危险废物填埋场地下水污染污染物迁移模拟研究

陈晓娟　孙欣阳

摘要：危险废物填埋场地下水污染污染物的迁移具有不确定性，难以进行精准模拟，因此提出危险废物填埋场地下水污染污染物迁移模拟方法。结合研究区地质和水文条件，划定地下水数值模拟范围，并根据其构建非稳定地下水流系统数学模型实现边界与含水层概化处理。结合概化结果实施网格剖分并生成研究区的三维网格模型，并以三维网格模型和Visual Modflow为基础，模拟了铬、铅的迁移过程，实现危险废物填埋场地下水污染污染物迁移模拟。实验结果表明：该方法能够准确模拟1000天、1460天、7300天后铬、铅的迁移过程，可以为危险废物处理提供科学依据。

关键词：危险废物填埋场；模拟范围；地下水污染；边界概化；含水层概化

中图分类号：X523 文献标志码：A

前言

随着人口密度和城市化水平的增加，地下水成为了重点开发对象，并引起了广泛关注。地下水的质量和数量经常受到人类活动的影响，尤其是危险废物填埋场可能对地下水造成污染，进而影响其他地区。随着城镇化水平的提高，垃圾处理成为一个难题，人们开始采用卫生填埋的方式来处理垃圾，但这也可能对地下水质量造成影响。因此，需要加强对地下水质量和危险废物填埋场的监测和研究。基于这一背景，对危险废物填埋场地下水污染和污染物迁移模拟进行研究，以保障地下水资源的安全和可持续利用。

针对填埋场地下水污染迁移模拟问题，由于地下水污染迁移问题已经逐渐受到人们的关注，因此对该问题的研究也逐渐丰富起来。文献[3]中提出了一种垃圾填埋场渗滤液变密度地下水溶质运移模拟方法。该方法主要应用MODFLOW中的SEAWA工模块搭建了变密度地下水溶质运移模拟模型，并与其他模型进行了对比。文献[4]提出了一种基于Visual Modf-low的填埋场地下水污染迁移研究方法。该方法搭建了溶质迁移与地下水水流模拟模型，并通过模型对保定地区某填埋场污染物迁移扩散情况实施预测。现总结并借鉴以上研究成果，对危险废物填埋场地下水污染污染物迁移模拟问题进行深入研究。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区为涉铬化工企业专用的危险废物填埋场。该填埋场东侧、西侧、南侧三面围山，危险废物均填埋于沟谷中，并在其北侧修筑了坝体作为拦渣坝。坝体总高度为49.5m，顶部高程为212.6m，底部高程为152.5m，外坝坡度为36°。修筑了一个护坝，高程为175m，长62m，宽36m，以加固外坝。

填埋场的海拔约200m，沟宽达500m，深度为150m，填埋容量可达2800万立方米。在渣场下游，修筑了渗滤液池，容积为12000立方米，用于同收主坝渗滤液，在必要时还可以将其作为事故应急池。在下游两百米处，修筑了不透性拦水坝，用于防止长江同水浸泡护坝与主坝的坝基。

该危险废物填埋场已建造超过十年，场地内泥岩层厚度在5.5-22.5m之间，属弱透水层，渗透系数为4.1×10-8cm/s，未进行人工防渗。研究区附近有一条较大规模的河流，内部边界处有一个季节性冲沟，整体水量较小，作为排水渠使用。内部东侧有一个小规模河流穿过，流量约为0.6-1.2万立方米／天，丰水期与枯水期流量差异较大。

1.2 地下水数值模拟

1.2.1 模型模拟范围

结合研究区地质和水文条件，划定地下水数值模拟范围，选取包含研究区的一个独立水文地质单元。所划定的模拟范围总面积为4.68km2，东西向两侧的距离为2055m，南北向两侧的距离为2380m。在划定的数值模拟范围上，叠加1：10000的水文地质图，并在叠加后的底图上进行赋值、模拟和预测。

1.2.2 地下水数学模型构建

以模拟范围的基础渗流方程和水文地质概念模型为基础，结合水文地质参数、地下水动态变化状态、地下水补给排放关系、地下水类型以及危险废物填埋场的边界条件，将模拟范围概化为一个空间三维、非均质各向异性的非稳定地下水流系统。用式（1）来表示其地下水数学模型：

式（1）中，ζ表示水力坡度；E表示地下水渗流地区；F表示水位标高；laa表示x方向上对应的渗透系数分量；a表示坐标轴x方向上地下水的坐标；γs表示贮水率；T表示时间；lbb表示y方向上对应的渗透系数分量；F（a，6，c，T）T=0表示水头初始时刻函数；b表示坐标轴y方向上地下水的坐标；g表示单位体积流量，也就是源汇项；lcc表示z方向上对应的渗透系数分量；c表示坐标轴。方向上地下水坐标。

就此完成模拟范围地下水数学模型的搭建。

1.2.3 确定模拟期

选定模拟时长为20年，对输出模型步长实施调整，并严格控制各次运算中的迭代误差。

1.2.4 边界概化与含水层概化

为实现更加准确的模拟范围水文地质条件概化，在确定模型边界时需要遵循自然边界原则。研究区附近的大规模河流被定义为定水头边界，研究区内的小规模河流被定义为河流边界，南侧的连绵丘包被定义为零通量边界。这三个边界与北侧的山构成了一个独立的排、径、补系统的水文地质单元，具体见图1。

就此完成边界条件概化工作。模拟范围以砂泥岩互层（含少量砂岩）为主，靠近定水头边界的区域小范围覆盖第四系土层，第四系土层下为砂泥岩互层（以泥岩为主）。由于第四系土层的覆盖范围小，因此在综合考虑后，忽略该部分。按照砂泥岩互层（含少量砂岩）的风化程度，对模拟范围内含水层的垂向进行概化，共概化为三层结构，分别为潜水含水层、弱透水层和相对隔水层。这样，模拟范围就被概化为各向异性、非均质的含水介质。

1.2.5 网格剖分

以正东方为x轴，正上方为z轴，正北方为y轴，构建模拟范围的三维直角坐标系统。根据含水层概化结果，将模拟范围模型纵向划分为三层，第一层、第二层和第三层的模拟高程差分别为30m、50m、50m。在平面上，对每层进行剖分，使其被剖分为60×60的网格，各网格的面积为47m×41m。

以模拟范围的水文地质勘查图为依据，通过ArcCIS提取模拟范围的高程，并在visual MODF-LOW中导入高程数据，使用距离反比法空间插值法在地下水数学模型中导人高程数据，生成研究区域的三维网格模型，见图2。

生成模型后，还需要细化加密研究区及周边区域网格，将各网格横向、纵向细化为原网格的五分之一，各网格的面积变为9m×8m，最终模型纵向剖分列数为184列，横向剖分行数为123行，离散单元格数为63254个。

完成模拟范围三维网格模型的构建后，依据其水文地质条件实施水文地质条件的赋值。其中主要水文地质参数的获取是通过水文地质试验来实现的。选择研究区内的一口监测井作为室外抽水试验井，实施单孔稳定流抽水试验，并通过计算监测井各参数获取上部含水层对应水文地质参数，具体如下：含水层顶板埋深7.62m，含水层底板埋深52.30m，含水层厚度42.68m，水位降深14.86m，涌水量81.54m3/d，单位涌水量0.052L/s．m，渗透系数0.586m/d，影响半径152.63m，给水度0.0032，水的极限埋藏深度5.2m。

根据区域水文地质调查的结果，将大气降水入渗系数取值定为0.27。同时，通过保守性参数对模拟范围实施弥散度赋值，也就是选取最大值对危险废物填埋场下游范围污染情况进行预测。赋值结果如下：横向弥散系数1.2m2/d，纵向弥散系数12m2/d，横向／纵向弥散系数比率0.1。就此完成水文地质条件的赋值。

1.3 污染物迁移模拟

通过三维溶质运移模拟，描述危险废物填埋场地下水污染物的迁移情况。依据现有资料获得迁移中的溶质浓度数据。

首先通过数学模型描述溶质在三维空间中的迁移过程，其迁移过程基于三维水动力弥散方程，具体如式（2）：

式（2）中，ai表示沿直角坐标系横轴向的距离；η表示地层介质孔隙度；V表示地下水组分的对应溶解相浓度；aj表示沿直角坐标系纵轴向的距离；Rij表示水动力弥散系数张量；Ps表示单位体积含水层流量；ui表示孔隙平均水流速；Vs表示源或汇水流内的组分浓度；∑Lm表示化学反应项。

将研究区作为污染源，其他区域不产生污染物补给，将研究区补给浓度值用V0来表示。模拟范围的污染物迁移模拟初始条件具体如式（3）：

式（3）中，（xa，yb，zc，0）表示研究区坐标；（x，y，z，0）表示其他地方坐标。

将模拟区域边界的弥散通量定为0。

考虑在最不利情况下，即渗滤液池池底防渗膜有一定破损或填埋场防渗膜失效后，污染物在地下水中的迁移情况。分别测试此时铬、铅在渗滤液进水水质中的浓度，具体结果如下：铬在渗滤液进水水质中的浓度为0.001mg/L-0.008mg/L，铅在渗滤液进水水质中的浓度为0.006mg/L-0.015mg/L。铬、铅在危险废物填埋场地下水污染中的普遍存在，具有潜在危害性和迁移特性，对地下水环境安全构成潜在威胁，因此选择铬、铅作为模拟指标。

在赋值后的三维网格模型下，使用Visual mud-flow中的MT3D模块实施铬、铅的迁移模拟。将求解方式设置为GCG隐式求解，并将1000天、1460天（4年）、7300天（20年）这三个时间段作为模拟输出时间。选择1000天、1460天和7300天作为模拟输出时间，是为了观察铬和铅在地下水中的长期迁移过程。首先，通过1000天的模拟可以观察到污染物的较早期迁移情况，以便及时采取必要的控制和干预措施。其次，在选择1460天（4年）作为模拟输出时间后，可以评估铬和铅对地下水环境长期的影响，包括迁移速率、扩散范围等因素的演变情况。最后，选择7300天（20年）作为第三个时间点，则能够更全面地观察到铬和铅在地下水中的迁移情况，为长期污染治理与管理提供科学依据。综合这些不同时间点的观察，能够更全面地了解污染物的迁移过程，为危险废物填埋场地下水污染的治理提供科学依据，并且帮助制定相应的管理策略和措施。

2 数值模拟结果与影响探究

2.1 铬迁移模拟结果

在最不利条件下，1000天、1460天、7300天后的铬迁移模拟结果见图3。

其中颜色越深表明铬的浓度越高，颜色越浅表明铬的浓度越低。根据图4的铬迁移模拟结果，1000天后铬逐渐向西南方即定头水边界方向扩散，1460天后铬的扩散范围变大，7300天后扩散程度向西南方大幅扩展。

2.2 铅迁移模拟结果

在最不利条件下，1000天、1460天、7300天后的铅迁移模拟结果见图4。

图4的铅迁移模拟结果表明，1000天后铅同样逐渐向西南方扩散，1460天后铅的迁移范围变大，7300天后铅的迁移范围向西南方大幅扩展。而相比铬，可以看出铅的迁移范围在东西方向上明显更小，在南北方向上则比较接近。

3 结束语

危险废物填埋场是一种潜在的污染源，对其污染物的迁移情况实施科学地模拟，以合理预测污染物的迁移范围及其污染物对周围环境的影响是非常有必要的。文章根据研究区的地质和水文条件，确定地下水数值模拟的范围，并建立了非稳定地下水流系统的数学模型，包括边界和含水层的概化处理。之后根据概化结果进行了网格剖分，生成了研究区的三维网格模型。利用该模型和Visual Modflow软件，模拟了铬和铅的迁移过程，实现对危险废物填埋场地下水污染和污染物迁移的模拟。应用文章方法对某危险废物填埋场地下水中的铬和铅的迁移情况进行模拟，获取了铬、铅的迁移范围和影响范围，取得了一定研究成果。这些研究成果对于填埋场的环境保护和治理具有重要的意义。