宁蒗县城生活垃圾填埋场地下水污染调查及风险评价

肖志才,李阳辉,孟 菲

(1.丽江师范高等专科学校,云南 丽江 674199;2.宁蒗县生态环境监测站,云南 丽江 674300;3.云南省生态环境厅驻丽江市生态环境监测站,云南 丽江 674100)

0 引言

当前填埋仍是中国处理生活垃圾的主要方式之一[1-2]。近年来国内外垃圾渗滤液污染地下水事件频繁被报道[3-7],尤其随着垃圾填埋场使用年限的增长,垃圾渗滤液渗漏导致地下水污染问题日益加剧[8-9]。地下水资源作为重要的饮用水源,一旦遭受污染,将难以有效恢复[10-11]。针对垃圾填埋场渗滤液渗漏事件,目前常用环境工程手段进行污染治理和补救[12-13],而这样的措施往往是治标不治本。因此,本研究以已污染地下水的宁蒗县城垃圾填埋场为实例,开展水文地质调查和钻井地下水水质检测,深入研究垃圾渗滤液污染地下水特征,全面研判填埋场及周边地下水污染风险,为填埋区地下水污染防治提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

宁蒗县城生活垃圾填埋场(下文简称“填埋场”)位于县城北约12 km处。最高点位于场地北西侧山脊处,海拔为2 699 m;最低点位于场地下游阿家大河,海拔为2 194 m。填埋场气候属于低纬度高原季风气候,气候垂直分带明显,旱涝分明。每年6月至9月为雨季,占全年降水量的70%以上,年均气温15.2 ℃,年均降雨量939.3 mm。所属县域地表水系发育,主要河流有25条,均属金沙江水系。从区域上看,属滇西纵谷山原区兰坪高山峡谷亚区地貌单元,地势总体西北高、东南低。地貌以冰蚀、侵蚀和剥蚀地貌为主,山脉、水系和山间盆地均受构造控制。场区内地势西南较高、东北稍低,西侧靠着山体。

填埋场面积约10×104m2,设计库容为75×104m3,设计使用年限为20年;于2010年10月建成并投入使用后,按要求在2013年底前补充完成渗滤液处理站建设,并于2017年底进行垃圾填埋场一期工程竣工封场。2021年,填埋场地下水监测已显示垃圾渗滤液存在渗漏情况。为深入研究垃圾渗滤液污染地下水特征,全面研判填埋场及周边地下水污染风险,本研究开展了水文地质调查和地下水水质检测。

1.2 地质概况

如图1所示,填埋场及周边以出露碳酸盐岩地层、碎屑岩地层为主。以F1断裂为界,东侧分布二叠系上统黑泥哨组(Ph)玄武岩,三叠系下统腊美组(Tl)泥岩、长石砂岩,三叠系中统北衙组(Tb)灰岩、泥灰岩夹粉砂岩、板岩,古近系始新统宁蒗组(En)紫红色砾岩、砂岩,第四系松散孔隙层(Q4);西侧分布二叠系下统栖霞茅口组(Pq+m)生物碎屑灰岩,二叠系下统西漂落组(Px)玄武岩及透镜状灰岩。

图1 垃圾填埋场地质图及钻探点位示意图

研究区在大地构造上处于康滇“歹”字型构造体系中部,构造单元上属于扬子准地台盐源-丽江台缘坳陷。地质构造上以向北东方向收敛的弧形断裂系为主,具多期活动的特点。区内断层密集分布,填埋场地东侧约0.15 km处存在一条南西—北东向展布的正断层F1。断层两盘主要出露二叠系、三叠系地层,沿断层线岩层普遍破碎,对填埋场地下水有导水作用。

1.3 水文地质条件

根据地层岩性、水力性质,结合区域水文地质资料分析,填埋场及周边地下水主要有第四系松散岩层孔隙水、基岩裂隙水和岩溶水3种。松散岩层孔隙水主要分布于缓坡及箐沟地带,其富水性受季节变化影响较大,无固定出水点。碎屑岩裂隙含水层为二叠系黑泥哨组凝灰岩、灰岩和煤线,第三系宁蒗组紫红色灰质角砾岩;火成岩裂隙含水层为二叠系西漂落组发育风化裂隙的杏仁状玄武岩夹凝灰质页岩。岩溶水在二叠系栖霞茅口组灰岩强烈发育。经调查,填埋场周边地下水补给方式主要有大气降雨垂直补给、基岩裂隙水侧向补给、孔隙水下渗补给3种。裂隙含水层在陡缓交界处以散泉的形式排泄,岩溶含水层主要以天然泉形式集中排泄。

2 水文地质钻探

实地调查发现填埋场西侧为栖霞茅口组白云岩,东侧为西漂落组玄武岩,两套地层的分界线位于填埋场西侧约100 m处,西漂落组玄武岩与下伏地层栖霞茅口组为整合接触;垃圾填埋场整体设置在西漂落组玄武岩地层上。本研究开展的水文地质调查钻孔点位布设如图1所示。

针对第四系含水层进行以下钻孔点位的布设:在二期垃圾填埋区布设钻孔ZK01,在渗滤液调节池布设钻孔ZK03、ZK05、ZK06,为了分析第四系含水层受影响的距离,在场区下游315 m和421 m处分别布设了钻孔ZK10、ZK11。为了查明垃圾填埋场所处地下水系统的埋深、分布、运移及水动力特征,于2022年5月份完成4眼水文地质钻井(ZK04、ZK07、ZK08、ZK09)。ZK04位于填埋场渗滤液调节池内,孔深为40.3 m,水位埋深16.0 m;ZK07、ZK08、ZK09均位于垃圾填埋场下游,孔深分别为40.5 m、41.0 m、35.5 m,水位埋深分别为3.4 m、31.7 m、6.4 m。其中ZK08水位埋深最大,最大揭露深度上还未揭穿西漂落组玄武岩,钻探工程完成后成井工作选择西漂落组玄武岩开筛。

填埋场原始地形为一条冲沟,ZK01揭露的填埋区第四系冲洪积层厚度为16.5 m,场地中部第四系较厚,最大揭露厚度为23.4 m。两侧第四系较薄,一般厚度在0.5～4.8 m。钻孔揭示场区下伏基岩为西漂落组风化玄武岩。实验室测定的ZK01钻孔样品获取二期填埋区底部第四系地层渗透系数平均值为3.69×10-5cm/s;ZK04钻孔获取渗滤液调节池底部地层渗透系数:第四系粉质粘土层为4.53×10-6cm/s,第四系卵砾石夹粉质粘土层为7.23×10-1cm/s,西漂落组玄武岩层为2.18×10-4cm/s;ZK07钻孔获取渗滤液处理站出水收集池第四系地层渗透系数平均值为1.24×10-6cm/s。因第四系局部存在透水性较差的粉质粘土,在接受大气降水后可形成上层滞水。故场地内地下水类型主要为第四系上层滞水和火成岩裂隙水。现场抽水试验获取风化玄武岩层的渗透系数在1.12×10-4～ 3.01×10-4cm/s,均值为2.03×10-4cm/s,其渗透性为中等透水。本研究中水文地质钻探结果见表1。

表1 垃圾填埋场水文地质钻探及水质超标情况

3 地下水水质

项目区场地所在沟谷地下水主要以岩浆岩基岩裂隙水为主,但孔隙水与裂隙水互通。生活垃圾填埋场填埋区的生活垃圾露天进行堆放,雨水汇集在填埋区中,长期浸泡生活垃圾。由于垃圾填埋场的一期填埋区建库时间较长,可能导致填埋区池底部分防渗工程受到破坏,渗滤液进入下伏地层,故导排管中的水呈黑色,有异味。为查明填埋场对不同含水层造成的影响,分别对第四系含水层和西漂落组火成岩裂隙含水层进行钻孔布点获取相应含水层的水样进行水质分析。

对以上钻井地下水进行了pH值、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总硬度(TH)、溶解性总固体(TDS)、挥发酚(VP)、阴离子表面活性剂、高锰酸盐指数(CODMn)、硝酸盐氮(NO3-N)、亚硝酸盐氮(NO2-N)、氨氮(NH3-N)、氟化物、氰化物、总大肠菌群(TCG)、六六六、滴滴涕、p,p′-DDT、六氯苯、三氯甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、四氯化碳、氯乙烯、氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、苯并(a)芘、二氯甲烷、K、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、Hg、As、Se、Cd、Cr6+、Pb、SO42-、Cl-、CO32-、HCO3-,共49项水质化学指标检测(表1)。

根据《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)中的III类标准,在表1中统计了水质超标项目及其超标倍数。结果反映,填埋场第四系含水层水质已被污染,其中填埋区和靠近填埋区一侧的渗滤液调节池的监测项目超标倍数较大(ZK01和ZK03)。而在填埋区下游的第四系含水层中除NH3-N、Cr6+和TCG监测项目超标外,别的监测项目均未超标。西漂落组火成岩裂隙含水层地下水除Fe、NH3-N、Cr6+、TCG监测项目超标外,别的监测项目均未超标。可见垃圾填埋场对火成岩裂隙含水层造成了一定的污染。

4 污染物的运移

研究区的地下水类型主要是碎屑岩和火成岩裂隙水,其基岩含水层不发育岩溶管道,地下水运动基本符合达西定律,故可采用解析法预测污染物在包气带残积层中的运移。

根据现场抽水试验和实验室测定结果,包气带的入渗系数K约为3.19 ×10-2m/d。由于渗滤液基本是垂直入渗的,其水力坡度S为1,土层的孔隙率e取实验室平均值0.79,则实际渗流速度u为:

u=V/ne=KS/e=3.19×10-2×1/0.79=4.04×10-2(m/d)

那么,垃圾场渗滤液穿透包气带土层达玄武岩裂隙含水层所需时间t为:

t=H/u=16.5/4.04×102=408.42(d)=1.12(a)

显然垃圾渗滤液很快穿透包气带残积黏土层到达深部裂隙含水层中,进而造成地下水的污染。垃圾渗滤液中TCG、CODMn和VP超标明显,由于有机污染物在包气带下渗过程中被微生物充分分解,同时被下覆含水层稀释,故在玄武岩裂隙中后两者不再显示超标现象,TCG浓度也大幅降低。而NH3-N、NO3-N、NO2-N、Cr6+、Fe、Mn、As、Cd等无机污染物,在下渗过程中被包气带黏土层微小孔隙所筛留和吸附,在玄武岩裂隙中不显示超标或浓度降低。从监测结果看,NH3-N、Cr6+和Fe相对容易污染地下水,而其他无机污染物在基岩裂隙水中还没有达到超标的浓度。然而,污染物在基岩裂隙中的运移模拟研究表明,如果垃圾渗滤液持续渗漏,经过数年甚至数百年以后,污染场地下游地下水种会出现更多污染物不同程度的超标现象[13],即更多污染物存在潜在的污染风险。

5 地下水污染风险评价

导致地下水遭受污染最根本的原因是垃圾填埋场自身污染风险较大和地下水含水层防污性能较差[14]。依据污染源特征和水文地质特点对地下水污染风险大小进行评价,以期为垃圾填埋场的管理和污染修复提供指导和依据。即通过对填埋场污染特征以及对含水层脆弱性的研究,实现对污染风险评价。

5.1 填埋场特性

结合垃圾填埋场建设要求和管理规范,本研究选取场地规模、底侧部防渗、渗滤液收集系统、顶部覆盖、垃圾类型、垃圾压实程度、填埋场年龄7个因素作为评价填埋场特性的风险因子。每种评价因子的评分Ri和权重Wi以及风险分级标准参照文献[14],可得该生活垃圾填埋场各风险因子评分及风险指数(表2)。计算得填埋场总体风险指数为7.9,属于大于6而小于10的风险等级区间,为污染风险“较高”等级。其中,垃圾类型、场地规模、顶部覆盖、底侧部防渗等风险因子为主要影响因素。

表2 垃圾填埋场特性风险评价得分情况

5.2 含水层脆弱性

含水层脆弱性采用美国环境保护局(EPA)开发的DRASTIC模型。该模型提供两组指标体系,一组适用于普通条件下的地下水脆弱性评价;另一组则用于农业活动强烈区。根据填埋场周边农业活动较少的情况,采用第一组指标体系,主要考虑以下7个指标:地下水位、含水层净补给量、含水层介质、土壤类型、地形坡度、包气带介质的影响、渗透系数。这些指标的评分范围Rj为1～10;每个指标可根据其对地下水脆弱性影响的重要性赋予相应的权重Wj(1～5)。二者乘积即为各指标脆弱性指数得分Ij[14]。该填埋场各脆弱性因子评分及脆弱指数如表3所示。计算以上7个指标的加权总和得填埋场含水层总体脆弱指数为139,属于大于105而小于146的“中等”脆弱指数分级区间,为“容易污染”类型。其中,地下水位、含水层介质和包气带介质等脆弱性因子为主要影响因素。

表3 垃圾填埋场含水层脆弱性评价得分情况

6 结论与讨论

6.1 结论

(1)填埋场区地下水类型主要为碎屑岩和火成岩裂隙水,二者相互连通。填埋区底部第四系地层渗透系数均值为3.69×10-5cm/s,而风化玄武岩层的渗透系数均值为2.03×10-4cm/s,其渗透性为中等透水。

(2)对钻井揭露的地下水进行了49项化学水质检测,结果显示,填埋区及渗滤液调节池第四系含水层的超标项目较多、超标倍数较大。而填埋区下游的第四系含水层中除NH3-N、Cr6+和TCG超标外,别的监测项目均未超标;火成岩基岩裂隙含水层除Fe、NH3-N、Cr6+和TCG超标外,别的项目均未超标。

(3)污染物运移计算结果显示,垃圾渗滤液一年后可以穿透包气带到达深部裂隙含水层中,进而造成地下水的污染。而不同性质的污染物在含水层中经历不同的物理、化学及生物作用,在下渗和运移过程中,造成地下水污染的难易程度有明显差异。

(4)对填埋场污染特征以及对含水层脆弱性的研究表明,填埋场总体属于“较高”污染风险等级。其中,垃圾类型、场地规模、顶部覆盖、底侧部防渗等风险因子为主要影响因素。而填埋场含水层总体脆弱指数属于“容易污染”类型。其中,地下水位、含水层介质和包气带介质等脆弱性因子为主要影响因素。

6.2 讨论

(1)针对填埋区及渗滤液调节池第四系含水层的超标项目较多、超标倍数较大,建议采取应急措施收集污染地下水进行水质净化工程,如好氧降解、原位开采、分类处置、场地恢复等综合修复治理措施,保证达标排放。

(2)填埋场在远未达到设计使用年限的情况下,已经出现渗滤液渗漏现象,可能与填埋场前期工程措施不规范、工程质量不达标有关。因此,后期运行维护过程中要严格遵守相关管理规范,周期性开展土壤和地下水环境监测,最大限度降低污染风险,保障居民饮用水安全。

(3)填埋场封场后尽快采用人工防渗材料和粘土防渗相结合的顶部防渗盖层,并尽快做好生态恢复,减少雨水侵入,从而减少渗滤液的产生量。

目前看来,宁蒗县生活垃圾填埋场出现的渗滤液污染地下水的情况不是个例,在全国很多垃圾填埋场中也有显示污染地下水问题。基于水文地质调查和地下水水质检测,验证垃圾渗滤液穿透包气带到达基岩裂隙含水层中,进而造成地下水污染的依据科学合理,具有实践指导意义。