基于敏感性分析的危险废物填埋场工程和地质屏障参数优化设计分析

方志强

（朔州职业技术学院，山西 朔州 036002）

截至2020年，我国危险废物的产生量高达9 000 万t。填埋是固废物处置的主要手段，其成本低，操作便捷，但是在填埋场设计期间会出现渗滤液渗漏的问题，这是一种危险废物在化学或生物反应下形成的高污染液体，一旦渗入地下水，将会给土壤与地下水造成污染。所以，有必要对填埋场进行优化设计，合理选择各项参数，判断其中的敏感性，确保泄漏风险降到最低。

1 危险废物填埋场工程地下水概况

以地下水环境保护为目标，确定工程地下水环境的大致情况，以此满足渗滤液渗漏预测模型的建立要求。研究区以等水位线、地下水流线为界，东部边界按照等水位线进行划定，西部按照河流边界来划定，其他的边界按照地下水流线来划定，最终可确定危险废物填埋场区域面积共计53.89 km²。危险废物无害化处理的始终是解决全球性环境问题的重点，各国家多数会采用填埋的处理手段，以此降低危险废物泄漏风险，但是填埋场的设计比较复杂，机械性损坏与化学老化会造成土工膜的性能逐渐退化，因此泄漏事故与污染问题时有发生。有必要对填埋场的工程地质屏障进行优化设计［1］。

2 模型与方法

2.1 构建代表性场景

为了有效控制渗滤液向地下水的渗漏风险，各国纷纷对填埋场地质屏障提出了强制性设计标准，比如美国与中国要求导排层的坡度不能低于0.02，渗透系数必须在1.0×10-1cm/s以上，因此，本文决定选择过程模拟方法，以参数的敏感性分析为前提，对填埋场工程和地质屏障的各项参数进行优化选取与设计，从中选出最佳取值［2］。

构建代表性场景，识别不同参数的敏感性程度，模拟出真实情况下渗滤液向地下水和土壤内渗漏的场景与地下水污染场景，按照相关污染控制标准，从上至下进行几部分的划分，具体情况如下：（1）封场覆盖系统，其中的分层主要包含覆盖层，材质为细砂壤土，厚度0.6 m；雨水导排系统，材质为粗砂，厚度0.2 m；防渗系统上层材质为HDPE膜，厚度0.001 m，下层材质为黏土，厚度0.3 m。（2）危险废物层，该部分的厚度为7 m。（3）主渗滤液防渗与导排系统，其中包含导排层、系统上层与下层三部分。导排层选用卵石材料，厚度为0.3 m；系统上层材质为黏土，厚度0.6 m；系统下层材质为HDPE膜，厚度0.001 m。（4）次渗滤液防渗与导排系统，其中包含导排介质、系统上层与下层三部分。导排介质主要为排水网材料，厚度0.006 m；系统上层选用HDPE膜，厚度0.001 m；系统下层为黏土材料，厚度为0.99 m。

2.2 基于过程模拟的渗滤液渗漏与污染预测

2.2.1 渗滤液渗漏预测模型

在填埋场内设计雨水防渗、渗滤液导排防渗系统，可有效降低渗漏液带来的风险问题，但污染问题依然存在，这是因为HDPE膜在安装和后期使用期间会出现不同程度的破损，渗滤液会经过破损的地方逐渐渗漏与扩散。

经过室内渗漏模拟实验与仿真分析［3］，确立渗漏速率计算公式，再结合我国填埋场内“两层HDPE膜+一层CCL压实黏土衬层”的结构，渗滤液的渗漏速率计算公式如下：

上述公式当中，Q指的是渗滤液向地下水与土壤内的渗漏速率，单位为m3/s；a为HDPE膜的破损面积，单位为m2；ks是CCL水力传导率，单位为m/s；Ls为CCL厚度，单位为m；hw指的是HDPE膜上渗滤液的高度，单位为m；N是膜上的破洞密度，单位为holes/（104m2），通常针眼孔的尺寸为1 mm，破洞密度为2.5～5.4 holes/（104m2），小孔的尺寸在10～25.5 mm左右，破洞密度为2.5～22 holes/（104 m2）；S指的是填埋场底部面积，单位为104 m2；βc为HDPE和CCL衬层的接触系数，良好状态下取值0.21，非良好状态下取值1.15。

2.2.2 渗滤液浓度衰变模型

填埋场内的渗滤液是废物堆放与填埋期间，在废物压实与雨水渗流的共同作用下产生的高浓度液体，这类液体具有有机和无机两种成分。随着自然降雨在填埋场淋溶，废弃物内部的有害组分会产生不同程度的耗损，同时渗滤液污染物浓度下降，这一期间可采用源项衰减模型来描述渗滤液浓度的衰变过程，具体如下：

公式当中，Ct指的是在t时渗滤液内有害物的浓度，单位为mg/L；C0指的是渗滤液有害物质初始浓度，单位为mg/L；λ指的是有害物浓度变化系数，单位为10-7m-3a-1；t指的是时间，单位为a；i是渗滤液的渗透速率，单位为mm/a；Wd和Wfe分别指的是废物深度与现场容量，单位分别为m和104m3。

2.2.3 渗滤液与危害组分在土壤—地下水中迁移转化预测

当污染物在包气带与地下水介质内进行前移与分布期间，会同时受到水流稀释与衰减效应的影响，这里提到的衰减效应就是指降解与吸附，在土壤—水系统内，水流稀释效应和衰减效应能够通过以下工程来表述：

上述公式当中，x指的是沿着渗滤液流动方向的路径距离，单位为m；c指的是距离在x、时间在t的情况下污染物实际浓度，单位为mg/L；v指的是地下水的流速，单位为m/s；n指的是有效孔隙度；R和γ分别为衰减因子和一阶衰减率，单位s-1；DL指的是流体动力学的纵向弥散系数，单位为m2/s，最小值为0.012 m2/s，此时含水层厚度2.7 m，地下水的流速为10 m/a。最大值为12 m2/s，此时含水层厚度43.2 m，地下水的流速为150 m/a；a指的是介质的分散度，单位为m；Dm指的是分子的扩散系数，单位为m2/s。

当边界条件不同时，对流与扩散方程的解析式也会有所差异，针对渗滤液的渗漏边界条件，假设污染物的浓度按照上述公式中的规律进行衰减，那么经过拉普拉斯变换之后，解析过程大致如下：

上述公式当中，c(x,t)指的是模拟污染物的迁移初始浓度，单位为mg/L；cd为模拟污染物迁移之后的浓度，单位为mg/L；μ为特征根。以上两个公式适用于渗漏条件内，填埋场的防渗层下方污染物迁移时根据公式计算得出包气带底部和地下水内的污染物浓度，各项参数的取值大致如下：Ks=1×10-7m/s；LS=0.6 m；S=3 ha；i=78 mm/a；Wd=20 m，Wfe=0.5 104m3。

3 模拟参数对污染物浓度的影响

3.1 导排支管间距

了解导排支管间距在不同的情况下污染物浓度的大致空间分布情况，随着间距增加，污染物浓度也会随之增加。比如间距为240 m的时候，支管间距从5 m上升到10～100 m，此时污染物浓度也从最初的4×10-6mg/L上涨到了1.65×10-5g/L。出现这一情况的原因是导排支管间距增加，导致渗滤液渗流的途径延长。所以，防渗膜上的渗滤液饱和水位上升，同时水头压也会上升。按照“达西渗流定律”得知当渗流量增加的时候，地下水受到渗滤液污染的程度也会明显加剧。

3.2 导排层坡度

导排层的厚度在增加的过程中，井内污染物的浓度逐渐缩小。比如在240 m位置，导排层的坡度从最初的0.01提高到0.16，而污染物的浓度也从5.67×10-6mg/L下降到1.36×10-5mg/L。出现这一变化的原因主要是导排层坡度加大，而介质内水力坡度也会增加，这就会使导排层侧向的导排能力提高，而防渗膜处渗滤液的饱和水位降低，此时渗漏量也会因此而减少。

3.3 导排层渗透系数

根据相关标准规定，要求填埋场内导排层渗透系数不能低于0.1 cm/s，但是渗滤液内会存在悬浮颗粒与钙镁离子，这些物质的存在会造成淤堵现象，有时导排层的渗透系数会因此降低3个数量级。导排层渗透系数降低，污染物浓度上升，在含水层内其他区域的污染物浓度增加。这是因为渗透系数在减小的同时，导排层的侧向排水能力有所减弱，所以渗滤液的饱和水位与渗漏量都有所增加。

4 地质屏障参数优化

4.1 参数的敏感性分析

计算得出为敏感性的分析结果，可知导排支管间距在从5 m提高到100 m的时候，污染物的浓度增加到了1.17×10-5mg/L，增加速率达到了1.23×10-7mg/（L·m）。间距会对渗滤液导排途径长度造成影响。如果填埋场的面积相同，间距越大，导排途径就越长，此时渗滤液的最高水位就会增加，同时水压也会加大，这就会导致填埋场内面临着严峻的渗漏风险［4］。

导排层的坡度从0.01提高到0.04，污染物浓度也降低到了6.31×10-6mg/L。导排层的渗透系数从最初的0.000 1 cm/s提高到了0.01 cm/s，此时污染物的浓度会以0.2（mg·s）/（L·cm）的速度下降到1.96×10-4mg/L。渗透系数如果进一步加大，这一变化会对污染物浓度产生较小的影响，甚至可以忽略不计。经过研究得知，导排层的坡度与渗透系数在增加期间，渗滤液导排效率明显提高，渗滤液的饱和液位降低，这会让污染物浓度有所减少［5］。

天然衬层的渗透系数增加到1.0×10-6cm/s，污染物的浓度也增加到3.3×10-5mg/L，经过计算，得知增加速度是33.74（mg·s）/（L·cm）。渗透系数从1.0×10-6cm/s增加到5.0×10-5cm/s时，此时增加速率降低，只有11.75（mg·s）/（L·cm）。这就说明天然衬层的渗透系数对于渗滤液向地下水内与土壤内的渗漏风险有着一定的控制作用，会对渗漏于地下水内的穿透时间产生影响。

含水层厚度提高到5.4 m，污染物浓度降低到1.55×10-5mg/L，减小速率5.74×10-6mg/（L·m）。地下水的流速增加时，污染物浓度下降，减小速度为4.03×10-7（mg·a）/（L·m）。

在敏感性指数方面，导排支管间距的敏感性指数为0.865；导排层坡度的敏感性指数为-0.418；导排层渗透系数的敏感性指数为-0.378；天然衬层坡度的敏感性指数为-0.401；含水层厚度的敏感性指数为-0.563；地下水流速的敏感性指数为-0.267。其中导排支管间距敏感性最大，其次是含水层的厚度与导排层坡度。

4.2 参数的敏感区间和推荐取值

在敏感区间内选择合适的参数值，这是控制污染的关键。要求导排支管间距取值为10-25 m，坡度取值为0.02～0.03，渗透系数取值0.000 5～0.001 cm/s。天然衬层的渗透系数取值为5.0×10-7～1.0×10-6cm/s，含水层厚度取值为2.7～5.44 m，地下水的流速取值为20～50 m/a。

5 结语

总而言之，近年来，我国工业化发展进程逐步加快，人们对自然资源的消耗量日益增加，而危险废物的产生量也是以万吨级的速度增长。各项参数对于污染风险有着不同的敏感性，经过研究得知，敏感性最大的是导排支管的间距，最小的是地下水流速，随后可采用指标体系方法进行风险评估分析，以此最终判断填埋场工程内地下水的风险情况。