镇江新区垃圾填埋场地下水溶质运移模拟

2020-12-23马敏杰付乐意

矿产与地质 2020年5期

马敏杰，付乐意，谭燕

(1. 国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南昆明 650216；2. 江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏镇江 212001)

0 引言

地下水作为重要的供水水源和生态系统的重要支撑，是维系水系统良性循环的重要保障，是不可或缺的宝贵资源，在我国总的水资源中占有举足轻重的地位[1]。除了矿山会造成地下水污染外[2]，近年来，随着城市人口日愈密集，生活垃圾填埋处理问题不容忽视。垃圾卫生填埋场填埋阶段以及封场后所产生垃圾渗滤液下渗会造成十分严重的地下水污染问题[3-4]。地下水溶质运移模型可模拟污染物迁移规律、预测污染范围及污染物浓度分布情况，为地下水水质、水量管理和地下水污染修复等提供技术参考[5-7]。本文以镇江新区垃圾填埋场为例，通过对填埋场的监测数据进行整理，研究分析地下水流场演变趋势，讨论污染物的来源、迁移和空间分布规律，为镇江新区修复已泄漏污染的地下水区域提供参考依据[8]。对区域地下水环境的控制和保护具有重要意义[9]。

1 研究区概况

1.1 研究区现状

镇江新区固废处置有限公司固废填埋场，位于镇江新区背顶山南翼采石宕口。连续强降雨导致地下水位急剧升高，填埋场基坑东侧防水帷幕侧壁发生鼓胀破坏现象，填埋场内地下水位快速上升，导致填埋场被淹没，水位高于废弃物表面3.0 m，导致渗滤液和地下水混合，地下水受到污染。此后，由于主、次防渗膜渗漏导致地下水井、渗滤液井、检测井井内水位基本相同。前库区地下水水位高程基本稳定在11.36～11.95 m之间。

1.2 区域地质概况

研究区地处宁镇山脉东端的低山丘陵地区，属丘陵—岗地地貌单元，地势西高东低，南北两侧高，其间为山谷。南侧为大山，原最大高程为81.4 m，北侧为背顶山，原最大高程为81.6 m，东侧岗地高程为15～20 m，西侧岗地高程为20～40 m(图1)。北侧因矿山露天开采形成矿坑，坑内常年积水，无法疏干，现水面高程为11 m。研究区位于长江下游镇扬河段南岸，降雨充沛，年平均降雨量为1074.1 mm，年平均降雨天数为123 d，年最大降雨量为1602.1 mm，日最大降雨量为262.5 mm(1972年7月3日)，雨量集中在6月、7月、8月，降雨量占全年的50%；年最大蒸发量为1175.9 mm最小蒸发量为847 mm平均蒸发量为1276.7 mm。

图1 库区水文工程地质图Fig.1 Hydrological engineering and geological map of the reservoir area1—上更新统下蜀组 2—上震旦统陡山沱组 3—上震旦统灯影组白云岩 4—地质界线 5—松散岩类孔隙水，单井涌水量<10 t/日 6—碳酸岩裂隙水，单井涌水量100～1000 t/日 7—观测孔及编号 8—积水采坑 9—两侧冲水断裂 10—钻孔及编号 11—汇水区界线 12—地下水流向

本区位于粮山—横山复式背斜的南翼。该复式背斜由一系列平行的背斜与向斜构成，呈NEE走向，自粮山经青龙山、观音山东延至横山南，全长12 km，宽2～5 km，褶皱轴面向北西倾斜，向南东倒转背斜较禁闭，向斜宽缓。库区发育有两条近SN走向的平移断层，其中F1断层穿越库区及背部积水采坑，延伸约470 m，宽60～75 m，破碎带岩性以大理岩为主，透水性良好。F2断层位于库区西侧，走向315°，宽约50 m，延伸约160 m，破碎带富水且透水性良好。两条断层均对地下水径流无影响。

地层主要由上震旦统组成，西端为侵入岩占据，东端为早白垩世火山岩所覆盖。背斜核部地层为上震旦统陡山沱组上段薄层灰岩(Z2d2)，向斜核部地层为上震旦统灯影组白云岩(Z2dn)，裂隙岩溶发育一般，为区域内中等富水岩组。上更新统下蜀组粉质黏土(Qp3x)分布于山体周边低洼地段，主要由棕红色粉质黏土组成，有少量孔隙水分布，可视为隔水岩组。

2 模型建立

2.1 边界条件与概念模型

根据地层岩性及地下水的赋存条件、水力联系和水动力特征，将研究区概化为一个封闭的水文地质单元，震旦系岩溶含水层为主要含水层，层厚200～500 m。根据区域水文地质条件，研究区下游为EW走向积水采坑，也为研究区北侧地下水的排泄基准，故将其设为第三类边界。东西两侧出露地层为第四系松散层，以粉质黏土为主，赋水性较弱，透水性较差，为相对隔水层。受地质构造及其伴生构造影响，使得研究区南侧地表分水岭近EW走向，地表分水岭两侧的降水分别补给两侧地下水，地表分水岭与地下分水岭基本一致，因而将研究区南侧地表分水岭概化为该模型的隔水边界。研究区地下水流系统概化为非均质各向异性三维稳定流，总面积0.72 km2。

2.2 研究区数学模型

根据已建立的水文地质概念模型，建立研究区地下水各向异性三维稳定流数学模型，即公式(1)：

(1)

其中：Kxx为x方向渗透系数主值、Kyy为y方向渗透系数主值、Kzz为z方向渗透系数主值，m/d；H为承压含水层水头，m。H(x，y，z，t)表示三维条件下边界段上Si点(x，y，z)在t时刻的水头，φi(x，y，z，t)是Si上的已知函数。n为边界Si的外法线方向。qi为已知函数，表示Si上单位面积的侧向补给量。α、β为已知函数。

溶解在地下水中的物质，顺地下水流运移的规律可以用公式(2)进行描述：

(2)

其中：Dxx为纵向弥散系数主值、Dyy为横向弥散系数主值，Dzz为横向弥散系数主值；c为溶质浓度，mol/l；u为实际平均流速，m/d。

c(x，y，0)=c0(x，y)(x，y)∈Ω，t=0 ；

(cv-Dgradc)·n∣Γ=φ(x，y，t)(x，y)∈Γ2，

t≥0。

其中：Ω为溶质渗流的区域；Γ2为二类边界；c0为初始浓度；φ为边界溶质通量。

2.3 源汇项

补给项：本区地下水补给来源主要为大气降雨，其富集、运移主要受地形地貌、地层岩性及所处的构造部位所控制，统计镇江地区相关气象资料发现，当地年均降水量约为1900 mm/a。除此外，受地形和场地内两条透水断层影响，周边地下水可能会向研究区内汇集，但地下水补给来源主要为降雨入渗补给。研究区地层为震旦系灯影组及陡山沱组，岩性为碳酸盐岩，区内地表岩溶发育，落水洞存在，因此降雨入渗系数选用区域最大值0.3，当地的降水补给地下水的量为0.0015 m/d。

排泄项：矿山开采导致库区北部形成大面积的积水采坑，坑内水位高程常年不变，且低于库区最低高程，坑内积水无法疏干，地下水由南西向北东流动，因此，将库区北部积水采坑作为模型的最低排泄基准面。在模型建立时也将区内的上升泉点作为模型的排泄项。

2.4 参数分区与取值

根据区域水文地质图、构造地质图所获得的地层岩性信息，构造发育状况，库区抽(注)水试验及已掌握的水文地质资料，将研究区渗透系数分为12个主区(图2)。依据测量的裂隙计算所得的渗透张量主值之间存在线性关系，通过线性回归分析，渗透椭球体在水平面短轴(Ky)和长轴(Kx)存在一定的线性关系，为Ky=0.3015Kx。故渗透系数按渗透主轴向分为Kx、Ky分别赋值(表1)。根据收集资料，前人已在研究区做过较多工作，参考同一套岩性地层内做过的抽水试验和弥散试验，通过类比分析，在前人研究基础上取经验值作为研究区垂向上渗透系数和弥散系数。

图2 渗透系数分区图Fig.2 Partition map of permeability coefficient

表1 各主区渗透系数Table 1 Permeability coefficients of each main area

弥散度室内测定值不适用于大范围的研究区污染物弥散数值模拟[10]。因此，纵向弥散度应参考前人在该场地得出的研究成果[11]，根据研究区附近试验资料，计算纵向弥散度与观测尺度的统计关系，并按照偏保守评价原则取值，纵向弥散度取值48.375 m，横向弥散度为纵向弥散度的10%。查阅已有的研究区研究成果资料，确定研究区岩体平均孔隙度为0.30。

2.5 模型建立与识别

2.5.1 模型建立

根据区域水文地质调查资料，整个水文地质单元内没有大型水源地或其他用途抽水井，地下水补径排系统人为干扰较小，仍处于天然状态下，因此本模型建立时，采用潜水含水层三维稳定流来模拟地下水流场，地形高程以2D散点方式输入模型，然后用IDW插值法对其赋值(图3)[11-12]。

图3 研究区地下水稳定流流场Fig.3 Groundwater steady flow field of the study area

2.5.2 模型拟合

在GMS7.1软件中观测孔数据与软件计算数据的关系见图4。如果观测值与计算值的差在校核置信范围内，误差棒会显示为绿色；如果超出校核置信范围，但小于200%，误差棒会显示为黄色；如果超出200%以上，误差棒会显示为红色。

图4 误差棒示意图Fig.4 Schematic diagram of error bar

本次建立模型用垃圾填埋场库区周围所设的ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5、ZK6共6口地下水监测井所测得地下水位作为稳定流地下水流场的校准依据。通过合理调参的方式使模型尽可能接近真实的地下水位值，使模型能够真实有效的模拟地下水流场现状。模型模拟结果见图3，各个观测孔处计算水位均在设定误差范围内(表2)。

模型的计算水位与观测水位都在设定误差内，该模型基本能反映相应条件下的地下水流场，所建模型合理可信。由模型可知地下水整体从南流向北东。

3 污染物迁移规律与浓度变化预测

3.1 污染物类型与源强设定

降雨导致填埋场东侧防水帷幕侧壁发生鼓胀破坏，地下水涌入基坑，与渗漏液发生混合，污染物通过地下水运移通道进入含水层，从而污染地下水。垃圾填埋场普遍性污染物有主要有氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、总硬度、氯化物、铁、锰和挥发酚等，根据已掌握的数据资料显示，渗漏夜中浓度最高，危害最大的污染物为硝酸盐，根据危害性最大原则，污染物扩散最远可能性分析思路，在不考虑吸附和生化作用下，本次模拟采用硝酸盐作为污染特征因子预测其迁移规律及浓度变化。根据已掌握的资料，库区基坑涌水量约4600 m3/d(中心降深2.4 m)，硝酸盐浓度1.236 g/L。模型考虑库区防渗膜破裂后污染物穿透第四系黏土层进入含水层中。模型假设涌入库区的水与垃圾均匀混合被污染成为垃圾渗漏液，共设置两种场景，垃圾渗漏液泄漏总量分别为污水总量的1%和2%，对应流量为46 m3/d和92 m3/d。库区只有东侧防水帷幕壁发生破坏，故将泄漏方式设为点源污染，泄漏中心为库区东侧防渗膜破坏处，泄漏点硝酸盐初始浓度为1.236 g/L。垃圾填埋场一般半年对所有设施检修一次，即防水帷幕破坏后180 d内被修复，假设防渗膜修复后污染物不再向外泄漏，即污染物持续泄漏180 d后切断污染源，模拟剩余污染物在含水层中运移及浓度变化情况。本次模拟时长1500 d，模拟不同浓度渗漏液运移到库区外ZK2时所需时长。模拟不考虑污染物的吸附、反应、衰减等过程。

3.2 污染物运移模拟结果分析

1)以46 m3/d(1%)的流量泄漏模拟结果

垃圾渗漏液以46 m3/d流量持续泄漏180 d后，泄漏区中心浓度约为482.94 mg/L。由图5可见，正方形网格边长为20 cm，垃圾渗漏液持续泄漏180 d后污染物往外扩散了约40 m。参照《地下水质量标准GBT 14848-2017》三类地下水标准，硝酸盐浓度限值为20 mg/L，故将模型污染羽最小显示范围调成20 mg/L。

图5 1%硝酸盐渗漏180 d污染羽Fig.5 The pollution plume of 1% nitrate leakage for 180 days

污染物持续泄漏180 d后，防渗膜被修复，地表污染源被切断，污染物不再进入地下水，含水层中残留的硝酸盐会随着地下水流发生回满迁移和稀释。切断污染源后残留污染物在含水层中运移100 d时，污染羽逐渐向下游扩散，污染中心向下游迁移约10 m，污染羽中心浓度为278.29 mg/L(图6a)。污染物迁移500 d时，污染羽中心浓度下降为98.24 mg/L，前缘浓度为18.34 mg/L。污染羽逐渐向下游(ZK2方向)缓慢移动，移动距离约为30 m，污染面积在逐渐扩大(图6b)。

图6 1%渗漏量残留硝酸盐运移100～3000 d模拟结果图Fig.6 Simulation result map of residual nitrate migration with 1% leakage in 100-3000 days

当残留污染物运移1300 d时，污染羽到达填埋场下游边缘ZK2处，污染羽开始向填埋场外迁移，此时污染羽中心浓度为47.61 mg/L，前缘浓度13.02 mg/L，且污染面积达到最大(图6c)。运移3000 d时污染羽面积最小，整体浓度为20.20 mg/L，污染物迁移到了场区下游68 m处(图6d)。根据残留在含水层中的污染物随着迁移时间浓度逐渐减小的趋势，约3020 d时，污染物在地下水中的浓度将小于20 mg/L。

2)以92 m3/d(2%)的流量泄漏模拟结果

泄漏量为2%的情况，污染物同样持续泄漏180 d时，污染羽中心浓度为712.10 mg/L，污染羽向下游(ZK2方向)扩展35 m。参照《地下水质量标准GBT 14848-2017》三类地下水标准，大于20 mg/L污染范围及浓度见图7。

图7 2%硝酸盐渗漏180 d污染羽Fig.7 The pollution plume of 2% nitrate leakage for 180 days

硝酸盐以2%的量持续泄漏180 d后切断污染源，剩余污染物在地下水中随着水流运移。切断污染源后残余硝酸盐运移100 d时，污染羽逐渐向下游ZK2方向移动约25 m，中心浓度为303.83 mg/L，前缘浓度为18.92 mg/L，污染羽的面积在逐渐扩大(图8a)。当残余污染物在地下水中运移500 d时，污染羽的面积在逐渐增大，形状呈椭圆形。此时污染羽中心浓度为121.28 mg/L，前缘浓度为19.91 mg/L，污染羽仍在垃圾填埋场厂区范围内(图8b)。

残余硝酸盐在地下水中运移1000 d时，垃圾填埋场北部边缘ZK2处开始遭受污染，污染羽前缘已经没过ZK2。此时污染羽中心浓度为72.63 mg/L，前缘浓度为17.39 mg/L，污染羽面积不再扩大，污染中心逐渐向下游ZK2方向移动(图8c)。残余污染物运移3500 d时，污染面积最小，污染物运移到了下游距离ZK2 大约142 m处，此时污染羽平均浓度为20.24 mg/L(图8d)。根据残余硝酸盐在含水层中随地下水运移浓度逐渐减小的趋势，预计3550 d时污染物浓度将小于20 mg/L。

图8 2%渗漏量残留硝酸盐运移100～3500 d示意图Fig.8 Simulation chart of residual nitrate migration with 2% leakage in 100-3500 days

3)模拟及预测结果

镇江新区垃圾填埋场东侧防水帷幕发生破坏，涌入库区的地下水与垃圾混合形成垃圾渗漏液进入含水层污染地下水，本次模拟选取垃圾渗漏液中硝酸盐作为敏感因子进行模拟，污染物初始浓度为1236 mg/L。假设泄漏污染物能通过地下水径流通道进入含水层中，在不考虑吸附、反应等情况下共设置两种模拟情景，模拟垃圾渗漏液量为污水总量的1%和2%情况下对应流量为46 m3/d和92 m3/d。垃圾渗漏液持续泄漏180 d后切断污染源，此时污染羽中心浓度为482.94 mg/L、712.10 mg/L。切断污染源后，模拟残余污染物在含水层中继续运移情况(表3)。