基于MODFLOW的某垃圾场渗滤液污染模拟研究

沈碧哲

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110007)

某垃圾填埋场位于辽宁东部低山丘陵区，运行中产生的渗滤液对周围环境造成一定影响。王海龙等在研究基岩裂隙水时，发现基岩裂隙流属于复杂地下水流，和地表孔隙介质的地下水流有一定的差异，但孔隙介质流动模型研究有很多成熟的经验，而裂隙介质流动本身涉及的影响因素又很复杂，利用两者的相似点，将山区裂隙流等效多孔介质方法来研究有很好的效果。周振江等探究地下水污染防治时，认为研究地下水环境保护时，应着重研究如何高效地处理水污染问题。

有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)等地下水模拟方法现阶段应用十分广泛。本文选用Visual MODFLOW FLEX采取有限差分法对新旧2个垃圾填埋场渗滤液在地下水中的迁移范围进行模拟预测评估。在设定情景下，预测污染物COD、氨氮超标范围，及与1#支洞和2#支洞之间隧洞的防护范围的位置关系。

1 研究方法

1.1 研究区概况

垃圾场附近输水工程位于辽宁东部，由水库取水，经主输水隧洞、分支输水洞及管道自流到城市各需水企业。该段现已贯通。该隧洞2#支洞控制段上游上方为新旧2个垃圾处理厂，施工期间发现垃圾场向洞内滴渗污水，为保证将来隧洞内输水水质不受污染，设计已经采取必要确保安全的防护措施，防护段范围在1#支洞和2#支洞之间。

工程区处于山区，山体走向主要呈NE向，总体地势南东高西北低，区内地形起伏较大，山顶高程多在300～500m之间。地貌成因上以侵蚀构造地形—侵蚀断褶低山-尖顶状低山为主，基岩大部分裸露，植被发育；区内沟谷发育，多为宽缓开阔的“U”形谷。工程区出露的地层主要为页岩，并于隧洞出口处有少量分布有第四系(Q4)坡洪积物及冲洪积物等。

依据水文地质条件及垃圾场渗滤液在地下水环境中的迁移范围，在满足环境影响预测的前提下，确定本次模拟区范围，总面积约5km2，如图1所示。

图1 模拟计算区范围示意图

1.2 边界条件

模拟区没有天然水头边界，将分水岭附近的北面边界、垂直于地下水等水位线的西面和东面的边界概化为零流量边界。仅模拟区南面局部区域为流量边界，利用断面法计算流量。

该系统的上边界为地下水含水层自由水面，仅有入渗补给垂向通过该边界，将此段隧洞下部高程60m处作为此次模型的底板。

1.3 水文地质特征

(1)含水层

模拟区地层岩性单一，均为页岩，层理发育，多以水平状为主，与模拟区外部具有统一的水力联系，所以把该区域概化成单层含水层进行模拟计算。

(2)地下水流动特征

该区地下水运动以自北向南方向水平径流方式为主。根据地下水流动特点，忽略地下水流的垂向分量，进而概化为层流渗流。

1.4 地下水流数值模型的建立

(1)模型剖分及数字高程模型

本次地下水流数值模拟采用二维规则网格有限差分法进行模拟计算。计算节点在单元中心。研究区剖分为78行80列1层，对垃圾填埋场区域的有限差分网格细化2倍，水平网格大小为25m×25m，其他区域水平网格大小为50m×50m，模拟区剖分为无效矩形网格单元2020个，有效矩形网格单元4040个，合计6240个。

模型的地表高程和潜水含水层的底板用数字高程来表示。模型的顶面为地表，剔除异常高程数据，进一步采用Kriging插值法生成数字高程模型。模拟区地表数字高程模型如图2所示。

图2 模拟区地表数字高程模型

以1980年1月1日作为模型的初始流场，以月作为时间步长，并根据模型预测输水工程附近的污染水平。模拟区潜水初始流场如图3所示。

图3 模拟区潜水初始流场

1.5 模型的识别与检验

为更准确地展现地下水的变化规律，反复识别、验证模拟区的地下水系统，确保有较小的水位拟合误差。参数值见表1。

表1 模型识别与验证后参数取值表

通过拟合对比，模拟区的地下水系统的流场特征和实际水文地质条件通过该模型展示是合理可信的。

2 地下水污染模拟预测

2.1 地下水污染预测情景设定

原垃圾场于1980年投入运行，新建垃圾场于2011年竣工完成试运行。新建垃圾场设置了水平防渗和垂直防渗，不会对地下水造成新的污染；原有垃圾场已实施了封场，并采用有效措施使原有垃圾场渗沥液不对地下水造成新的污染。因此，本项目主要污染源为原垃圾场在加强防护前所产生的渗沥液。

源强计算：经调查分析，在1980—2010年期间，原有垃圾场渗沥液产生量平均为70m3/d，2011年封场以后，渗沥液产生量为18m3/d。分析工程最大风险情况，即渗沥液全部渗入地下水含水层中。渗沥液中COD、氨氮，GB 50869—2013参考《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》中规定的国内典型填埋场不同时期渗沥液水质范围上限，详见表2。

表2 评价因子及评价标准一览表 单位：mg/L

模拟预测COD和氨氮2种污染物在不同时段的影响范围，参照GB/T 14848—2017《地下水质量标准》中Ⅲ类水确定不同污染物的超标范围，详见表3。

表3 评价因子及评价标准一览表 单位：mg/L

2.2 地下水污染预测

根据污染源位置和源强大小，设定的污染泄漏情景，利用地下水溶质运移模型，分别对不同时期的污染物COD、氨氮超标范围进行预测，根据质量标准来确定超标范围及隧洞方向超标长度。

(1)COD渗漏地下水污染预测

在设定情景条件下，COD的地下水污染模拟结果如图4所示、见表4。

图4 COD含水层影响范围图

表4 COD影响范围统计表

从污染物COD预测计算结果可以看出，在极端泄露地非正常状况情景下，泄露的COD在浓度降低的同时逐步向下游扩散，核部污染物浓度高的面积随着时间增长越来越小但超标范围和隧洞方向的影响长度均随着时间的增加而增加。25550d以后，超标范围和隧洞方向的影响长度达到最大，COD污染物超标面积为487.9万m2。隧洞方向超标长度为2215m。极限条件下，超标范围在支护范围内，对隧洞影响不大。

(2)地下水中氨氮污染预测

在设定情景条件下，氨氮的地下水污染模拟结果如图5所示、见表5。

图5 氨氮含水层影响范围图

表5 氨氮影响范围统计表

从污染物氨氮预测计算结果可以看出，在极端泄露地非正常状况情景下，泄露的氨氮污染物在浓度降低的同时逐步向下游扩散，超标范围和隧洞方向的影响长度均随着时间的增加而增加，10950d以后，超标区域增速越来越缓慢。25550d以后，超标范围和隧洞方向的影响长度达到最大，氨氮污染物超标面积为331.8万m2。隧洞方向超标长度为1788m。氨氮的污染范围要小于同期的COD污染范围。极限条件下，超标范围在支护范围内，对隧洞影响不大。

3 结语

从模拟结果分析得出，由北向南，越靠近下游，污染物扩散速度越来越慢，同时其浓度也渐渐降低。隧洞上游1#支洞方向基本没有受到垃圾场渗滤液的影响。

渗滤液所产生的污染物在浓度降低的同时向下游扩散。在预测时间内，污染物COD、氨氮超标范围在1#支洞和2#支洞之间隧洞的防护范围内。

本文通过有限差分法对场区污染物运移进行了数值模拟，具有借鉴意义，但仍存在以下不足：

(1)本文参数均取极端条件下，预测范围可能比实际影响范围大。

(2)如何将MODFLOW与其他有限元建模软件(Midas等)结合使用，需做进一步研究。