安全填埋场地下水环境影响评价情景优化设置

杨志勇，胡 勇，2，陆垂裕，于赢东

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

安全填埋场地下水环境影响评价情景优化设置

杨志勇1，胡 勇1，2，陆垂裕1，于赢东1

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201620）

在安全填埋场的地下水环境影响评价中，污染途径、边界条件、控制方程等均存在不确定性。本文首先对这些造成环境影响评价结果不确定性的来源进行了定性识别。随后以某安全填埋场为例，采用多参数序列表达不确定性来源及程度，通过构建多套模拟情景，采用MODFLOW和MT3DMS进行数值模拟。计算结果表明：对以垂向运动为主的地下水系统，丰、平、枯等地下水流场对地下水中污染物的浓度增量、空间分布范围影响较小，地下水流场情景设置可简化，仅设丰、平两组；污染负荷是控制地下水污染物浓度的关键因素，其中地下水中有机物受污染范围由渗滤液负荷范围决定，且受污染物吸附-降解特性等反应项参数影响，渗滤液中重金属的影响范围由水力弥散度等弥散项参数决定。

情景设置；地下水；影响评价；危险固废；安全填埋场

1 研究背景

当前，我国危险固体废物处于快速新增和历史贮存的重合期，急需规划、新建一批填埋处置设施来解决不能循环利用和焚烧处置的危险固体废物［1-2］。尽管集中、安全填埋有利于防治环境污染，但是营运和封场期间的安全填埋场是重要的地下水污染源和风险源之一［1，3］。因此，在建设前需要详细论证安全填埋场的环境风险来源、准确模拟和评价其对地下水影响，以规避其潜在不良影响。由于数值方法能高效求解复杂的地下水控制方程、处理灵活的边界条件等优势，基于其建立通用地下水模型（如MODFLOW）或专用填埋场模型（如HELP、EPACMTP）等在地下水模拟预测中得到广泛应用［4-7］。同时，环境影响评价具有预测属性，难以准确预估地下水流场及污染物迁移转化及分布，即地下水环境影响评价具有不确定性，影响评价结论的有效性和应对措施的合理性。梁婕等［8］总结地下水环境系统的不确定性，采用高斯随机场描述渗透系数空间变异性，并建立基于随机模拟的地下水污染风险模糊评价模型，方法复杂，难以直接应用于生产性项目环境影响评价。多情景分析是环境影响评价的基本方法之一，广泛应用于战略或规划环评［9-10］，用于评估在不同社会经济情景实施战略或规划的可能影响，即以表征系统可能的边界条件的不确定性为主。张岩松等［11］采用MODFLOW和MT3D定量模拟不同引水情景下水库对地下水环境影响。但是，多情景设置成倍地增加预测、模拟工作量，在保障影响评价质量的前提下，优化设置情景是降低环评工作者工作负担的重要途径［12］。

本文从渗滤液渗漏到地下水的途径入手，定性识别造成环境影响评价结果不确定性的来源，并以某安全填埋场为例，探索以参数序列来表示各来源的不确定性程度，结合MODFLOW和MT3DMS开展数值实验研究，提出安全填埋场地下水环境影响评价的情景设置优化方法，以期为类似安全填埋场地下水环境影响评价提供参考。

2 不确定源定性识别

2.1 污染途径通常，固体废物含水、稳定化过程新生水、废物层降水、日覆盖/中间覆盖层入渗水受重力驱动向下运动形成渗滤液，遇到水力传导度较低的防渗系统时蓄积形成滞水层，主要被渗滤液收集系统收集［13］。但是，防渗膜面上弥散和防渗膜破损处对流-弥散会造成渗滤液渗漏和污染物迁移（图1），而制造/施工过程差错、膜间缝隙、突发事件（如地震等）也会造成防渗系统短期失效［14-15］。同时防渗膜制造、施工及预埋过程中刺穿破损处的大小、形态、数量、分布等具有不确定性，难以定位渗漏位置和计算渗漏量。安全填埋场建设、营运期间，废物层、防渗膜、压实黏土层等限制了库底地下水入渗补给、蒸发排泄（图1）。地下水导排收集系统新增了人工排泄途径，部分受污染地下水随其排泄。库区地下水位的下降会引发地下水流向变化，进而影响污染物的迁移转化分布。同时，压实黏土层等也改变了包气带土壤质地、水力参数，进而影响渗滤液穿透包气带时间。

图1 剖面水分运动示意

2.2 边界条件区域降水、蒸发、温度等年内和年际变化影响地下水流场的补给、径流和排泄，平原型填埋场受其影响更加显著，且上述过程具有随机性，难以准确预测未来地下水流场边界条件。同时，污染负荷的边界也存在不确定性：安全填埋场以集中建设为主，服务企业类型多样，污染物类型和数量多变；渗滤液来源有降水、废物含水和新生水，水分来源间接影响到渗滤液产生量及水质；随着填埋时间的推移，上层新生渗滤液和下层废物的反应时间增长，会造成收集系统收集及渗漏至地下水渗滤液和新鲜渗滤液的水质存在差异；由于防渗膜破损处汇水功能及优先通道特性，不仅接受其正上方渗滤液，也会汇集周围部分渗滤液，这将增大渗漏量［1，8］，见图2。

2.3 控制方程及参数穿透库底包气带的渗滤液和地下水混合后，渗滤液中污染物随地下水径流发生对流-弥散作用，并且污染物之间及与地下水、土壤质粒间的反应影响污染物形态［16-17］。通常，以对流项、弥散项、反应项和源汇项等表达上述过程，以对流-弥散-反应方程表示污染物迁移转化过程［18］，但是：（1）难以准确预测降水、河流及内源等污染物浓度，即难以确定地下水中污染物的源汇项；（2）弥散度与污染物类型、土壤属性、研究尺度等因素相关，且土柱尺度和野外尺度相差数个数量级［19］，说明水力弥散等参数不确定性；（3）采用液-固两相表面分配及一阶速率反应简化反应项时［18］，忽略了渗滤液多相复杂组分反应，且室内测算的反应速率能否直接应用于地下水环境有待进一步验证。

3 典型安全填埋场地下水环境影响评价案例研究

3.1 研究区概况典型安全填埋场位于杭州湾南岸，属于肖绍甬滨海平原地貌，经水文地质报告探明区域基岩埋深约为80 m，地下水系统为第四系松散土类孔隙潜水、上更新统中段冲积砂、砂砾石孔隙承压水和上更新统下段冲积砂、砂砾石孔隙承压水等3层结构。采用40～60 m网度均匀布置勘察孔（图3台地处），勘察结果显示工程区土壤包括3个工程地质层：表层由层厚为0～8 m冲填土构成，仅存在于台地上，次层主要由粉质黏土、砂质粉土等组成，层厚约18 m，最下层为淤泥质粉质黏土层，层厚在6 m以上。由于低渗透性、巨厚淤泥质黏土层的阻隔，填埋场渗滤液基本不影响承压含水层组，所以本文将潜水作为主要研究对象。区域地下水埋深约0.30～5.10 m，地下水年变幅小于2.0 m，在第二工程地质层的黏质粉土亚层2-1’内波动。主体填埋设施（以下简称库区）坐落于台地上，拟分两期建设、营运，西区为一期工程，面积2.2万m2，营运期6年，东区为二期工程，面积为1.4万m2，营运期4年。地基承载力分析建议库底置于2-2’黏质粉土层，其高程略低于平均地下水位，不能满足［20］对库底高于地下水位3 m以内要求，以厚约1 m压实黏土层为隔水层、辅之以地下水导排层和收集系统排泄底部汇集的地下水来控制不利影响，采用双层HDPE防渗膜强化防渗并及时经渗滤液收集系统收集处置。

图3 研究区概况及概化

3.2 水文地质模型概化填埋场南、西南、东南侧与工业园区隔河相望，北、西北侧滩涂形成了连通杭州湾的排水沟，西北侧构筑较周围滩涂高约6 m的道路；填埋场周边以排水沟、河流、道路等为界，构成相对独立的水文地质单元，以包含该水文地质单元的长2080 m、宽1500 m的矩形区域为研究区。将河流、排水沟分别视作定水头边界，并以MODFLOW河流、排水沟边界来处理，西北侧道路当作是零通量边界。上边界为潜水面，受补排量控制，其补给和排泄方式分别以大气降水、渗滤液下渗和蒸发、向低洼地径流等为主，下边界以巨厚的淤泥质土层顶为界，概化为隔水边界。由于设计库底高程位于第二工程地质层，且第三层为巨厚淤泥质黏质土壤，因此将含水层垂向简化为一层结构。

以区域水文地质报告及钻孔勘测数据预估研究区水文地质参数，并以台地周围8口水位监测井实测水位数据（监测频率：次/5 d，时间范围2012年全年）率定预估参数，模拟水位和实测水位的RMS均小于5%，经验证的水文地质参数结果见表1。且水量平衡核算结果表明，研究区地下水以垂向入渗补给和蒸发排泄为主，河流侧向补给、排泄及排水沟排泄量小，且水平向径流速度小。

表1 主要水文地质参数

3.3 典型情景设置

3.3.1 填埋场营运对地下水流场的影响 安全填埋场设计服务年限为10年，与为参数验证构建的基准情景（模拟时段为2002—2011年）时长相同。以基准情景为基础，根据施工图修正库区地表地形，假设并设置蒸发速率、入渗补给通量等为0，用以表征填埋场对入渗和蒸发的极限阻隔作用，增加库底地下水人工排泄途径，构建安全填埋场施工/营运期对地下水流场影响的模拟情景，称为流场模拟情景。对比基准情景和流场模拟情景的研究区水位输出结果，分析施工/营运期的填埋场对地下水流场影响。若流场模拟情景和基准情景的地下水流场模拟结果差异较小，认为污染途径不确定性对评价结果的影响较小。

3.3.2 典型不确定源定量表征 结合定性分析结果和MODFLOW、MT3DMS适用范围，设置地下水流场、污染负荷、污染物参数序列等三类不确定源数据序列，暂不考虑控制方程等不确定源。采用正交模拟方法，由3组地下水流场、2组污染负荷、2组污染物参数等构成12套情景。

在率定和验证研究区地下水系统参数的基础上，采用P-Ⅲ曲线拟合长系列实测降水频率数据，确定丰水年、平水年、枯水年等典型地下水流场情景［23］，典型年降水入渗补给和蒸发排泄等边界条件的结果见图4，用以说明地下水流场情景对地下水中污染物迁移转化的影响。

图4 典型流场情景下的月入渗补给和蒸发速率

在拟进场处置废物的厂家满负荷和半停产等工况时，分别随机取样3份混合。根据拟进场废物量进行人工配比废物，开展室内淋溶试验。分析渗滤液成分和浓度，结合污染物生物毒性和化学毒性水平［22］，确定废物中待模拟污染物种类，并以某种污染物极大浓度作为渗滤液浓度水平。对典型安全填埋场，汞和酞酸酯分别是拟进场废物中浓度较高、毒性较大的重金属/有机污染物代表，作为代表性污染物进行预测分析。通常，防渗膜破损面积远较库区面积小，且破损位置具有随机特征，将破损处对流-弥散运移折合成整个防渗膜的弥散作用，前者可采用Darcy定律进行计算［24］。由于制造、施工和预埋的防渗膜破损状况相差很大，J.P.Giroud等［25］调研美国的填埋场土工膜防渗系统，发现约4047 m2防渗膜存在1～30个（平均值为10个）孔径约为0.1 cm2的小孔。据此，设置高、底渗滤液渗漏量，结合渗滤液中污染物浓度水平计算污染物负荷水平，见表2。且封场后污染物负荷记为营运期间负荷的20%。

以国内外已建填埋场实测数据为基础，建立地下水介质中弥散度、污染物吸附、一阶速率反应系数等污染物迁移-转化-反应特征参数序列，并以上述序列的中位值或极值（最大弥散度、最小污染物吸附速率和一阶速率反应系数）设置渗滤液影响地下水的一般、潜在影响的污染物参数［20，22，26-27］，用以研究迁移-转化-反应参数在地下水环境影响评价中的作用，结果见表2。

表2 污染物负荷及迁移转化特性

4 结果与讨论

4.1 安全填埋场对地下水流场影响分析将库底地下水人工排泄过程概化为井流出流，通过调节出流量达到库区地下水位的控制要求（库底高程±10%），并以流场模拟情景和基准情景间地下水位差值来表征填埋场对地下水流场的影响。分别统计5年末、10年末等时间节点，研究区地下水位受影响的面积、范围及程度，结果见图5—图6。对于两个时间节点，分别有31.24万m2和41.63万m2区域水位降幅分别超过0.043 m和0.0465 m（累积频率为95%），增幅趋缓，说明影响趋于稳定，地下水流场逐步形成新的稳态。影响区域以台地为主，且对库区地下水位影响较大，南侧和东侧延伸至部分河段，但未改变地下水和河流间的补排关系，北侧未延伸至排水沟，西侧滩涂在两时间节点的受影响面积和范围基本相同。

图5 地下水位受影响程度的累积面积

图6 受影响地下水的空间分布

4.2 参数敏感性分析一期工程营运中期、二期工程营运前期、二期工程营运末期及封场后5年等4个时间节点（表中分别简称为一期中、二期初、二期末及封场期）将工程划分为营运前期、营运后期、扩建工程营运后期、封场期等时段，汞和酞酸酯等污染物的极大浓度增量、受影响面积、受影响区域内平均浓度增量（以下简称平均浓度增量）等项目，结果见表3—表4，分析结果详述如下。

表3 典型时间节点地下水中汞浓度增量和影响面积（增量单位：mg·m-3，面积单位：hm2）

表4 典型时间节点地下水中酞酸酯浓度增量和影响面积（增量单位：mg·m ，面积单位：hm）

4.2.1 地下水流场影响 地下水流场情景微弱地影响受影响范围、极大浓度增量、平均浓度增量，受影响面积呈现“丰水年＞平水年＞枯水年”规律，极大浓度增量和平均增量与之相反，但不同流场中同一个统计项的相对差值小于5%。各地下水流场情景极大浓度增量差值时间序列为斜率为正的线性序列，即随着时间推移，地下水流场在污染物极大浓度增量的作用稳步增强；但受影响面积及与之关联的平均浓度增量差值序列均与时间相关关系不显著，原因在于受影响面积为离散序列（100 m2的整数倍）或去除无意义负浓度等过程中人为引入了误差。

4.2.2 污染负荷的影响 污染负荷包括污染负荷量和分布两个参数。污染负荷量不改变污染物影响范围，但决定受影响区域的污染物极大/平均浓度增量。其中，不同污染负荷水平下，汞的浓度增量比和其污染负荷比相同，而酞酸酯的浓度增量稍大于污染负荷比（约0.35%），后者可能源于固-液两相酞酸酯的降解特性差异显著。但是，上述影响小至可以忽略，认为污染负荷量决定了污染物浓度增量。污染负荷分布（即库区范围）改变了受影响地下水的空间范围，二期工程投入营运后受影响范围陡增，对酞酸酯等吸附参数较大污染物更为明显。

4.2.3 污染物特性和弥散度影响 污染物特性和弥散度影响地下水介质中污染物的极大浓度增量及受影响面积，进而影响平均浓度增量。考虑吸附作用前后，汞的极大浓度增量相差约1倍，但随着时间推移，增幅趋缓；不同弥散度水平下，汞的影响面积相差约1倍，并以二期工程为分水岭呈间歇性增长，原因在于二期工程投入营运后整个库区的比周长（周长/面积）减小。相对于重金属汞，酞酸酯浓度增量受污染物特性参数影响更大，且日趋显著，是降解、吸附特性较大差异造成的，而有机物各单体上述性质差异明显，在地下水环境影响评价中需要重点关注。

5 结论和展望

（1）建设、营运的填埋场减小库区地下水入渗补给、蒸发排泄通量，增加地下水导排系统的人工排泄途径，但是其对地下水流场影响局限于局部空间范围，作为地下水环评导则要求的I类项目开展环评；（2）对以“潜水蒸发-入渗补给”垂向运动为主地下水系统，丰、平、枯等地下水流场对地下水中污染物的浓度增量、空间分布范围影响较小，对该类型区域来说，可以简化地下水流场情景设置，如仅设置丰、平等两组地下水流场情景；（3）污染负荷是控制地下水污染物浓度增量的关键因素，其中地下水中有机物受污染范围由渗滤液负荷范围决定，且受污染物吸附-降解特性等反应项参数影响，渗滤液中重金属的影响范围由水力弥散度等弥散项参数决定，所以开展原位试验明确弥散度参数是开展地下水环境影响评价的重要工作。

本文根据情景模拟结果对比分析得出相关结论，需要结合安全填埋场营运/封场时实际监测结果进一步验证情景设置的有效性，尤其是变异性较大的污染物特性、弥散度等参数。

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Improved simulatingscenario of groundwater environment impact assessment of secure landfill

YANG Zhi-Yong1，HU Yong1，2，LU Chui-Yu1，YU Ying-Dong1
（1.State Key Laboratory of Water Cycle Simulation and Regulation，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The EIA of secure landfill is confronted with uncertainties caused by pollution way，boundarycon⁃ditionand controlling equation.With the secure landfilllocated in Hangzhou Bay as an example，this paper established several models with inputparameters expressing the source and degree of uncertainties.MOD⁃FLOW and MT3DMS were used for numerically solving the models.In the place where the groundwater flow is vertical-dominated，flow fieldscenariosaffect pollutant concentrationsin the groundwater and areas im⁃pacted by the landfill to some degree.Therefore，flow fieldscenarios of such landfill EIA could be simpli⁃fied into two scenarios：high flow year and normal year.The pollutant concentration in the groundwater is up to the leachateload of the landfill.Meanwhile，the organic matter’s concentration is influenced by adsorp⁃tion reaction items，while the heavy metal’sconcentration is affected by hydraulic dispersion parameters sig⁃nificantly.

simulating scenario；groundwater；EIA；hazardous solid wastes；landfill disposal

X705；X828

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.010

1672-3031（2014）02-0176-09

（责任编辑：韩 昆）

2013-11-08

创新方法工作专项课题（2009IM020100，2011IM011000）

杨志勇（1979-），男，湖南常德人，博士，高级工程师，主要从事气候变化对水资源影响研究。E-mail：yangzy@iwhr.com