垃圾渗滤液对地下水环境影响的数值模拟预测

2019-08-30王浪张曼

安徽化工 2019年4期

王浪，张曼

（1.安徽省化工研究院，安徽合肥230041；2.合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

随着我国经济快速发展及庞大的人口基数，垃圾产量急剧增加，尤其近几年增长速度近乎与GDP 相当[1]，预计到2030 年可达到3.29 亿吨，因此，及时、安全地处理生活垃圾已成为当务之急。由于卫生填埋法具有费用低、技术较成熟、处理量大、操作简便等优点[2-3]，多数国家以卫生填埋作为处理城市固体废弃物的最基本方式[4]。但垃圾填埋过程中会产生一种高浓度、多组分、成分复杂的垃圾渗滤液[5]。垃圾渗滤液经各种途径进入地表或地下水体，造成地表水质恶化、土壤功能失调、地下水失去利用价值，严重威胁饮用水和工农业用水安全[6]，所以如何预测地下水的污染情况成为研究热点。Dmitry V.[7]提出了一种分析模型，用于评估由含有水溶性有毒物质的表层沉积物泄漏引起的地下水污染风险，结果表明，该模型具有良好的数值精度和实用的便利性，可用于监测和预测垃圾填埋场和工业固体废物存储区附近的地下水污染。Jakimaviciute 等[8]采用FEFLOW 软件对某核电站反应堆下方地下水中3H 运移情况进行模拟研究，结果表明：10 年后3H 不会造成扩散。Milnes 等[9]采用FEFLOW 软件对塞浦路斯南部地区构建了地下水流和溶质运移模型，研究了地下水盐化污染，结果表明，该区域地下水盐化污染主要是由海水入侵造成的。赵春兰等[10]以冕宁县漫水湾垃圾填埋场为例，分别采用了Modflow和MT3D 软件模拟分析了正常工况和事故工况条件下渗滤液中COD 和NH3-N 在地下水中的运移过程，并预测了垃圾封场20 年后渗滤液中COD 和NH3-N浓度情况。赵威[11]、常向萍等[12]也运用数学模型揭示了有机污染物在含水介质中的迁移转化规律。

基于上述研究，本文以典型盆地地形下的垃圾填埋场为研究对象，对其垃圾渗滤液中的COD 及氨氮作为污染物及预测因子，采用MODFLOW 和MT3D 模拟软件分别建立地下水水流和溶质运移模型，对污染物的迁移进行预测分析，为该垃圾场地下水污染的防治提供参考。

1 研究区概况

研究区位于盆地中部偏北，绵阳市东南部，地处亚热带季风性湿润气候区，累年平均气温16.6℃，平均降雨量870.7 mm。地势为西北部高，东南部低，地形起伏大，海拔1 000～3 000 m，属四川盆地盆中丘陵。研究区主要为含水岩组，岩性以砂岩、泥岩为主，各岩石呈不等厚层状。大气降水是地下水的主要来源，地下水接受补给后，一般根据地形顺谷坡由高向低径流，最后排泄至研究区周边的涪江。

2 数值模型的建立

2.1 垃圾填埋场的水文地质概念模型

（1）含水层概化

根据研究区地层结构及水文地质条件，含水层分为第四系全新统坡洪积而成的粉质黏土（Q4pl+dl）、淤泥质粉质粘土（Q3pl）孔隙潜水含水层，以及白垩纪下统苍溪组（K1c）基岩裂隙潜水含水层。由于第四系全新统淤泥质粘土、含粉质粘土卵石层为上部弱含水层，且调查期地下水位基本维持在两层界面处；白垩纪下统苍溪组基岩裂隙含水岩组为下部含水层。因此将评价区含水层结构概化为两层结构。

（2）边界条件概化

图1 为研究区水文地质概念模型图，概化范围以垃圾填埋场所在区域面积约3.5 km2的小型水文地质单元，单元内北侧、西侧都为支沟，因此将其概化为第一类边界，即水头边界；西北侧为山脊，视为分水岭，将其全部概化为第二类隔水边界；其余方向以涪江为界，概化为定水头边界。潜水含水层底部为砂岩，在勘探深度内未揭穿，作为隔水边界，得到了研究区的水文地质概念模型。

图1 研究区水文地质概念模型图

2.2 数值模型

（1）水流模型

综合上述评价区地层岩性、地下水类型、地下水补径排特征、地下水动态变化等水文地质条件及评价区水均衡分析等，在现有资料的基础上，可将评价区地下水流系统概化成非均质各向异性、空间多层结构、三维非稳定地下水流系统，用下列的数学模型表述：

式中：

Ω 为地下水渗流区域；H 为地下水水头（m）；S1为模型的第一类边界；S2为模型的第二类边界；kxx，kyy，kzz分别表示x,y,z 主方向的渗透系数（m/d）；W 为源汇项，包括降水入渗补给、河流入渗补给、井的抽水量等（m3/d）；μs为弹性释水率（m）；H0（x，y，z）为初始地下水水头函数（m）；H1（x，y，z）为第一类边界已知地下水水头函数（m）；q（x，y，z）为第二类边界单位面积流量函数（m3/d）；n 为边界S2上的外法线方向。

（2）污染物溶质运移模型

采用对流－弥散方程来描述污染物在三维地下水流中的运移，溶解于地下水中污染物运移的数学模型可表示为：

式中：

C：地下水中组分的溶解相浓度，ML-3；θ：地层介质的孔隙度，无量纲；t：时间，T；xi：沿直角坐标系轴向的距离，L；Dij：水动力弥散系数张量，L2T-1；Vi：孔隙水平均实际流速，LT-1；qs：单位体积含水层流量，代表源和汇，L3T-1；Cs：源或汇水流中组分的浓度，ML-3；∑Rn：化学反应项，ML-3T-1。

污染物在地下水中的运移转化过程是极其复杂的，根据环境影响评价风险最大化原则，本次模拟不考虑污染物迁移过程中的吸附、化学反应和生物降解等作用，只考虑对流弥散作用对污染物运移的影响。

2.3 模型参数的取值

（1）给水度的确定

潜水含水层的给水度不仅和包气带的岩性有关，而且随排水时间、潜水埋深、水位变化幅度及水质的变化而变化，各种岩性给水度经验值见表1。研究区第一含水层岩性主要为粉质粘土，给水度取值为0.03；第二含水层岩性为粉砂岩、中砂岩，因此本评价给水度取值为0.07。

表1 各种岩性给水度经验值（SL278-2002）

（2）孔隙度的确定

岩石和土壤孔隙度的大小与颗粒的排列方式、颗粒大小、分选性、颗粒形状以及胶结程度有关，不同岩性孔隙度大小见表2。研究区孔隙含水层孔隙度取值0.45，基岩裂隙含水层孔隙度取值为0.60。

表2 松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽，1987）

（3）渗透系数的确定

根据本次计算的含水层渗透系数，结合以往经验值等获得研究区各层水文地质参数，详见表3。

（4）降水入渗补给系数

表3 场地地层及其渗透系数值

降水入渗补给系数是指降水渗入量与降水总量的比值，值的大小取决于地表土层的岩性和土层结构、地形坡度、植被覆盖以及降水量的大小和降水形式等，它是一个无量纲系数，其值变化于0～1 之间，不同降雨量和岩性条件下的降水入渗补给系数见表4。由于研究区的年均降雨量约为882～1 134 mm，地表土层岩性主要为粉质粘土，因此降水入渗补给系数取值为0.1。

表4 不同岩样和降水量的平均年降水入渗补给系数α 值

（5）弥散度的确定

对不同岩性和不同尺度条件下介质的弥散度大小进行了统计，获得了污染物在不同岩性中迁移的纵向弥散度，并存在尺度效应现象（图2）。根据室内弥散试验以及参照其他地区的试验结果，对本次评价范围潜水含水层，纵向弥散度取50 m，横向弥散度取5 m。

图2 松散沉积物弥散度与研究区域尺度的关系

2.4 初始边界条件

（1）空间离散

地下水数值模拟范围约3.5 km2，建模过程中，垂向上依次将全区概化为第四系全新统孔隙弱含水层及白垩纪下统基岩裂隙潜水含水层共2 层，采用网格加密优化剖分，科学模拟研究区地下水流，如图3 所示。

图3 模拟范围内网格剖分图

（2）初始和边界条件

边界条件：研究区为一个相对独立的水文地质单元，将河流和支沟都概化为第一类边界，即水头边界；将分水岭概化为第二类边界，即零流量边界。潜水含水层底部为隔水边界，顶部接受降水量的补给，排泄以蒸发为主。

初始条件：将水质监测井和调查的民用井的水位作为模拟预测的初始水位，监测井所测的污染物背景值为初始值，初始时间为2017 年12 月。

源汇项：评价区的源汇项主要包括补给项和排泄项。项目厂区地下水的补给来源主要为大气降水的面状入渗补给与地下水含水层的侧向补给。地下水含水层之间的侧向补给概化为线状补给源。评价区排泄方式以大气蒸发及下游径流排泄为主，其农业开采地下水量较小。根据前人工作成果和本次调查，模拟区大气降水入渗系数值α 确定为0.3；收集了研究区多年平均大气降水量为966 mm，因此，研究区大气降水入渗补给地下水量为：

式中：Q—降雨入渗补给量，m3/d；α—降雨入渗系数；P—降雨量，mm/a；F—计算区面积，m2。

根据区域水文地质资料，地下水蒸发作用的极限深度为4 m，年平均蒸发量为1 653 mm。利用阿维扬诺夫的线性公式计算地下水蒸散发量：

式中：Eg—地下水蒸散发强度（mm/d）；E0—水面蒸发潜力（mm/d）；hs—地面标高；h—潜水位标高；—地下水蒸发极限深度。

2.5 运行期污染情景设置

本评价主要考虑垃圾渗滤液对地下水的影响。本次选取的预测时间分别为100 天、1 000 天。正常条件下，渗沥液平均每天的产生量为154 m3/d，考虑填埋区土工膜及混凝土的防渗作用，设置防渗层下垂向入渗系数β 取1%，无防渗层下渗沥液的下渗量为总产生量的30%，可以计算出研究区所在地的渗沥液下渗量每天为23.87 m3/d。

2.6 预测因子

预测因子源强的确定参照工程分析和取样的水质监测结果确定。根据渗滤液主要成分，按照标准指数法的排序，本次模拟分别以有机污染物COD、无机物污染物氨氮作为污染物迁移的主要因子，其中有机污染物COD 以耗氧量指数计。根据厂区2018 年委托第三方检测机构的检测报告，渗滤液中COD 浓度约为1 600 mg/L，氨氮浓度约为525 mg/L。

3 污染物模拟结果分析

地下水污染有分别以“最大运移距离”和“被污染物范围”为指标，“最大运移距离”是指污染扩散的最大距离；“被污染范围”是指地下水受到污染的总面积（包括源强的面积），即按地下水Ⅲ类质量标准（GB/T 14848-2017）确定的，在被污染范围内水质较差，低于Ⅲ类水标准。

3.1 COD 污染物迁移模拟结果

图4 为污染物COD 迁移扩散图，由图4 可知，研究区污染源处COD 的浓度保持为703 mg/L，从平面上看，正常工况下100 d 后，项目所在地污染物最大迁移距离约1 200 m，地下水受到污染的总面积为50 810 m2，随着时间的增加，1 000 d 后污染物最大迁移距离约2 600 m，地下水受到污染的总面积为268 160 m2，超标扩散范围已延伸至涪江。

图4 整改前污染物COD 迁移扩散图

3.2 氨氮污染物迁移模拟结果

图5 整改前污染物氨氮迁移扩散图

图5 为污染物氨氮迁移扩散图，由图5 可知，填埋区污染源处氨氮的浓度保持为220 mg/L，从平面上看，正常工况下100 d 后，项目所在地污染物最大迁移距离约1 500 m，地下水受到污染的总面积为63 020 m2，随着时间的增加，1 000 d 后污染物最大迁移距离约2 650 m，地下水受到污染的总面积为274 520 m2，超标扩散范围已延伸至涪江。