基于数值模拟的某临河工业固体废物渣场地下水污染控制研究

肖再亮,王 飞,洒永芳,宋 凯,刘 建

(1.四川省环境工程评估中心，四川 成都 610031；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

1 研究背景

随着工业快速发展，我国工业固废产生量持续增长，至2016年我国214个大、中型城市一般工业固废产量达17.9×108t，综合利用率48%，处置率21%，贮存率31%[1]。工业固废贮存过程中，因监督、管理不善，尚存在大量违规简易堆放现象，如甘肃兰州某电解铝废渣违规堆放[2]，安徽贵池某工业园区碱渣沿长江简易堆存[3]，四川德阳17座磷石膏渣场简易堆放[4]等。简易工业固废堆场运行过程中，污染物通过降雨淋滤进入地下污染含水层[5-6]。

根据《固体废物污染环境防治法》《土壤环境保护和污染治理行动计划》等法律法规和近年来环保督察的要求，简易堆场须进行治理，并以彻底清除污染源和重新规范渣场建设为优先方案。但针对无条件彻底清除污染源或重新规范建设的简易堆场，一些地方也采用就地封场并配套水动力阻隔、防渗帷幕、抽出-处理等措施予以缓解和控制污染[7-14]。

本文以某临河工业固体废物渣场为研究对象，通过模拟就地封场和就地封场基础上联用水动力阻隔、防渗帷幕、抽出-处理等多种方案的治理效果，为渣场污染控制提供依据。

2 渣场概况

某渣场位于A河左岸，面积约3.0×104m2，堆渣总量约25×104m3，已运行10余年。渣场南侧、西侧外围设置有挡墙，无规范防渗、渗滤液收集处理和雨污分流措施。与《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)Ⅲ类标准相比，渣场区地下水中SO42-超标范围约0.1 km2。

3 地下水污染控制方案

彻底清除污染源或按相关标准、规范要求重新规范渣场是有条件时应优先考虑的方案。在确无上述条件时，有些地方也采用就地封场并配套相应物理阻隔和地下水抽出处理措施，以最大程度控制和缓解渣场对周边地下水环境的影响。

本文仅就就地封场、就地封场联合水动力阻隔、就地封场联合防渗帷幕及抽出-处理3种方案进行比较，采用Modflow模拟各方案的控制效果。3种方案的具体措施如下：

(1)就地封场：主要内容包括建设雨污分流和渗滤液收集处理系统、采用HDPE等材料进行封场覆盖。

(2)就地封场联合水动力阻隔：在就地封场的基础上在南侧拦渣坝下游设置抽水井抽取受污染地下水至地表处理。假设抽水井数量相同，设计单井抽水量为30、50、70、90、110、130、150、170及190 m3/d依次变化。

(3)就地封场联合防渗帷幕与抽出-处理：封场基础上，将防渗帷幕布设位置于污染羽上游、污染羽侧向及污染羽下游。抽水井布设于下游帷幕内侧，以避免帷幕内地下水位雍高。共设计8种方案，见表1。

图1 渣场区地下水中SO42-污染范围(单位：mg/L)

表1 防渗帷幕与抽出-处理联用方案设计

4 地下水污染控制效果模拟

4.1 模型基本设置

4.1.1 数学模型 将模拟区地下水流概化为均质各向异性非稳定地下水流系统[16]，建立地下水流动的污染物迁移数学模型[17]，并分别选用MODFLOW和MT3D进行数值模拟。

4.1.2 模型离散及边界条件设置 模型范围设置：东-西方向作为模型x轴方向，长3 000 m，每40 m划分一个网格；南-北方向作为模型y轴方向，长2 400 m，每40 m划分一个网格；垂直于xy平面向上为模型z轴方向，模拟范围552～660 m，垂向上概化为2层。模型边界条件设置：排泄面A河设置为河流边界；东侧碎屑岩山区地表分水岭设置为零流量边界；模型北侧设置为补给边界。

4.1.3 参数设置及模型校正 根据场区水文地质勘查报告、区域水文地质资料、有关规范和模型校正确定模型区降雨补给量、含水层渗透系数、给水度、弥散度等参数，见表2。以场区钻孔实测水位作为校验获得模型区初始流场，见图2。

表2 模型参数取值

图2 模型区边界条件及初始流场

4.1.4 污染现状拟合及污染源项分析

(1)污染现状拟合。渣场非覆盖状态下入渗系数取0.3[18]，计算得降雨补给量约450 mm。以非稳定流方式运行模型，采用实测数据进行校正，获得模型区SO42-浓度分布，如图1所示。

(2)污染源项分析。根据数值模型校正结果，渣场SO42-平均下渗浓度约110.5 g/L，下渗量约450 mm/a。据有关测算，废渣中可溶SO42-还余约0.5×104t。封场后，入渗量设置为非覆盖状态的10%，SO42-下渗浓度仍假设为110.5 g/L，根据估算，封场30 a后，堆渣剩余SO42-完全进入地下水，即封场30 a后渣场SO42-下渗浓度衰减为0。

4.2 模拟结果

4.2.1 就地封场 封场后地下水中SO42-浓度贡献值变化见图3。由图3可知，渣场区、南侧拦渣坝及南侧下游A河周边在封场后0～30 a，SO42-贡献值分别由46 277、40 974和19 529 mg/L降低至5 229.4、5 144.5、777.5 mg/L；30 a后，SO42-继续降低，至42 a，渣场及其下游地下水恢复至地下水环境质量III类标准。封场虽降低了污染源强，改善了地下水环境质量，但封场后污染物主要以对流扩散形式进入含水层和A河，事实上污染物并未得到清除。

图3 封场后渣场区、南侧拦渣坝及河边SO42-贡献值随时间变化情况

4.2.2 就地封场联合水动力阻隔

(1)方案筛选。封场基础上，于渣场南侧拦渣坝下游设置1口抽水井，以抽水量30、50 、70 、90 、110 、130 、150、170及190 m3/d为条件运行模型。利用Modflow粒子跟踪功能，在渣场北东侧上游、垂直地下水主流方向设置1排示踪粒子，单井捕获带见图4(a)。调整抽水井数量、位置至抽水井数量最少且捕获带形成的包络线能覆盖渣场，见图4(b)。布井方案及捕获范围统计见表3。

图4 捕获带及抽水井数量确定过程示意

表3 布井方案及捕获带统计

由表3知，在就地封场联合水动力阻隔方案中，设置抽水量170 m3/d的抽水井1口，为最优。

(2)优选方案的污染控制效果。优选方案下地下水中SO42-浓度贡献值变化见图5。由图5可知，0～30 a渣场区、南侧拦渣坝SO42-贡献值分别由46 277、40 974 mg/L降低至4 612、3 759 mg/L；封场后38 a，渣场区、南侧拦渣坝SO42-贡献值恢复至地下水环境质量III类标准限值。A河周边在采取水动力阻隔措施后5a，SO42-贡献值恢复至地下水环境质量III类标准限值。水动力阻隔技术强化了地下水的水力交替，对渣场及下游地下水质量的恢复具有明显效果。

4.2.3 就地封场联合防渗帷幕与抽出处理

(1)方案筛选。在封场基础上，按Wall-1#～Wall-8#方案运行模型，确保场区内地下水位不壅高的抽水量见表4。

图5 最优抽水井设置方案下渣场区地下水中SO42-贡献值随时间变化情况

表4 各帷幕设置方式下防渗渣体内水位不壅高的抽水量模拟结果

注：示意图中方块表示渣体，段线表示帷幕。

由表4可知，Wall-1#方案抽水量与Wall-2#～Wall-7#方案相差不大，但帷幕长度最少；Wall-8#方案帷幕长度虽最长，但其抽水量仅为Wall-1#～Wall-7#方案抽水量的1/20～1/16。因此，选择Wall-1#和Wall-8#方案作比较。

(2)优选方案的污染控制效果。Wall-1#、Wall-8#方案地下水中SO42-贡献值变化情况见图6。

图6 渣场区地下水水质恢复情况对比

由图6可知，Wall-1#方案实施后0～30a，渣场、南侧拦渣坝周边SO42-贡献值分别由46 277、40 974降低至4 201、4 947 mg/L；至封场后47 a，渣场区、拦渣坝SO42-恢复至地下水环境质量III类标准限值。Wall-8#方案实施后，帷幕完全截断渣场区地下水侧向补给，但由于渣场内污染物的持续释放，致使渣场区地下水中污染物浓度持续升高，至封场30 a时SO42-贡献值由46 277上升至58 864 mg/L；南侧拦渣坝因靠近抽水井，方案实施开始受抽水井影响SO42-贡献值降低，后仍表现为逐步上升的趋势，至封场后30 a，南侧拦渣坝SO42-贡献值仍达35 452 mg/L。帷幕外侧，因防渗帷幕截断污染源，帷幕外侧地下水逐步恢复。

4.3 综合对比分析

综合前述模拟结果：(1)封场处理虽能减少污染源强，但仍将持续向含水层和A河释放SO42-，因此地下水的恢复时限较长，且这种方式不能从根本上消除污染物；(2)在封场基础上，设计水动力阻隔方案，以在渣场南侧设置1口抽水量170 m3/d的抽水井为佳，但存在运行费用较高等缺点；(3)封场基础上，配套设置帷幕和抽出处理在污染控制、工程量和运行管理方面具有一定优势，该方案中以在渣场南侧设置帷幕并配套100 m3/d的抽水井1口为佳。需要说明是，上述3种方案并不能在短时间内恢复地下水环境质量且或多或少存在运行管理困难、污染物持续下渗等问题，有条件时建议彻底清除污染源或按相关标准、规范要求重新规范渣场建设。

5 结 论

(1)单纯的封场方案可以在一定时间内恢复地下水环境质量，但主要依靠地下水的对流、扩散作用，并不能从根本上消除污染物。

(2)封场联合水动力阻隔亦可控制污染物的扩散，但运行费用相对较高；封场联合帷幕注浆和抽出-处理对于污染控制有一定优势，但运行管理方面仍有一定困难。

(3)为切实保护地下水环境，建议有条件时彻底清除污染源或按相关标准、规范要求重新规范渣场建设。