填埋场渗滤液在饱和土壤中运移的数值研究

郑淑君　何百通　徐蕤

【摘 要】垃圾填埋场渗滤液是造成地下水污染的一个重要原因。针对农村简易填埋场，本文建立数学模型，土壤被看成各向同性均匀多孔介质，采用Darcy定律描述多孔介质中的渗流，在此基础上，数值模拟了吸附性污染物COD在饱和土壤中的运移过程。分析了降雨量及其他参数对COD运移的影响，为控制地下水污染及填埋场选址提供可靠依据。

【关键词】渗滤液;数值模拟;COD;降雨

中图分类号： TQ085.41文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）10-0024-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.007

Numerical Research on Pollutant Transport Laws of Landfill Leachate in Saturated Soil

ZHENG Shu-jun HE Bai-tong XU Rui

（Quzhou College of Technology，Quzhou Zhejiang 324000，China）

【Abstract】The landfill leachate has been recognized as one of the important causes to the groundwater.This paper establishes the mathematical model for simple landfill，the soil is regarded as isotropic homogeneous porous medium， therefore the seepage field in the porous soil layer is obtained by solving Darcys equations.Based on the flow fields obtained，the unsteady contaminant solute transportation process for COD in the saturated soil is numerically simulated. We have analysed the precipitation and other parameters on the transport of pollutants，it provides basis for controlling groundwater pollution and selecting landfill site.

【Key words】Leachate;Numerical simulation;COD;Precipitation

0 引言

隨着人口增长以及经济的快速发展，生活垃圾的处理已经成为难题之一。虽然我国的生活垃圾处置越来越规范，但是不少农村地区的生活垃圾，仍然采用简易填埋的方式进行处理。由于简易填埋是没有采取防渗措施的直接填埋，未执行环保标准，填埋场渗滤液持续下渗会造成地下水污染。农村条件有限，填埋场选址往往没有经过充分的论证，部分距离居民点较近，对周边地下水的污染影响到居民的饮用水，威胁到居民的身体健康[1]。在建造简易填埋场时，必须考虑渗滤液对周围环境的影响程度和范围。

垃圾渗滤液引起的污染物传输过程是一个复杂的动力学过程，因此学者常用数值模拟的方法预测地下水污染问题。陈云敏[2]给出了土壤中污染物的一维扩散解析解，只考虑了扩散和吸附作用，而未考虑对流的影响。

垃圾渗滤液组分复杂，有机污染主要以综合指标BOD和COD表示，本文选取COD作为研究对象。以衢州地区为参照，考虑降雨强度的影响，数值模拟研究填埋场渗滤液在饱和土壤中的运移机制。土壤被看成各向同性均匀多孔介质，考虑到模拟周期较长，首先采用Darcy定律获得多孔介质中的稳态渗流场。基于上述流场计算结果，数值计算非定常污染物COD迁移扩散过程。在这里，之所以先计算流场再计算浓度场，是因为污染物COD的传输不会对流场造成影响。

1 计算模型和初、边值条件

本文建立了地下水污染过程的控制方程：一类是地下水流动方程;另一类是溶质运移方程，两类方程通过流速进行耦合[3]。建立简单二维模型，如下图所示。

由于简易填埋场工程简单，本文假设无防渗层，而渗滤液中有机物COD浓度较高，因此本文将填埋场底部看作一个恒定的面源。

1.1 控制方程

考虑土壤对污染物质的吸附与解吸，地下水的溶质输运的控制方程为：

DLii为扩散张量的主分量，DLij为交叉项，？琢L、？琢T为弥散度;De为分子扩散系数;下标L和T分别代表纵向和横向。（3）式等号左边的第一项表示多孔介质中污染物浓度变化项;第二项是由于吸附解吸引起的浓度变化项;第三项表示由于流体随整体体系的运移，称为对流作用引起的浓度变化项;等号右边表示由于分子扩散和机械弥散作用共同引起的浓度变化项。

1.2 边界条件和初始条件

渗流边界条件：4、5、6、7、8为速度边界条件，由降雨量计算而来;其他为零流量边界。

浓度边界条件：6为恒定浓度边界，COD浓度设定为4g/L，1、3为平流通量边界;其它为无流通边界。

初值条件：土壤以及地下水中的污染物初始浓度c0为0g/L。根据实际情况以及查阅相关资料文献获得模型中的各参数如下：水的密度ρ=1000kg/m3，水的动力粘度系？浊=0.001Pa·s，土壤的密度ρb=1400kg/m3，孔隙率？兹=0.3，，分子扩散系数De=2.5e-10m2/s，横向弥散度？琢L=0.1m，纵向弥散度？琢T=0.01m，杨春晓[4]通过实验数据进行拟合，发现线性吸附方程能够合理的描述土壤对COD的吸附作用，本文采用线性吸附模型且不考虑降解和衰减，分配系数kp=0.1cm3/g。

1.3 计算工况及结果分析

通过查阅文献，显然可知衢州为湿润地区，近50年平均降雨量约为1600mm[5]。半干旱和半湿润地区分界为400mm，为研究衢州地区与半干旱地区填埋场渗滤液运移是否存在区别。下面我们选择降雨量为1600mm、400mm两种工况初步探讨不同降雨强度条件下土壤中的COD运移情况。降雨入渗补给量是浅层地下水的主要补给来源，考虑到土壤入渗率低，存在蒸发量等因素，我们取降雨入渗系数为0.29[6]。

图2显示了降雨量对填埋场底部土壤中COD运移的影响。显然，填埋场所处位置降雨量与孔隙水流速呈正比例。随着流速的增加，减少了污染物在土壤中的滞留时间，达到浓度预定值的所需要的时间越短，这表明流速的增加对污染物的运移有着促进作用。经过同样的时间，随着填埋场所处位置降雨量的增大，污染物COD运移的范围越广，因此衢州对填埋场的要求高于其他半干旱地区。计算的时间是50年后的COD的浓度变化，说明污染物COD的输运过程是缓慢的，并且填埋场渗滤液污染具有量小，持续周期长的特点。如果没有对填埋场进行预防整治，污染物往往慢慢积累扩张，在这种输运的持续影响下，大片的区域终将受到污染，这显然是非常不利于地下水环境的。

我们仔细分析降雨量为1600mm的数据，在竖直方向上，5年后，COD在5.5m处达到了0.5g/L，而在20年后和50年后分别在15.9m和30.7m处达到0.5g/L。而在水平方向上，5年、20年及50年后COD浓度达到0.5g/L的距离分别为4.8m、14.6m和34.2m。基于上述数据，很明显渗滤液在水平方向的运移是无法忽略的，从而填埋场选址需要考虑其对周边地下水的污染。进一步发现，COD 在水平方向上迁移距离随着土壤埋深增加而增加，这是由于降雨量引起的对流占据主导作用。由图中还可以看出，COD的浓度除了主要集中于一段区域外，污染物浓度梯度几乎为0，说明污染物的运移是比较均匀的。

为考察不同参数（扩散系数、吸附系数）对COD运移的影响，分别改变初始参数，研宄污染物运移是否有明显差异，为以后的填埋场选址以及施工提供有效意见。

选取地下水中的一点A（250，55）监测污染物浓度，该点位于垃圾填埋场的正下方，距离填埋场底部15m。圖3是监测点COD浓度随时间的变化图，当COD在土壤中的分子扩散系数增大为5e-10m2/s时，地下水中COD的浓度几乎没有差别。在竖直方向上，20年后，COD在16m处达到了0.5g/L，运移深度变化量不到1%，说明对于考虑降雨量的填埋场，分子扩散系数对COD在土壤中运移范围的影响非常小，可以忽略不计。前面的工况均采用线性吸附模型，为了考察吸附系数对污染物运移的影响，取kp=0表示不考虑吸附作用。图4中kp=0时监测点浓度达到0.5g/L的时间约为12年，线性吸附模型下需要将近18.5年。同时分析数据的倾斜角度，可以得到kp=0的工况斜率远大于线性吸附工况，斜率越大，表示污染物浓度变化的速率越快。这是由于进入土壤中的污染物有一部分吸附在土壤颗粒上，从而降低了地下水中的COD浓度变化速率。因此，非吸附性污染物在地下水中的运移速率更快，将填埋场建立在吸附性能好的土壤可有效延缓污染物COD在地下水中的运移深度。

2 结论

本文建立了吸附性污染物COD在饱和土壤中输运过程的数学模型。数值模拟了降雨条件下填埋场渗滤液在地下水中的运移机制，结果表明污染物COD的运移是比较均匀的，并且不可忽略其在水平方向上的扩张。分析不同参数对COD运移的影响，首先发现土壤的扩散系数对污染物运移范围影响甚小，对流占据主导作用。其次，土壤的吸附系数对污染物运移具有显著的影响，因此填埋场选址需靠近吸附性能好的粘性土壤。

【参考文献】

[1]张志红，孙保卫，纪华等.北京地区简易垃圾填埋场特性[J].北京工业大学学报，2013（7）：1116-1120.

[2]陈云敏，谢海建，柯瀚，等.层状土中污染物的一维扩散解析解[J].岩土工程学报，2006，28（4）：521–524.

[3]黄昕霞，嘉兴垃圾填埋场地下水污染状况及污染物迁移规律研究[D].中国地质大学，2008.

[4]杨春晓，土体分形特征对垃圾滲滤液中COD迁移的影响研究[D].中国地质科学院，2015.

[5]钱子立，汪颖俊，方伟.1951—2015年衢州市气象变化特征分析[J].浙江水利科技.2019.222（2）：27-34.

[6]周旻，靳孟贵，魏秀琴.利用地中渗透仪观测资料进行降雨入渗补给规律分析[J].地质科技情报，2002，21（1）：37-40.