入河排污口对地下水影响分析方法初探——以农安县某垃圾填埋场为例

吴兴晨，杨 婧，张春雨，孙述海，朱 未

长春工程学院，吉林 长春 130021

0 引言

入河排污口是监管部门控制污染物进入河渠湖泊的重要关口，是控总量、改水质和保环境的重要抓手[1]，垃圾填埋场通常是利用自然地形条件对垃圾进行填埋，未采取或采取简易的防渗措施，导致产生的渗滤液易渗入地下，进入含水层而对地下水造成污染[2-3]，此次研究对象农安某垃圾填埋场中的渗滤液是通过长达5 km的富滨分干排水渠排放进富裕河，考虑到富滨分干排水渠经常发生断流且渗滤液易发生渗漏，并会随着时间的累积通过包气带进入含水层从而对地下水环境造成影响，同时地下水污染具有污染进程缓慢隐蔽、一旦污染形成则很难治理和造成的后果严重等特点[4]，因此需对富滨分干排水渠周边进行水文地质勘察，模拟预测在排放过程中渗滤液的主要特征污染物对周边地下水的影响，本文主要分析其COD和氨氮的运移特征及影响范围，运用 Visual MODFLOW软件对富滨分干排水渠进行地下水污染物运移模拟。

1 项目概况

农安县某垃圾填埋场位于吉林省长春市农安县东狐狸树村北侧，东经124°32′～125°46′，北纬43°54′～44°57′，气候属于中温带亚湿润地区，呈明显大陆性季风气候，春季干燥多风，秋季温和凉爽，冬季漫长寒冷，年平均气温4.6 ℃，年降水量平均507.7 mm，多年平均蒸发量1 600 mm。地貌上属冲积、湖积平原区，局部起伏较明显，地形呈四周高中间低、台地和低地相间分布的格局，地层主要是白垩纪沉积地层，基岩露头不多，广泛为第四纪沉积物所覆盖，基岩主要是白垩纪灰绿色页岩，砂质泥岩和泥岩。

地下水类型主要为松散层孔隙潜水，孔隙潜水主要分布于冲积河谷漫滩和阶地的砂砾石层中。区域内地表水水系较发育，其西侧有伊通河，东侧有富裕河，地下水主要靠大气降水补给与河流补给，沿河道下游径流和以蒸发形式排出地表。在模拟区布设了多口水文地质勘察井，通过井观察潜水层埋深为2.78 m左右，含水层厚度在10 m左右，潜水含水层属于第四系孔隙潜水，含水层岩性属于褐黄色亚黏土、中粗砂。

2 地下水系统数值模拟

2.1 水文地质概念模型

用数值模型研究较为复杂的实际地下水特征需忽略或降低对研究对象影响较小的因素，通过现场勘查初步判断出可能会造成富滨分干排水渠周边地下水污染的因素并进行详细调整，从而实现水文地质概念模型的建立，概念模型具有真实性，可以真实再现水文地质条件。水文地质概念模型是建立数值模型的前提，概念模型的准备情况直接影响数值模型的模拟效果，建立概念模型的过程是对模拟区复杂地质及水文地质条件概化，进而用数学方式表达水文地质要素。

2.1.1 水文地质结构模型

根据模拟区内地下水污染特征和水文地质条件，确定本次数值模拟的层位为第四系松散岩类孔隙潜水含水层，其含水层岩性主要为粉质黏土。

2.1.2 地下水流动性

地下水流向受地形地势影响明显，模拟区内的地下水流向大体是由南朝北方向流，水力梯度与地形坡度的变化趋势一致，但相对平缓。

2.1.3 边界条件概化

垂向边界：在垂向上潜水含水层自由水面作为模型上边界，通过该边界潜水与系统外发生垂向上的水量交换，如大气降水入渗补给、蒸发排泄。

侧向边界：模型的南侧边界平行于地下水水位等值线，为侧向流入边界。西侧伊通河为补给边界；北侧边界平行于地下水水位等值线，为侧向流出边界；东侧富饶河为补给边界。

2.1.4 源汇项处理和确定

根据水文地质条件可知，模拟区内地下水的主要补给项有：大气降雨入渗、河流补给、边界流入等；地下水的主要排泄项为侧向流出、河流的排泄、自然蒸发和人工开采。

2.2 地下水数值模拟

2.2.1 水流数学模型

根据以上水文地质概念模型，将模拟区地下水流概化为非均质水平各向同性、三维结构、非稳定流地下水流系统概念模型，依据渗流连续性方程，达西定律把所建立的水文地质概念模型确定适当的数学模型。

式中:K为坐标轴方向的渗透系数，m/s；

Ω为模型计算区域，km2；

H0为农安县的初始水位，m；

H(x，y，z，t)表示在三维条件下边界Ω和Γ上点(x，y，z)在t时刻的水头，m；

φ(x，y，z，t)为Γ上已知函数。

2.2.2 模拟区范围

考虑当地的水文地质条件、地形地貌、地下水的补给、径流和排泄特点以及拟建项目地下水污染源的分布情况，确定模拟区范围为农安县垃圾填埋场富滨分干排水渠周围面积约36 km2的区域，模拟预测的含水层位和地下水类型为区域内有供水意义并且直接受项目影响的第四系松散岩类孔隙含水层潜水，模型范围如图1所示。

图1 模拟区范围Fig.1 Scope of simulation area

2.2.3 剖分网格及计算时限及步长

对其模拟区进行网格剖分，由于采用MODFLOW有限差分法计算，需建立起相应矩形网格系统才能进行下一步运算。这种剖分形式的优势是使用者方便准备数据文件，有利于输入文件的规范化，且不易出错。在进行网格剖分的时候，应充分考虑水文地质条件，在水资源分区的基础上进行网格剖分，本次模拟区面积约36 km2，剖分的单元大小为100 m×100 m，共计60行，60列；模拟初始时间为2019年1月，模拟预测365天后渗滤液中污染物COD与氨氮的运移情况。

由于模拟范围较大，网格剖分较大，为了能精确模拟预测事故和环境风险工况下污染源对项目区周边地下水的影响情况，在大模型范围内，将农安垃圾填埋场富滨分干排水渠周围约17 km2面积作为有效区域，其余面积为无效区域，具体模型的范围如图2所示，其白色区域为有效区域，绿色区域为无效区域。

图2 模拟区网格剖分图Fig.2 Grid subdivision diagram of simulation area

2.2.4 初始条件与定解条件处理

根据水文地质勘查过程，以模拟区内2019年1月份水位数据作为模型的初始水位。模型的北侧与南侧边界平行于地下水水位等值线，模型中以定水头边界的形式，西侧切割含水层，为隔水边界，东侧为富裕河，为河流边界。

2.2.5 大气降水入渗补给量

降雨入渗量是模拟区地下水系统最主要的补给来源。降雨入渗量主要受降雨量、地表岩性、水位埋深、地形地貌等条件影响。根据水文地质勘查成果，模拟区地层岩性为粉质黏土，其渗透系数为0.1～0.25 m/d；模拟区枯水期降水量为507.5 mm/a，丰水期降雨量为800 mm/a。

2.2.6 源汇项概化与水文地质参数确定

大气降水是模拟区地下水的主要补给源，模拟区的蒸发量为主要排泄方式。根据水文地质勘查结果，含水层岩性为粉质黏土，渗透系数取0.1～0.25 m/d，给水度为0.1，根据模型模拟验证最终确定该垃圾填埋场富滨分干排水渠区域渗透系数为0.12。

2.2.7 地下水数值模型的拟合

根据现场勘查特点，以模拟区内2019年1月份水位数据作为模型的初始流场，2019年4月份水位数据作为拟合流场，经过模拟的拟合与校正，实测与模拟水位的等值线取得较好拟合，模型的识别结果较为准确。

3 地下水溶质运移数值模拟

3.1 地下水溶质运移数学模型

本次计算采用地下水流数值模拟系统GMS7.1软件中的MODFLOW、MT3DMS模块。模拟采用特征值(MOC)方法，用有限差分逼近计算水动力弥散等引起的浓度变化[5]。

3.1.1 数学模型

MT3DMS采用了对流—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—模拟污染质量浓度，mg/L；

C′—模拟污染质源汇质量浓度，mg/L；

Vi—渗流速度，m/d；

W—源和汇单位面积上的通量， m3/(d·m2)；

αijmn—含水层弥散度，m；

Vm、Vn—分别为m和n方向上的速度分量， m/d；

|V|—速度模，无量纲；

ne—有效孔隙度，无量纲。

污染物在地下水中的运移转化过程是极其复杂的，此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。

3.1.2 模拟因子与预测时段

经现场勘察结果，对模拟区地下水进行采样分析可知渗滤液中污染物成分较多，此次主要以COD和氨氮为模拟因子进行模拟预测，对排污口下游富滨分干排水渠前500 m段进行模拟预测，预测时段为365天。

3.1.3 运移边界条件

对污染源的位置和浓度进行定义，将排污口下游富滨分干排水渠前500 m设置成污染源，当作补给浓度边界，同时也是入渗降水的一个污染源，由于在模拟预测污染物在地下水中的扩散时不考虑吸附作用、化学反应和生物降解等因素，因此污染物的扩散主要取决于污染物的初始浓度，其COD和氨氮初始质量浓度分别为60 mg/L、8 mg/L。

3.1.4 含水层弥散系数

弥散系数即弥散度，是含水层中介质弥散特征的重要参数，而确定野外尺度迁移模拟问题的弥散度有较大的难度，且长期以来一直备受争议[6]，其系数也难以确定，在溶质运移模型需要给定纵向弥散度，此次模型纵向弥散度取经验值。

3.2 模拟预测结果分析

此次预测渗滤液中COD及氨氮运移365天后的情况，主要模拟排污口下游富滨分干排水渠前500 m中污染物下渗后对地下水的影响。经过模拟预测，可知地下水流向大体由南向北，流速较慢，因此渗滤液中的污染物不仅会随水流方向运移，也会随水力梯度向其余方向扩散。根据排污口下游富滨分干排水渠前500 m的预测结果显示，COD及氨氮在地下水的运移情况都大致相同，其最大的影响距离不超过500 m。COD与氨氮的浓度等值线及运移情况见图3,4,表1,2。

图3 排污口下游富滨分干排水渠前500 m段COD浓度等值线图Fig.3 COD concentration contour map of the first 500 m sections of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

图4 排污口下游富滨分干排水渠前500 m段氨氮浓度等值线图Fig.4 Contour map of NH3-N concentration in the first 500 m section of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

表1 排污口下游富滨分干排水渠前500 m段COD运移情况Table 1 COD migration in the first 500 m sections of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

表2 排污口下游富滨分干排水渠前500 m段氨氮运移情况Table 2 NH3-N migration in the first 500 m of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

4 结论与建议

综上可知，农安县垃圾填埋场的渗滤液在通过富滨分干排水渠排放时对地下水的影响主要取决于渗滤液量的大小、污染因子的浓度、地下水径流的方向、水力梯度、含水层的渗透性和富水性，以及弥散度的大小。经过Visual MODFLOW软件的模拟预测结果可知，农安垃圾填埋场富滨分干排水渠周边地下水流向大体是由南到北，地下水水位过于平缓，导致地下水流速较小，因此渗滤液下渗后在地下水中运移较慢；在地下水对流和弥散作用影响下，其影响范围、影响距离不断增长，污染物不仅会随着地下水水流方向运移，还随着水力梯度向外扩散，但在水体水动力作用下不断扩散、稀释、自净，因此污染物浓度不断降低；以地下水中氨氮、COD浓度降至三类水质目标为参考标准，确定排污口下游富滨分干排水渠对地下水的影响范围，在排污口下游富滨分干排水渠前500 m，COD的最大影响距离均不超过450 m，地下水中氨氮的最大影响距离均不超过500 m。

为加强水资源环境的保护，防止农安县垃圾填埋场渗滤液泄露带来的严重影响，建议对入河排污口的排污量及富滨分干排水渠进行在线监督监测，确保工程的正常运行，尾水达标排放。同时还应制定非正常排放应急措施、建立和完善水质保护规章制度，以至于不会对地下水、地表水水质、水量、水生态以及第三者权益产生影响。