基于过程模拟的地下水污染风险评价方法研究

刘增超,董 军,何连生,席北斗,孟 睿,李一葳 ,严刚刚(.中国环境科学研究院水环境系统工程研究室,北京 000；.吉林大学环境与资源学院,吉林 长春 3006)

我国早期建设的填埋场大多为简易垃圾填埋场,主要依靠天然土层进行防渗[1],产生的垃圾渗滤液具有水质成分复杂、污染物浓度大、水质水量变化明显等特点,对地下水及周边环境均存在着较大的污染风险.进行简易垃圾填埋场地下水污染风险评价对于地下水污染预防与有效监管具有十分重要的意义.

地下水污染风险是指地下水受到污染的概率[2],评价的目的是确定地下水污染风险的大小,并努力将风险降至可接受的最低程度.目前,地下水污染风险评价的主要方法是基于地下水脆弱性评价[3-6],已有研究表明,地下水脆弱性仅反映了地层对地下水保护性的强弱,评价方法主观性较强,难以准确反映地下水系统的污染风险水平.近年来,研究人员在地下水脆弱性评价的基础上,增加了地下水保护管理、土地利用类型等要素的评价[7-9],其成果为地下水管理决策提供了重要依据.但总体上,没有考虑污染物在包气带、饱和带内随地下水流迁移转化过程,影响了地下水污染风险评价结果的合理性.

本研究以抽水井作为评价对象,评价范围包括填埋场、包气带、饱和带及地下水系统.通过对简易垃圾填埋场污染地下水过程的系统分析,确定了地下水污染风险评价因子,构建了基于过程模拟的污染物迁移转化数学模型,建立了简易垃圾填埋场地下水污染风险评价方法.旨在为不同场地类型、不同地质条件的简易垃圾填埋场地下水污染风险评价与风险管理提供决策支持.

1 简易垃圾填埋场地下水污染风险分析

基于简易垃圾填埋场渗滤液污染地下水的过程分析,建立简易垃圾填埋场地下水污染风险分析概念模型,如图1所示.

图1 简易垃圾填埋场地下水污染风险分析概念模型Fig.1 Risk analysis conceptual model of groundwater pollution by simple waste landfill

从图1中可以看出,简易垃圾填埋场地下水污染风险主要由填埋场、包气带及饱和带3个因素决定.

垃圾填埋场渗滤液是地下水最重要的污染源[10-11].垃圾渗滤液中含有高浓度悬浮物和高浓度有机或无机成分,渗滤液水质随气候、垃圾成分、填埋年限、填埋方式、水文地质等因素的影响而显著变化.垃圾渗滤液产生量、污染物浓度等因素均影响地下水污染风险水平.

包气带是连接填埋场与地下水系统的枢纽,几乎所有的污染物都必须经过包气带才能传输到地下水系统,是含有水、固、气三相的特殊流体系统,能够延缓污染物到达地下水面的过程,起着重要的屏障作用.包气带的厚度、岩性等因素均影响地下水污染风险水平.

垃圾填埋场渗滤液污染物随地下水流的迁移对地下水系统造成污染,含水层对渗滤液污染物衰减的影响主要来自溶解、稀释、水动力弥散、降解等作用.含水层岩性、水力传导系数等因素均影响地下水污染风险水平.

2 方法的构建

2.1 确定风险评价方法

目前,常用的地下水污染风险评价方法有3类,分别是迭置指数法、统计方法和过程数学模拟法[12-15].迭置指数法目前使用较为普遍,具有评价方法简单、评价参数容易获取等优点,缺点是评价因子的评分与权重体系多基于经验方法获得,客观性和科学性较差;统计方法的优点是能够客观的筛选出地下水污染的主要影响因素,并在回归方程中给出适当的权重值,避免了专家评判的主观性,缺点是没有涉及污染发生的基本过程,进行评价时必须有足够的监测资料和信息;过程数学模拟法既可以描述地下水污染物的迁移转化过程,又可以估计污染物的时空分布情况,且许多模拟结果是量化的,如污染物迁移时间、污染物浓度及污染面积等.因此,本研究采用基于过程模拟的方法对地下水污染进行风险评价,尽管描述污染物迁移转化的模型很多[16],但目前还没有更多地应用在地下水污染风险评价中.

2.2 选择风险评价因子

研究表明,垃圾渗滤液中的污染物成分复杂[17-18],污染物在包气带和饱和带中会发生一系列物理、化学和生物反应,导致部分污染物改变其物理和化学形态,在过程模拟中很难对其迁移转化过程进行准确模拟,从而影响地下水污染风险评价的准确性.垃圾渗滤液中的氯离子具有很高的溶解度,几乎不参与任何地球化学作用,即使在浓度特别高的情况下也可以与水分子同时在包气带中迁移;氯离子没有挥发性,当水分蒸发时,氯离子则被保留在包气带水中,其浓度与蒸发消耗的水量成正比;另外,植物对氯离子吸收也不明显.因此,氯离子是包气带和饱和带中最稳定的垃圾渗滤液污染物,其迁移范围体现了垃圾渗滤液污染物在地下水中的最大污染范围,能够反映简易垃圾填埋场对地下水抽水井的最大污染风险[19],本研究选用氯离子作为地下水污染风险评价的评价因子.

2.3 风险评价因子浓度计算

按照污染物从填埋场进入并流经包气带和饱和带的整个迁移路径,氯离子浓度计算主要有填埋场源头、地下水面处、抽水井3个位置.

2.3.1 填埋场源头 氯离子浓度用垃圾渗滤液多次平均氯离子浓度(Ck)来表示.

式中:C1,C2,…,Cn为n次垃圾渗滤液氯离子测量浓度;n为垃圾渗滤液氯离子浓度测量次数.

2.3.2 地下水面处 简易垃圾填埋场地下水面处氯离子浓度计算采用氯离子均衡法[20-21].氯离子主要通过垃圾渗滤液、降雨、干沉降、灌溉及施肥等途径进入包气带,根据质量守恒定律,建立简易垃圾填埋场包气带氯质量平衡方程:

式中:Wk为垃圾渗滤液氯质量,mg;Wp为降水中氯质量,mg;Wi为干沉降量,mg;Wd为灌溉水中氯质量,mg;Wf为肥料中的氯质量,mg;Ws为地下水面处氯质量,mg;Wm为矿物吸附氯质量,mg;Wo为植物吸收氯质量,mg.

通过分析发现,简易垃圾填埋场由于没有采取防渗措施,垃圾渗滤液产生量较大,且渗滤液中氯离子浓度很高,导致Wk较大;而填埋场面积相对较小,由降水、干沉降、灌溉等产生的氯质量远远小于垃圾渗滤液产生的氯质量,故认为Wp、Wi及Wd可以忽略;我国大部分地区所施肥料主要是尿素和二胺,基本不含氯,可认为Wf=0;包气带介质对氯离子基本呈惰性,即Wm=0;另外,一般植物基本不吸收氯离子,Wo也可以忽略.因此,公式(2)可简化为:

公式(3)可写成下列形式:

式中:Qk为垃圾渗滤液年平均日产生量,m3/d;Qs为垃圾渗滤液年平均日渗漏量,m3/d;Cs为地下水面处垃圾渗滤液氯离子浓度,mg/L.

垃圾渗滤液实际产生量受降雨、蒸发、径流以及填埋场面积等因素影响,要准确预测渗滤液产生量非常困难.目前国内外已有多种计算方法,本研究采用年平均日降水量法[22],假设研究区内有m个简易垃圾填埋场,则:

式中:I为年平均日降雨量,mm/d;A1,A2,…,Am分别为m个填埋场的面积,m2;B1,B2,…,Bm分别为m个填埋场垃圾渗滤液的渗出系数.

垃圾渗滤液渗漏量通过达西定律计算[23],即:

式中:Qs为渗滤液渗漏量,m3/d;Ks为土体渗透系数,m/d;T为渗滤液产出时间,d;A为渗滤液渗漏面积,m3;D为粘土层厚度,m.

2.3.3 抽水井内 本研究采用Visual Modflow软件中的MT3DMS模块对渗滤液中氯离子在含水层中迁移转化进行模拟,该软件能够较好的模拟污染物在饱和带中的迁移转化,并且适用于大多数地下水环境[24-26].将简易垃圾填埋场地下水面处的垃圾渗滤液实际入渗量和氯离子浓度分别作为地下水流动模型和溶质运移模型的上边界条件,通过建立地下水流模型及溶质运移模型,对抽水井中的氯离子浓度进行计算.

含水层水流模型的基本方程为:

式中:Kx、Ky、Kz为渗透系数在x、y和z方向上的分量,m/d;h为水头,m;W为汇源项,即单位体积流量,L/d,S为孔隙介质的贮水率,1/m;t为时间,d.

污染物溶质运移模型的基本方程为:

式中:C为地下水污染物浓度,kg/m3;θ为介质的孔隙率,无单位;t为时间,d;xi、xj为沿直角坐标轴的距离,m;D为水动力弥散系数,m2/d;V为地下水实际流速,m/d;q为单位体积含水层流量,L/d;Cs为源或汇水流中污染物浓度,kg/m3;∑R为化学反应项,kg/(m3·d).

2.4 风险评价等级划分

通过过程模拟可以得到地下水抽水井氯离子浓度值(Cr),参照《地下水质量标准》[27]中氯化物指标划分标准对风险等级进行划分,考虑到垃圾渗滤液中污染物成分较多,且含有多种有毒有害物质,地下水一旦被垃圾渗滤液污染,地下水水质将会受到严重影响.因此,本研究将简易垃圾填埋场地下水污染风险等级划分为4个等级,并对系统特征进行了描述,如表1所示.

表1 简易垃圾填埋场地下水污染风险分级Table 1 Classification of groundwater pollution risk by the simple waste landfill

3 案例分析

3.1 研究区概况

研究区位于某市西南郊,面积为103.68km2,如图2所示.研究区从1989年开始在取砂坑中填埋垃圾,形成了7个简易垃圾填埋场,如表2所示.虽然5号、6号场地具有底部、顶部防渗层系统,但其防渗性能并未达到卫生填埋标准,仍属于简易垃圾填埋场.

图2 研究区示意Fig.2 Schematic diagram of the study area

研究区地层结构单一,第四系沉积岩性为砂卵砾石层,由西向东逐渐增厚,东部边界处第四系厚度为60～70m;含水层岩性以砂砾石为主,厚度为11～51m,地下水径流条件较好,为潜水含水层.目前,该区枯水期地下水埋深为20～30m.

表2 研究区垃圾填埋场概况Table 2 General situation of simple waste landfill in the study area

3.2 水文地质概念模型

通过对地质条件及水文地质条件资料分析,研究区地下水可概化为非均值各向同性的潜水含水系统,降水入渗系数为0.55,开采强度为500000m3/(a·km2),含 水 层 渗 透 系 数 为 200～300m/d,给水度为0.18～0.35.地下水由西北流向东南,其西部、东部及东南部均有地下水通量存在,可概化为随时间变化的侧向补给和排泄边界;潜水含水层自由水面为系统的上边界,接受大气降水补给;其余边界没有地下水通量存在,概化为零通量边界.

3.3 模型的建立与识别

3.3.1 水流模型的建立与识别 由于研究区从1989年开始填埋垃圾,所以模拟时间从1990年1月1日开始,至2025年1月1日结束.在水文地质概念模型建立的基础上,利用Visual Modflow建立地下水流数值模型,根据研究区内3个水位观测井资料,以1999年1月1日到1999年12月31日为识别阶段,以2001年1月1日至2001年12月31日为验证阶段,对建立的地下水水流模型进行识别与验证,得到各水位观测点的水位观测值与计算值拟合曲线,如图3所示,其拟合效果较好,表明建立的水流模型能够较好的反映实际水文地质条件.

图3 观测井水位观测值与计算值拟合曲线Fig.3 Fitting curves of the observed and the calculated water leve

3.3.2 溶质运移模型的建立与识别 溶质运移模型的范围和边界位置与水流模型一致,氯离子边界浓度值为地下水面处的氯离子浓度值,假设污染源为点源连续注入,通过公式(1)～公式(6)的计算,边界浓度值约为7757.44mg/L．考虑7个简易垃圾填埋场填埋时间不同、填埋规模不同、顶底部防渗层工程措施不同等情况,利用Visual Modflow建立的溶质运移模型,根据研究区内3个浓度观测井资料,对溶质运移模型的各项参数进行运行校正,通过反复调整模型参数,得到各浓度观测点的Cl-浓度观测值与计算值拟合曲线,如图4所示,其拟合效果较好,表明建立的溶质运移模型能够较好的反映污染物运移情况.

图4 观测井Cl-浓度观测值与计算值拟合曲线Fig.4 Fitting curves of the observed and calculated Clconcentration

3.3.3 模型参数的确定 通过模拟可得含水层Cl-纵向弥散度为20,横向/纵向弥散度比率为0.1,垂向/纵向弥散度比率为0.01,达到较为理想拟合结果的模型主要参数见表3.

表3 模型最终调参结果Table 3 Parameters of the water flow model

3.4 地下水污染风险评价

假设要对简易垃圾填埋场2km处的地下水污染进行风险评价,根据研究区地下水流向,可在简易垃圾填埋场东南、正东、正南方向的2千米处各设置一个抽水井,分别记为1号抽水井、2号抽水井和3号抽水井,如图2所示,且由研究区地下水开采强度可算出抽水流量均为1370m3/d.应用建立的风险评价方法分别对3个抽水井氯离子浓度进行模拟预测,如图5所示.

结果表明,污染源与污染物迁移转化的共同作用决定了地下水污染风险等级.如图5所示,由于抽水井1在简易垃圾填埋场地下水水流方向下游,受的污染比较严重,从1999年3月开始遭受污染,氯离子浓度随着时间的增加而升高,在2002年5月达到50mg/L,预计到2025年1月,将达到133mg/L,因此,抽水井1属于较高污染风险等级,并有向高污染风险等级转化的趋势.抽水井2也是在1999年3月开始遭受污染,但氯离子浓度随着时间的增加,其升降趋势很难判定,原因是抽水井2可能处于垃圾渗滤液污染羽边缘,随着降雨量、地下水开采等因素的变化,氯离子浓度变化规律不明显,但氯离子浓度始终介于0～50mg/L之间,因此,抽水井2属于中等污染风险等级.抽水井3氯离子浓度始终为0,说明垃圾渗滤液基本没有对其造成污染,因此,抽水井3属于低污染风险等级.与该简易垃圾填埋场污染地下水的有关研究结论相符[28],证明所建立的简易垃圾填埋场地下水污染风险评价方法科学合理.

图5 抽水井氯离子浓度模拟计算值Fig.5 Calculated value of Cl-concentration in pumping well

4 结论

4.1 以地下水抽水井作为评价对象,将填埋场、包气带、饱和带及地下水系统作为评价范围,构建了简易垃圾填埋场地下水污染风险分析概念模型,确定了基于过程模拟的简易垃圾填埋场地下水污染风险评价方法.以垃圾渗滤液中氯离子为地下水污染风险评价因子,构建了填埋场源头、地下水面处、抽水井内的氯离子浓度计算数学模型,建立了简易垃圾填埋场地下水污染风险分级方法,并对各风险等级的地下水系统特征进行了描述.

4.2 利用构建的方法对我国某市简易垃圾填埋场进行了地下水污染风险评价,结果表明,污染源与污染物迁移转化的共同作用决定了地下水污染风险等级,通过对抽水井中氯离子浓度值的模拟计算,判定抽水井1属于较高污染风险等级,且有向高污染风险等级转化的趋势,抽水井2属于中等污染风险等级,抽水井3属于低污染风险等级.

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