黄土丘陵区危险废物填埋场地下水环境影响评价

苏 耀 明，詹 志 薇，谭 志，蔡 勋 江，梁 炜

(1.东莞市环境监测中心站，广东 东莞 310007； 2.生态环境部 华南环境科学研究所，广东 广州 510530)

危险废物种类多、性质复杂[1]。不当的处置必然会对当地生态环境和周边群众的身体健康产生极大的危害[2-5]。危险废物安全填埋作为一种有效的处置方式，是降低环境风险、防控环境污染的重要举措[6]。但是，填埋场的建设和运营是否会对选址区地下水环境产生不良影响，如何采取有效污染防控措施，仍是我们重点关注的问题[7-8]。

从1904年美国旧金山建立的第一座卫生填埋场开始，由危险废物填埋酿成的重大污染事件大量见诸报道，引起了国内外学者的广泛关注。结合国内外现有研究结果看，危险废物填埋场渗滤液泄漏的原因主要包括：选址不合理或施工不当导致的地基问题、防渗膜破损、地下水集排水系统堵塞、渗滤液收集系统堵塞，或地质灾害形成的填埋区不均匀塌陷等。渗滤液事故泄漏的地下水污染已经成为危险废物填埋场及其周边区域环境影响的首要问题。针对渗滤液渗入地层后随着地下水运移的环境影响识别评价研究，在实验测定和数值模型方法、同位素示踪技术应用、渗滤液和地下水化学特征识别等方面都取得了一定的成果。但是如何结合填埋场建设实际情况，有效识别填埋场事故风险类型，科学建立事故情景及事故源强，仍有待进一步深入研究。

因此在填埋场建设前期，结合场地选址和布局、主要产排污环节以及可能发生的环境事故分析，开展危险废物填埋场建设项目地下水环境影响识别和评价，可以为危险废物填埋场选址布局，以及地下水环境保护措施的选择与实施提供科学依据。

1 拟建填埋场工程情况

1.1 建设规模

根据规划设计要求，本危险废物填埋场主要用于承接区内某危险废物综合处置企业产生的安全处置后危险废物，预计安全填埋量4万t/a。设计有效填埋库容约109万m3，填埋服务年限25 a。

经安全处置后的危险废物由该综合处置企业负责运送进场，并确保进入填埋场的废物满足《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)中规定的填埋物入场要求。

1.2 工程组成

主体工程包括安全填埋库区、防渗系统、渗滤液收集导排及集排水系统(含调节池)、导气系统、雨水导排系统、封场覆盖系统六大部分。此外还包括进场道路和办公楼相关配套工程。

考虑西北干旱少雨的气候特点，填埋场渗滤液实际产生量较少，填埋场运营期间产生的渗滤液拟经调节池收集后用槽罐车运送至危险废物综合处置企业污水处理厂集中处置。填埋场办公区产生的少量生活污水经生活污水一体化处理设施处理后回用于场地绿化。

2 研究区概况

2.1 地理位置

拟建危废填埋场位于宁夏回族自治区东部，银川平原之东，场地交通便利。区内地域广、人口少，土地和矿产资源丰富，工业经济发展迅猛。

项目所在地属中温带干旱-半干旱大陆性季风气候，其基本特点是春暖快、夏热短、秋凉早、冬寒长，多年平均气温8.4℃。春秋为多风季节，最大风力达8级，一般为4～5级，多为北风及西北风，春季时有沙尘暴天气。境内降雨稀少，蒸发强烈，多年平均降雨量292.47 mm，降雨多集中在6～9月份，占全年总降雨量的72.3%。多年平均蒸发量2 024.25 mm，是平均降雨量的7倍。

2.2 地形地貌特征

拟建场地位于青龙山和萌成石梁所夹持的惠安堡复向斜构造盆地东翼，属黄土丘陵区，由石炭-二叠及奥陶系灰岩、第三系泥岩构成基底，覆盖厚度不等的黄土，形成以黄土梁、峁为主的地貌。区域地形整体上波状起伏，千沟万壑。黄土梁多呈长塬形，长轴呈北西方向展布，丘间洼地展布方向与之相同，梁间冲沟发育，大部分地段黄土被“Ⅴ”型沟谷切穿。

2.3 地层岩性及构造

区域上地表为第四系黄土、古近系泥岩覆盖。其中黄土层揭露厚度55.0～64.0 m，黄土层底部发育一薄层更新统冲洪积碎石层，层厚0～2.7 m。古近系清水营组泥岩覆于碎石层之下，地表仅在切割较深的沟谷底部和沟壁上零星出露，根据搜集的区域勘探资料显示该层最大厚度为121 m。古近系之下地层依次为二叠-三叠系石千峰群、二叠系石盒子组、山西组、石炭-二叠系太原组、奥陶系等。

拟建项目所在区域大地构造位于华北板块鄂尔多斯地块西缘拗陷带韦州坳陷。区域性构造以褶皱为主，自西向东有罗山背斜、韦州向斜、青龙山复背斜、惠安堡复向斜。总的展布方向为北北西向。

2.4 水文地质特征

场地地下水类型可分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类层间水两个类型。第四系松散岩类孔隙水即分布在第四系黄土和碎石层中的地下水，大气降雨入渗补给后由于第四系大部分被冲沟切穿，松散岩类孔隙水最终又以下降泉的形式排出地表，转化为地表水排出区外，场地黄土层中地下水普遍呈疏干状态，属透水不含水层，仅在微地貌条件有利的地段形成局部的含水透镜体，不连续点状分布少量地下水，场地包气带厚度大于100 m。

碎屑岩类层间水包括三叠系、二叠系和石炭系砂岩裂隙中的地下水。参照搜集的区域水文地质资料，碎屑岩类层间含水层单位出水量0.002 3～0.002 6 L/(s·m)，属弱富水性含水层，场地内钻孔均未揭露该含水层。

两含水层空间结构上呈叠加关系，由大厚度的古近系清水营组红色泥岩相隔，构成区域性连续稳定隔水层，水力联系微弱。

2.5 地下水开发利用现状

根据现场调查，场地周边地下水开发利用程度较低。现状场地周边5 km范围内均无集中式地下水饮用水源保护区分布，周边部分村庄现场调查时发现少量民井，由于水质较差，大部分均已经废弃。根据村民反映当地井水基本属苦咸水，难以饮用，目前周边居民点主要以通过黄河引水和水窖储水作为主要供水源。经资料搜集和走访相关主管部门也无集中开发利用地下水的相关规划。

2.6 选址的地质条件可行性论证

通过采用高密度电阻率法对场地开展工程物探，结合场地勘探钻孔的解译，查明场地范围内110 m埋深范围未见断裂。且上部黄土较均匀，未见局部异常，含水率低，其承载力120～160 kPa，压缩性中等；黄土和泥岩界面较平缓，起伏不大；场地不属于破坏性地震及活动构造区等可能危及填埋场安全的区域，满足《危险废物填埋污染控制标准》(GB18597-2001)中关于场地选址稳定性的相关要求。

但经现场双环渗水试验结果可知，场地表层黄土垂向入渗系数为0.075～0.084 m/d，场地天然基础层防渗性能偏弱。施工过程中填埋区内表层黄土应清除表面1 m并换填等厚黏土层进行夯实，确保基础层饱和渗透系数符合大于1.0×10-6cm/s的要求。

3 环境影响识别及情景设置

《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)、《危险废物贮存污染控制标准》(GB 18597-2001)、《危险废物安全填埋处置工程建设技术要求》(环发)[2004]75号)等相关国家标准和技术规范对危险废物安全填埋处置工程规划、设计、施工及验收和运行管理都提出了明确要求。填埋场应严格按照上述标准及规范要求采取有效污染防护措施，包括：入场危险废物需经预处理且达到《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)入场要求；填埋场的分区设置及隔离设施；填埋场的防渗措施；渗滤液集排水系统、雨水集排水系统和集排气系统的设置；填埋场的运行管理要求、封场要求和监测要求等。但是从实际运营管理案例看，各类在建和已建的填埋场中，潜在的渗滤液渗漏风险极严重[9-11]。针对危险废物填埋场可能发生的地下水环境安全事故，及其后果和可能性分析见表1。因此，地下水环境影响分析需要结合事故风险的概率及程度进行情景设置，通过情景设定进一步明确事故位置以及可能的事故源强。

表1 危险废物填埋场地下水环境风险事故分析Tab.1 Analysis of groundwater environmental risk accidents in hazardous waste landfills

结合填埋场的事故风险概率识别[12-13]，从事故发生的概率及其后果的影响程度，确定危险废物填埋场地下水污染风险源主要为填埋场防渗层由于事故或老化破损导致渗滤液泄漏的情景。情景假设填埋区中心位置人工防渗衬层因施工操作失误或年久老化等原因发生破损渗漏，并导致渗滤液直接通过破损层进入包气带。同时参考相关案例经验[14]，按照最不利条件假定破损的漏洞数量为2 000个/km2，每个漏洞均为20 cm直径的圆形孔洞。结合填埋区面积测算可能发生防渗层破损的面积约3.45 m2，破损处底部土壤垂向渗透系数结合场地渗水试验确定为0.082 m/d。防渗破损部分的渗漏量可按下式计算：

Q=K·A·i

(1)

式中，Q为单位时间内防渗破损部分的渗透量, m3/d；K为填埋场底部天然基础层土壤垂向渗透系数, m/d；A为防渗层破损部分的渗漏面积, m2；i为防渗层上下的水头差，水头差按当地最大降雨量2.43 m估算。由此可计算得到每天可能发生的渗滤液风险渗漏量约为0.69 m3/d。渗漏污染物浓度参照《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)中的危险废物允许进入填埋区的控制限值进行赋值。

4 事故风险影响预测

4.1 污染物运移预测分析

在开展场地特征污染源识别的基础上，结合场地水文地质条件分析，确定选取常规指标氨氮和重金属指标铅为预测因子。根据场地水文地质勘查资料和钻孔数据，黄土丘陵区地下水水位埋深较大(包气带厚度大于100 m)，因此根据污染质的迁移特性分别对污染质在包气带中的垂向迁移规律及其在地下水中的水平迁移特征进行预测。

场地包气带岩性主要是第四系黄土和碎石层，其中黄土层厚25.0～59.5 m，碎石层厚0～4.9 m。第四系下覆为古近系清水营组紫红色-砖红色泥岩，呈泥质、块状，强风化-中等风化软岩，局部含少量砾石，按场地钻孔资料确定填埋场内渗漏点位包气带厚度112 m。包气带水分运动及溶质运移以垂向一维为主，选用美国农业部盐土实验室开发的 HYDRUS-1D模拟软件进行建模，该软件在饱和及非饱和介质中的一维水流、溶质运移和反应等相关研究方面都得到了广泛的应用[15-19]。其中一维平衡水流运动方程如下：

(2)

式中，t为模拟时间, d；θ为包气带土壤的体积含水率；z为垂直方向空间坐标量, m；h为压力水头, m；S为根系源汇项；K为垂向空间方向z上的渗透系数函数, m/d；α为水流方向与z轴方向的夹角，本次模拟水流一维垂向连续入渗，则α=0。

包气带一维土壤溶质运移的控制方程如下：

θcμw-ρbsμs+ρbγs+θγw-r

(3)

式中，θ为土壤含水量；c为溶质的液相浓度,g/cm3；qw为地面水分通量,cm3/(min·cm2)；s为溶质的固相浓度, mg/mg；ρb为土壤干密度,g/cm3；D为水动力弥散系数,cm2/min；t为模拟时间,min；z为垂直方向空间坐标量,cm；μw和μs分别为溶液在液相和固相中的一阶降解系数；γw和γs分别为零阶生产系数；r为根系溶质源汇项,cm3/(min·cm2)；其它符号意义同上式。重金属运移过程中可将μw,μs,γw,γs均概化为0。

项目区包气带较厚，模拟包气带垂向剖面的水流模型可以概化为上边界为与入渗相关的流量边界，下边界为自由排水边界。模型重点关注下界面底部节点。重点预测污染质下渗到模型泥岩底板的时间节点及浓度变化特征情况。

4.2 离散方法和参数设置

本次预测模型将假设入渗面以下的非饱和带作为模拟剖面，模型地层厚度112 m，以上密下疏的不等间隔剖分垂向网格，最小剖分间隔为0.1 m，最大剖分间隔为1 m，模型模拟期为30 a。时间剖分方式采用变时间步长法，初始时间步长设定为 0.001 d，最小步长为0.001 d，最大步长为10 d。根据收敛迭代次数来调整时间步长，即采用自动控制时间步长的方法来处理迭代的收敛性。

土壤水分模型采用单孔隙模型中的 Van Genuchten-Mualem 模型，忽略水分滞后效应，不考虑化学反应和生物降解等衰减作用的影响。模型中水流模拟的上边界为变水头边界，水流模拟的下边界为自由排水边界。包气带溶质运移模拟的上边界为(Cauchy)溶质浓度通量边界，下边界为溶质浓度零梯度边界，即自由下渗边界。

本次模拟中，根据评价区地质剖面的岩性资料并结合HYDRUS-1D 自带的不同岩性参数数据包，结合场地土工试验取得的参数来确定模型各层的参数。

4.3 预测结果分析

根据工程实际情况，假设基础底部出现破裂的情况下，污染物通过淋滤作用由池底破裂处渗入包气带中，根据“危险废物允许进入填埋区的控制限值”确定各污染物的浓度，并假设为持续入渗的条件。通过模拟得出不同时间污染物的运移情况，如图1所示。重金属污染物在包气带中的垂向运移缓慢，不考虑化学反应等作用影响的最不利情况下，铅在污染物泄漏6 880 d(约19 a)后到达包气带底板，污染质迁移的最大稳定浓度0.137×10-5mg/L；镍在泄漏6 670 d(约18 a)后可到达包气带底板，污染质迁移的稳定最大浓度0.413×10-5mg/L。

4.4 地下水环境影响评价结论

由于黄土丘陵区特殊的水文地质结构特征，拟建填埋场场地包气带厚度大于100 m。结合危险废物填埋场最大可能的风险事故情景设置，开展包气带污染物迁移数值模拟。预测结果表明，污染物随渗滤液持续下渗的过程中，特征污染物铅和镍穿透包气带分别需要约19 a和18 a时间，且持续达到稳定的最大浓度(进入含水层的稳定最大浓度)分别为0.137×10-5mg/L和0.413×10-5mg/L，已远低于地下水质量标准Ⅲ级限值，事故情景下污染物渗漏不会影响区域地下水环境。环境影响主要集中在包气带土壤。

此外，场地及周边无地下水饮用水源地和集中式供水井分布，不属于水源地补给区范围，项目运营不影响城乡生活供水安全，对区域地下水环境无影响，场地选址的地下水环境保护目标可以达到。

图1 包气带中铅运移浓度深度变化Fig.1 Depth change of lead concentration in aeration zone

图2 包气带中镍运移浓度深度变化Fig.2 Depth change of nickel concentration in aeration zone

4.5 地下水污染防控措施

从“源头控制、分区防控”的基本原则出发，结合事故风险概率及影响预测结果分析，将该项目填埋库区、渗滤池调节池、渗滤液导排管网划为重点污染防控区，将办公区(含生活污水处理设施)划为一般污染防控区。分区防控措施见表2。

表2 危险废物填埋场地下水污染分区防控措施Tab.2 Prevention and control measures for groundwater pollution in hazardous waste landfill

通过预测可知，污染物垂向穿透场地包气带地层的时间达到了18～19 a，通过设置监测井进行污染跟踪监控的措施时效性极差，因此拟不新设地下水环境跟踪监测井。通过施工期在土工膜下安装电极格栅，利用渗滤液的强导电性来实现填埋场防渗层的渗漏事故监测，可有效提升填埋场事故渗漏检测的有效性。

5 结论及建议

(1) 结合相关调查研究案例看，即使是在严格质量控制的工程中，HDPE土工膜的渗漏率也有可能达到200 L/(km2·d)[20]。因此，本次结合黄土丘陵区水文地质条件分析，在填埋场地下水环境影响识别及情景设置的基础上，运用HYDRUS-1D软件重点对污染质在场地包气带中的垂向迁移规律进行了模拟预测，预测结果表明，污染物随渗滤液持续下渗的过程中，铅和镍穿透包气带分别需要约19 a和18 a时间。场地巨厚包气带可以有效保护区域地下水环境，场地选址的地下水环境保护目标可行。但考虑到事故污染的影响，仍需按照相关技术规范的要求针对重点污染防控区加强场地防渗措施。

(2) 现有的填埋场污染控制标准及相关技术规范都只对防渗层材料的渗透系数做出了规定，尚未对施工过程的土工膜破损率提出明确要求。然而HDPE防渗膜在施工过程中的破损却是一个较为普遍的现象，不利于危险废物填埋场的环境风险管控，急需尽快完善相关标准和规范要求，确保施工质量满足填埋场污染防控需求。

(3) 针对本项目的运营期地下水环境跟踪监测计划，由于包气带厚度大，结合预测结果可知，即使发生事故渗漏，污染物穿透包气带需要十多年时间，想通过地下水质跟踪监测发现污染渗漏十分困难，且建井费用投入巨大，还难以达到预期目标。因此针对上述包气带巨厚地区的新建填埋场，地下水跟踪监测井应尽可能从常用的民井、生产井以及泉水中选择布设监测点[21]。此外，应重点提出加强填埋场防渗系统渗漏破损检测系统的建设要求。