城市生活垃圾填埋场污染物运移研究

王松涛，杨 霄，王 丛，贾 超，王辉辉，刘建章

（1.山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，山东潍坊261021；2.山东大学海洋研究院，山东青岛266237）

0 引 言

随着我国经济的快速发展和人口的快速增长，近几年垃圾产量的增长速度几乎与GDP 相当［1］。由于卫生填埋法较为经济实用且技术成熟简便和处理量大［2，3］，多数国家依旧使用卫生填埋方法来处理城市生活垃圾［4］。垃圾处理过程中会产生成分复杂且高浓度的垃圾渗滤液［5］。一旦防渗措施失效，渗滤液会进入土壤、地表水和地下水，导致水土环境质量恶化，有机物等还会产生空气污染，最终都会威胁居民的身体健康［6，7］。近年来城市生活垃圾的堆放和处理引发的地下水污染较为常见［8］。地下水流动缓慢，污染通道隐蔽，污染一旦形成，会产生严重的环境和安全问题，后期治理的难度和成本极高［9］。预测和控制垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染并对污染进行治理已成为地下水相关领域研究的热点。

地下水流模型和溶质运移模型是识别污染物时空分布状态、确定污染物浓度变化和迁移去向的重要手段，能够为地下水水量、水质的定量评估和污染物的防控修复提供参考依据［10-12］。地下水溶质运移模型研究始于在20世纪60年代，国外学者首先利用数学模型研究水质的变化［13］，直到80年代，国内学者开始研究污染物在地下水中的迁移变化［14］。赵贝等［15］通过研究给出了河南某填埋场渗滤液中Cl-在30年内的污染羽迁移范围。赵春兰等［16］采用了MODFLOW 和MT3D 软件，模拟分析了冕宁县漫水湾填埋场渗滤液中COD 和NH3-N 在正常工况和事故工况条件下的迁移过程。

本文以山东省某生活垃圾填埋场为例，在研究场区水文地质条件的基础上，基于GIS平台，结合MODFLOW 和MT3DMS程序包建立研究区三维地下水数值模型，进行地下水流场和污染物的数值模拟。以氨氮和硝酸盐作为污染预测因子，模拟分析垃圾填埋场注浆前后十五年内渗滤液污染物的迁移情况，为填埋场内的注浆修复工作提供科学指导。

1 研究区概况

研究区位于山东省低山丘陵区，地形南高北低，起伏变化较大，最高海拔为184 m；北部为冲积、洪积平原海拔最低为48 m。研究区内垃圾掩埋场建于2004年，设计日处理能力为500 t，已填筑垃圾约800 万t。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical location map of the study area

该区域地貌属于丘陵地貌。经过长期风化剥蚀，多以起伏不大的孤丘缓岭为主，植被繁茂，岩体风化程度中等。根据赋存类型，垃圾场附近地下水主要包括松散岩类孔隙水、老地层风化裂隙水和深层岩溶水。松散岩类孔隙水主要分布于山前冲洪积平原区，山地沟谷的坡积或洪积层中，是研究区分布最广泛的一类地下水。老地层风化裂隙水位于玄武岩和花岗岩分布区，透水量较少。深层岩溶水赋存于构造裂隙中，岩性多为灰岩，灰岩夹砂岩、页岩。地下水主要补给来源为大气降水入渗及上游地下水径流补给，地下水流向总体为北东向，与区域地下水流向一致。

该区域气候属北温带大陆季风型气候，1980-2018年平均气温约13 ℃，1月最冷，平均气温约在-2 ℃，最低气温约-14 ℃（2008年1月6日）。7-8月最热，最高气温达40 ℃（2009年7月23日）。1980-2019年平均降水量611.94 mm，极端日降水量在1997年8月20日，为172.7 mm。夏季降水量占全年60%，春季降水量占全年10%～15%，经常发生春旱。

2 原理与方法

2.1 数学模型

USGS MODFLOW 是国内外领先的基于有限差分法的三维地下水流模型。三维空间中地下水在孔隙介质内的流动可用如下的偏微分方程来表示［17，18］：

式中：Kxx、Kyy和Kzz分别为渗透系数在x、y和z轴方向上的分量，m/d；h为含水层的水位标高，m；W为源汇项，1/d，是单位时间从单位体积含水层流入或流出的体积流量，+代表源，-代表汇；Ss为多孔介质的贮水率或释水率，1/m，是地下水含水层水头降低一个单位时所能释出的水量；t为时间，d。

MT3DMS 是一个三维地下水溶质运移模型，该模型基于有限差分法求解溶质运移的偏微分方程，可以模拟地下水流系统中污染物的对流、弥散和化学反应。描述溶质运移的偏微分方程式如下所示［19］：

式中：R为污染物的滞留因子（无量纲）；C为污染物的浓度，kg/m3；t为时间，d；xi、xj为污染物沿x、y方向上的距离，m；Dij为水动力弥散系数张量，m2/d；vi为渗流速度，m/d；qk为单位体积含水层流入和流出的体积流量，1/d；Ck为污染物流入或流出的浓度，kg/m3；n为地下介质的孔隙度（无量纲）；δ为地下含水系统的干容重，kN/m3；s为污染物运移过程中被吸附的浓度，kg/m3；λ为一阶化学反应或生物降解速率常数（无量纲）。

2.2 水文地质概念模型

模拟区域面积约为40.66 km2，在地下水模型中，将研究区地下水系统概化为三层：第一层主要为松散岩类孔隙水；第二层为弱透水层；第三层主要为碳酸盐类裂隙岩溶水。根据地层结构的分析，水平方向上，研究区西南和东北边界分别为侧向补给边界和侧向排泄边界。在垂向上，松散岩类孔隙水作为上边界，地下水系统通过该边界与系统外进行水量和水质交换，模型底边界为隔水边界。研究区的含水层主要接受大气降水补给和侧向补给，排泄方式主要为人工开采和蒸发。根据已有的地质勘探资料，以及各监测点的地下水水位数据，基于GIS平台，利用空间插值法绘制区内地下水等水位线图，作为研究区地下水的初始流场。

2.3 地下水和溶质运移模型的建立

基于GIS 平台，结合MODFLOW 和MT3DMS 程序包来建立研究区的地下水流数值模型和溶质运移模型。其中，MODFLOW 程序包用于解决地下水运动问题，它能够预测水位和流向未来的变化。MT3DMS 程序包用于确定污染物的迁移和分布，它利用数据文件与MODFLOW 程序进行通信，与已知的地下水运动联系起来以确定地下水中污染物的分布和运动。剖分网格时，将研究区在平面上按Δx=Δy=200 的网格剖分，在垂向上则分为三层，共剖分成了120 000 个单元。为考虑污染物最大影响的可能性，模型计算时忽略吸附、溶解、化学反应及温度等效应，在对流弥散作用下建立垃圾场主要污染因子的三维运移控制方程。

2.3.1 水文地质参数

场区第四系土层主要为素填土、黄土及粉质黏土，厚度一般1～6 m，最大达25 m。该层结构松散，渗透性较好。场区内岩石主要为页岩、泥灰岩及石灰岩。根据钻探资料，场区岩石风化带厚度较大，裂隙较发育，灰岩中溶蚀现象较发育，在钻探过程中常有漏水现象，尤其在场地南部的灰岩中漏水现象最为严重。根据垃圾场区内的注水试验、压水试验以及手动试错和PEST参数反演程序相结合的方法，最终得到了场区内不同地层的水文地质参数如表1所示。

表1 模型各层水文地质参数Tab.1 Hydrogeological parameters of each layer in the model

在溶质运移模型中，由于研究区位于山前，附近地下水流速较高，主要进行机械弥散运动，而分子扩散系数较小，可忽略不计［20］。根据研究区的水文地质和工程地质勘探资料，纵向、横向和垂向上的弥散度分别为10、1.5和0.1 m。

2.3.2 模型的识别和验证

对如下计算流场图、实测流场图（图2）进行对比后可以看到，计算水流的流向与实测无明显水流方向差异，可以判断出研究区边界条件是合理的。通过对研究区水文地质情况的调查与进行的抽水试验，选定的水文地质参数符合实际情况，较真实地反映实际的地下水流条件，水位大小变化与实测流场规律相一致。

图2 实测与模拟地下水位对比图Fig.2 Comparison of measured and simulated groundwater level

基于GIS 平台，利用空间分析法将2019年8月填埋场附近监测的地下水水位离散数据进行栅格化，对29眼观测井进行模型的稳态检验，选取具有代表性的J1监测井进行模型动态水位验证，如图3 所示。线性拟合的直线斜率和截距分别为0.968 53 和2.109 6，线性相关系数为0.996。水位动态监测值与模拟值之间误差都在2 m 之内，且误差在1 m 之内的数据占85.33%，平均相对误差为1.53%，模型拟合效果较好，计算结果可以反映监测水位的变化趋势。

图3 水位观测井校核结果Fig.3 Check result of groundwater level observation well

2.4 模拟因子选择和事故工况设定

研究区垃圾填埋场已运行16年，属“中老年”垃圾填埋场，进入甲烷发酵阶段，渗滤液中COD 浓度下降、氨氮和硝酸盐浓度上升［21-23］。因此，根据水质监测结果将氨氮和硝酸盐作为本次模拟的主要污染因子。为保守考虑，按照最不利情况下污染物持续泄露来设定运移模式。根据实际测试结果，氨氮泄露浓度为1 397 mg/L，硝酸盐泄露浓度为751 mg/L。以此模拟事故发生后地下水系统中污染物的变化规律，并通过校验后的模型来预测污染物的影响范围。

3 结果与分析

本文基于GIS 平台，结合MODFLOW 和MT3DMS 程序包建立了城市生活垃圾填埋场的地下水渗流模型和溶质运移模型。为了考察注浆前后各污染因子扩散范围随时间的变化规律，合理评价防渗效果，选取事故发生后1 825 d（2025年）、3 650 d（2030年）、5 475 d（2035年）3个时间点展示模拟结果。

3.1 注浆前各污染因子的扩散范围及浓度分布

在不受控工况下（注浆前），由于污染物的不断泄露补给，垃圾填埋场附近的污染物浓度持续保持较高的水平，并在地下水动力的作用下逐渐向外扩张，东南侧尤为明显。根据《地下水质量标准》（GB14848-2017），氨氮和硝酸盐的最低检出限分别为0.02 和2 mg/L，标准限分别为0.5 和20 mg/L。污染浓度在垃圾场周边远超标准限值，会对地下水造成比较严重的危害。污染物分布情况如图4、5所示。

图4 注浆前氨氮在地下水中污染运移范围Fig.4 Migration range of ammonia nitrogen in groundwater before grouting

图5 注浆前硝酸盐在地下水中污染运移范围Fig.5 Migration range of nitrate in groundwater before grouting

垃圾填埋场在水平防渗与垂直防渗均存在破损的情况下，运行期间渗滤液污染物运移范围在空间上均有较大程度的增加。根据地下水污染物的最低检出限和标准限值确定出最大影响范围和超标范围，如表2所示。在扩散范围上，氨氮浓度超标范围最大为1 929.61 m，最大影响距离为2 349.15 m；硝酸盐浓度超标范围最大为1 613.14 m，最大影响距离为1 760.28 m。污染物影响距离持续增长，总体上仍在不断的扩散。

表2 注浆前各污染因子随时间的变化规律 mTab.2 Variation law of pollution factors with time before grouting

3.2 注浆后各污染因子的扩散范围及浓度分布

垃圾填埋场区注浆帷幕采用纯水泥浆液以封堵泄漏位置，防渗系数取为1.17×10-7m/d，通过在MODFLOW 中设置弱透水边界来表示注浆防渗帷幕。在受控工况下（注浆后），尽管污染物持续产生，但是由于防渗帷幕的低渗透性，垃圾填埋场内的污染物浓度难以穿过防渗帷幕，因此对周边地下水环境影响较小，高浓度扩散范围基本维持在填埋场附近（图6、7）。但防渗帷幕对地下水具有阻隔作用，长期运行后，填埋场西南侧和东侧的污染质仍然会由于水位的升高而外渗，对周边的地下水环境造成一定程度的影响。

图6 注浆后氨氮在地下水中污染运移范围Fig.6 Migration range of ammonia nitrogen in groundwater after grouting

图7 注浆后硝酸盐在地下水中污染运移范围Fig.7 Migration range of nitrate in groundwater after grouting

填埋场在水平防渗与垂直防渗均修复好的情况，运行期间渗滤液污染物运移范围较小。氨氮浓度超标范围最大为705.75 m，最大影响距离为885.28 m；硝酸盐浓度超标范围最大为498.34 m，最大影响距离为705.54 m，如表3 所示。模拟期间污染物影响范围未到达居民区，但长期运行15年后南侧和东侧的污染物影响距离会有所增加。

表3 注浆后各污染因子随时间的变化规律 mTab.3 Variation law of pollution factors with time after grouting

4 结 论

（1）本文基于GIS平台，结合MODFLOW 和MT3DMS程序包建立了地下水渗流场和溶质运移数值模型。通过对山东省某长期运行的垃圾填埋场产生的氨氮和硝酸盐污染物进行模拟预测，证明了该方法是评估注浆前后填埋场对周边地下水污染情况的有效手段。

（2）注浆前氨氮最大超标范围为1 929.61 m，硝酸盐最大超标范围为1 613.14 m。由于污染物的不断泄露补给，垃圾填埋场附近的污染物浓度持续保持较高的水平，会对周边地下水环境造成比较严重的影响。

（3）注浆后氨氮最大超标范围为705.75 m，硝酸盐最大超标范围为498.34 m。注浆后，风险源被堵住，污染通道被切断，污染源得到控制住，下游污染浓度逐渐下降。注浆区域污染范围缩小，污染程度等有明显的改善。随时间的推移不会出现注浆前的严重污染情况，但东侧和南侧在长期运行后会由于水位的升高对周边地下水环境造成一定的影响，需要进行注浆加固以防止侧渗。