反应机理差别较大，本次评价选用COD作为预测因子。

对污染物迁移的模拟的求解，采用PMWIN软件中的MT3D程序包，分别模拟不同污染物质在地下水中的移流、扩散和浓度的变化。本次模拟计算就是在自然条件下，垃圾填埋场建成后，由于各种原因导致污染物随着渗滤液进入地下水中的迁移情况。模拟时间为1年、5年、10年、15年、17年以及垃圾场停止运行后5年(即22年)。

由于污染物迁移的复杂性，在垃圾放置、储存过程中，垃圾体会发生各种物理、化学变化而产生热量，热量有一个逐渐向外迁移的过程，因而垃圾填埋后其温度会先升高，而后随着热量外迁而降低，本次模拟假设模型处于等温状态，模拟计算仅研究等温状态的渗流情况。

3.3模拟结果分析

根据渗流计算结果，进行污染因子的运移计算，COD浓度小于地下水环境质量标准2 mg/L未作考虑，其运移特征如图7～图13所示。

图7　COD在地下水中的初始三维浓度场(正常情况)Fig.7　Initial three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater

图8　COD地下水中1年后三维浓度场(正常情况)Fig.8　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after one year

图9　COD地下水中5年后三维浓度场(正常情况)Fig.9　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after 5 years

图10　COD地下水中10年后三维浓度场(正常情况)Fig.10　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after 10 years

图11　COD地下水中15年后三维浓度场(正常情况)Fig.11　Three dimensional concentration field (normal condition) of COD groundwater in 15 years

图12　COD地下水中17年后三维浓度场(正常情况)Fig.12　Three dimensional concentration field (normal condition) of COD groundwater in 17 years

根据模拟结果，正常情况下，随着时间的推移，污染物逐渐向下游运移和扩散；事故情况下，污染物同样向下游运移和扩散，但扩散的距离和浓度都有明显不同。各监测孔浓度情况如图14和图15所示，其影响程度如表3所示。

图13　COD在地下水中22年后三维浓度场(正常情况)Fig.13　Three-dimensional concentration field (under normal condition) of COD in groundwater after 22 years

表3　COD影响程度分析

注：(1)时间为垃圾场运行年限；(2)范围以垃圾场为起始点，向西的距离。

图14　COD浓度监测情况(正常)Fig.14　Concentration of COD (normal)

图15　COD浓度监测情况(事故)Fig.15　Concentration of COD (accident)

从统计结果来看，从垃圾场投入运行开始，污染物逐渐向下游扩散。正常情况下，受到污染物自身特性及地形等因素影响，其迁移速率随着时间的增加呈逐渐减小的趋势。在垃圾场停运后，污染物还将继续向下游运移，但由于再无补给来源，加之污染物自身的降解，其运移距离有限，浓度也将逐渐降低。可以预计，在垃圾场停运后，污染物不会运移到区内最近的河流等地表水系。

从浓度监测情况来看，在垃圾场运行时期，污染物浓度都存在一个先急剧上升然后降低的过程。在距离垃圾场最近的监测孔，COD浓度达到峰值的时间大约为3 000 d，而其他位置检测孔也均存在一个峰值期，但其峰值期浓度都比距离垃圾场最近的监测孔要小。而由于COD自身降解速度相对较快，稍远的监测孔浓度在各个时期基本符合标准。

渗滤液处理事故时，两种污染物的迁移距离约为正常排放时的1.5～2倍。同时，COD浓度在各个监测点内均呈上升趋势，这说明事故时污染物所需的降解时间将大于22年，预计影响时间为50～80年，不但影响范围广且时间长。

3　结论

(1)垃圾场建成运行后，会产生一定浓度的渗滤液，渗滤液中含有大量污染物，扩散至地下水中将对一定范围区域造成影响。

(2)通过Visual M0dflow软件能有效的预测渗滤液中污染物在地下水中的迁移，对污染物的防治和处理起到重要作用。

(3)通过模拟得出，随着垃圾场的运行，正常情况下，渗滤液在地下水中向附近区域存在一定程度的扩散和运移，但扩散距离不大，扩散浓度也较低，对周围地下水、地表水系等影响较小。但在事故性排放情况下，垃圾渗滤液污染浓度高，扩散距离远，影响范围广，影响时间长。

(4)在垃圾场建设及运行过程中，需严格按照相关规定，对污染物进行处理和排放。

[1]张红梅, 速宝玉. 垃圾填埋场渗滤液及对地下水污染研究进展[J]. 水文地质工程地质, 2003(6): 110- 115.

[2]郑曼英, 李丽桃, 邢益和, 等. 垃圾浸出液对填埋场周围水环境污染的研究[J]. 重庆环境科学, 1998, 6(3): 17- 20.

[3]HAN K W, HEINONEN J, BONNE A. Radionactive wastedisposal: global experience and challenges[J]. IAEA Bulletin, 1997(1): 33.

[4]周振江, 宁立波. 洛阳市某垃圾场渗滤液对地下水的污染预测[J]. 中国西部科技, 2013, 12(3): 60- 62.

[5]尉鹏翔. Visual Modflow在地下水污染物运移模拟中的应用[J]. 水资源保护, 2011, 27(4): 19- 21.

Study on Migration and Diffusion Simulation of Landfill Leachate in Groundwater

FENG Rui1, ZHENG Bai-lu2, LI Xiao-long1

(1.Southwest Exploration and Design Institute of Nuclear Industry, Chengdu 610061, China;2.Sichuan Provincial Department Highway Planning, Survey, Design and Research Institute, Chengdu 610041, China)

The proposed landfill locates in western Sichuan Basin, and the leachate emissions will certainly pose some impact on the surrounding environment after the landfill construction is completed. Therefore, the software Visual Modflow was used in this study to simulate the migration and diffusion of leachate in groundwater, and the results showed that in normal cases pollutants migrated and diffused within a certain range, with a small impact distance and concentration, and they would not migrate to nearby surface water. However, on condition of leachate accidents, the impact had a long duration with wide range and high concentration.

landfill leachate; pollutants; migration and diffusion

2016-07-14

冯瑞(1987—)，女，工程师，硕士，主要从事水文地质、岩土工程等方面的工作，E-mail：18066165@qq.com

10.14068/j.ceia.2016.05.022

X523

A

2095-6444(2016)05-0082-07