基于Landsim的填埋场长期渗漏的污染风险评价

徐 亚,颜湘华,董 路,能昌信,刘玉强,黄启飞 (中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京100012)

基于Landsim的填埋场长期渗漏的污染风险评价

徐 亚,颜湘华,董 路,能昌信,刘玉强*,黄启飞 (中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京100012)

介绍了Landsim模型的基本理论及其填埋场防渗系统、导排系统长期性能变化的表征方式，在此基础上提出了填埋场长期渗漏风险的表征方式..通过Landsim和HELP模型的耦合,弥补了Landsim模型中堆体入渗计算过于简单的缺陷.运用耦合的Landsim-HELP模型评价了西南地区某危险废物填埋场的长期渗漏的地下水污染风险.结果表明,该耦合模型可以准确的评价填埋场性能变化条件下的渗漏量及其对应概率;该填埋场在短期内(1～3a)地下水被污染的概率风险较小(≤0.33),而在长期内(≥4a)被污染的风险较大(≥0.68).建议在制定填埋场的设计和运行标准时需考虑防渗膜、导排管等重要单元长期性能的变化,从而减小其长期渗漏造成的地下水污染风险.

填埋场；长期性能；地下水污染；Monte Carlo分析

据统计,我国 81.7%的固体废物都采用填埋处理[1],至2009年我国各类填埋场的数量已经达到 935个[2].因此,固体废物处置的环境后果主要通过填埋场造成,而填埋气和渗滤液的泄漏和释放是填埋场环境风险的主要表现形式[3-4].监测数据[5-7]表明,渗滤液中含有多种重金属和有机物组分,一旦发生渗漏可产生严重的环境后果.风险评价可以有效的量化填埋场渗漏的环境风险,进而通过敏感性分析指导填埋场的设计、建设和运行以降低渗漏量,减小渗漏概率,最终降低填埋处置的环境危害.近年来国内外学者开展了大量的填埋场风险评价工作[8-13],与此同时,填埋场环境风险评价相关的专业软件也发展起来,其中既有确定性的填埋场水文过程评价软件 HELP和Fill,也有不确定性的 EPACMTP、Landsim 等软件;既有定量的风险评价研究[8-11],也有半定量的指标体系方法[12-13].

上述针对填埋场的风险评价都基于防渗系统和导排系统长期性能不变的假设.而 Fleming等[14]VanGulck等[15]针对填埋场导排系统的研究表明,导排管在运行一段时间后将发生淤赌,导排介质的渗透系数也将发生数量级的衰减.国外对土工防渗材料的研究也表明,温度、紫外线照射,化学腐蚀等都会造成HDPE膜防渗性能下降,漏洞数量增多,并最终导致渗滤液渗漏量增加

[16-17].另一方面,目前填埋场污染控制相关的设计标准和技术规范,都是基于材料的现状性能制定的,没有考虑其长期性能的变化.长期来看按照现行标准设计的填埋场均存在潜在的渗漏风险.因此急需基于相关材料的长期性能变化规律,开展渗漏的长期污染风险评价研究.Landsim模型可解决填埋场长期性能变化对渗漏量及污染风险的影响[5,18-19].

本 文 拟基于 Landsim 2.5(landfill performance simulation)开展填埋场长期渗漏风险评价的研究.文章介绍了 Landsim的理论框架及其对填埋场长期性能参数的刻画,并应用该模型研究了西南地区某山区填埋场的渗漏风险,比较了其短期和长期渗漏的环境风险.

1 研究方法

1.1 Landsim简介

Landsim是由Golder Associates开发的填埋场风险评价软件,目前已在英国和威尔士等国的环境管理实践中得到广泛应用[18-21].在 Landsim中,渗滤液的渗漏风险定义为地下水被污染的程度及其对应的概率分布,并以目标观测井中污染组分浓度表征地下水污染程度.为计算浓度的概率分布, Landsim集成了一个确定性模块和一个不确定性模块,确定性模块用于刻画渗滤液及其组分产生、泄漏以及在包气带和地下水中迁移、扩散、吸附解析的物理过程;不确定性模块即Monte Carlo模块用来生成确定性模块所需的输入参数,可根据参数类型和特性灵活定义其概率分布函数.Monte Carlo方法能实现对地质环境、填埋场防渗系统和导排系统性能等相关参数不确定性的定量描述,以反映其对最终风险的影响.

1.2 模型框架

Landsim中的确定性模块包括组分溶出模型、渗漏模型和多孔介质溶质运移模型三个子模型,分别刻画堆体中污染组分的溶出过程、渗滤液的渗漏过程以及污染组分在环境介质中的迁移转化行为.确定性模块和不确定性模块之间通过图1所示方法耦合,首先由Monte Carlo算法根据参数的概率分布随机生成一组参数,将其代入到确定性模型中计算,经过多次重复计算就可得到目标观测井中污染组分浓度的概率分布.

图1 Landsim模型算法的基本流程Fig.1 Basic procedure of Landsim model

1.3 填埋场长期性能变化的模型刻画

填埋场长期性能的变化主要体现在以下 3个方面:最终覆盖层老化导致的堆体入渗量增加、导排系统失效导致的膜上饱和水位升高以及防渗膜老化导致的渗漏量增加.

1.3.1 最终覆盖层老化 覆盖层材料的老化,导致填埋场雨水入渗量增加的过程可概化如图 2所示.无覆盖入渗代表没有任何覆盖条件下的入渗量,填埋场封场覆盖以后入渗急剧减小达到设计入渗量,随着防渗材料老化入渗量逐渐增大,当覆盖层材料完全老化后达到最大值.

图2 Landsim对入渗过程的概化Fig.2 Conceptualization of infiltration in Landsim

1.3.2 导排管失效 导排管失效泛指所有生物、物理和化学因素导致的导排管淤积、堵塞和断裂,进而引起的导排不畅.当一根导排管失效,其受影响区域的最高水位会抬升 1倍;两根导排管失效,受影响区域的最高水位抬升2倍.

图3 导排管失效对饱和液位的影响Fig.3 Impact of drainage pipe on saturated table above the geomembrane

导排管失效的数量服从 Poisson分布(见式1).

其中:P为导排管失效x根的概率;k表示导排管失效的数量;λ表示失效率.

1.3.3 防渗膜老化 防渗膜老化的主要表现为漏洞数量随时间增加,本文假设HDPE膜漏洞数量在第100a开始增加,每隔250a漏洞数量增加1倍[18].

2 案例研究

2.1 填埋场基本信息

以东南沿海地区某危险废物填埋场为例.填埋场设计库容为66万m3,填埋库区库底防渗结构采用复合衬层设计.水文地质勘测资料显示,填埋场下伏承压含水层,含水层水位动态较稳定,可近似处理为稳定流.以填埋场中心为坐标原点建立坐标系,水流方向为x 轴方向,水流法线方向为y轴方向;目标观测井位于填埋场下游800m处;模型时间步长为年,步长数为1200,总计模拟1200a.

表1 模型计算所需的主要参数Table 1 Summary of main model parameters

该填埋场主要处理废物为电镀污泥和水处理污泥.对填埋样品取样进行分析后发现样品中铬、镍和铅(分别为0.01, 0.68, 0.46mg/L)超出了地下水环境质量标准(GB/T 14848)中Ⅲ类水标准限值,因此取其作为风险评价的目标污染物.

2.2 模型基本参数

Landsim所需的输入参数大致包括以下几类:入渗参数、填埋场及废物特性参数、防渗系统参数以及多孔介质水流和溶质运移参数(如表1所示).

堆体入渗量是渗滤液的直接来源,影响渗漏量和渗滤液浓度并最终影响渗滤液的地下水污染风险.本研究采用填埋场渗滤液水文特性评价模型(HELP)进行计算.Field等[22]基于HELP对多个填埋场的水文过程进行了演算,其结果表明HELP模型能较好的模拟堆体长期(如几年)的入渗规律,可用于填埋场长期渗漏的污染风险评价.

本文利用 HELP计算得到的自然入渗强度为(379±114)mm/a;封场后的入渗强度为(77.9±6.9)mm/a.

2.3 结果和讨论

2.3.1 模型基本精度验证 为验证模型基本精度,比较了观测井中实测浓度值(第2a)与模型模拟值(如图 4所示).其中铬的模拟浓度值接近0,与实测结果(未检出)的结论一致;实测的Pb和Ni都在模拟的浓度区间之内,且分别等于模拟的99%和96%分位值,这说明模拟结果基本满足要求.

图 5为膜上饱和液位(以 50%分位值表示)随时间的变化规律.膜上水位随时间逐渐增加,至1000a(设定的顶盖完全失效时间)达到最大值后不再变化.导致膜上水位随时间增加的原因有 2个:其一是因为最终覆盖层老化后渗透系数增大导致堆体入渗量增加;其二是因为导排管失效,导致侧向导排量减少,从而使膜上水位逐渐抬升.

图 6为渗滤液通过防渗系统的渗漏量(以50%分位值表示).同样的,渗漏量随着时间增加.一方面这是因为膜上漏洞逐渐增加,另一方面随着膜上饱和液位升高,膜上水力坡度增加,根据Darcy渗流定理,渗流速度等于渗透系数乘以水力坡度.在渗透系数不变的条件下,水力坡度的增加会导致渗滤液渗漏速度的增加.

图4 第2年观测井中污染组分浓度的实测值与模拟值Fig.4 Measured concentration and simulated

图5 膜上饱和液位随时间的变化Fig.5 Saturated water level above the geomembrane

图6 渗滤液渗漏强度随时间的变化Fig.6 Leaking rate of leachate through holes in geomembrane

2.3.2 污染组分随时间的变化规律 图 7为观测井中Pb和Ni浓度随时间的变化趋势.模拟初期,Pb和Ni的浓度都较低,之后随时间逐渐增大.若分别以 10%、50%和 95%分位值表示乐观情况、正常情况和最不利情况下,观测井中污染物的浓度值.以 Pb为例,乐观情况下,其浓度值在第4.5a达到地下水质量标准中3类水的Pb浓度限值(0.050mg/L),在第 7a达到最大值(0.451mg/L);正常情况下,观测井中的Pb浓度在第3.5a达到3类水限值,在第 7a达到最大值(0.453mg/L);最不利情况下,观测井中的Pb浓度在第2.5a达到地下水 3类水标准限值,在第 7a达到最大值(0.455mg/L).

图7 观测井中铅与镍浓度的历时曲线Fig.7 Historical curve of Pb and Ni concentration in

2.3.3 地下水污染风险 如上所述,地下水的污染风险表现为其被污染的程度及对应概率.若认为观测井中污染物浓度超过 3类水限值为地下水污染,那么根据其浓度值的累计概率分布,可求出地下水被污染的概率.以地下水被Ni污染为例,地下水在不同时期被污染的概率如图 8所示.在第 1,2,3,4,5,6,7,10a,地下水被污染的概率分别为0、0、0.33、0.68、0.84、0.98、0.99 和 1.

可见在填埋场运行初期(1～3a),由于防渗层粘土和包气帯的阻隔作用,渗滤液中污染组分进入地下水中的量较少,地下水被污染的概率较小.在填埋场运行后期(4a以后),渗滤液穿透粘土层和包气帯,进入地下水中,此时地下水污染概率逐渐增大,在第10a后达到最大值;第10a以后,尽管渗滤液中组分浓度逐渐衰减,但是顶盖和防渗系统的老化,以及导排管失效等事件导致渗漏量增加,两个因素同时作用下使得在相当长时期内(≥100a)地下水都存在着较大的污染风险.

图8 不同时期内地下水被污染的概率Fig.8 Probability risk of groundwater to be contaminated in different time

3 结论

3.1 仅就本填埋场而言,在短期内(1～3a)导致地下水被污染的风险较小(污染概率≤0.33);而在长期内(大于等于 4a)地下水被污染的风险较大(污染概率≥0.68),至第10a达到最大值(污染概率=1).

3.2 填埋场的设计和运行标准需考虑其防渗膜、导排管等重要单元长期性能的变化,在现有基础上适当提高防渗标准从而减小其长期渗漏的风险.

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Pollution risk assessment of long-term leaking in landfill-based on the Landsim model.

XU Ya, YAN Xiang-hua, DONG Lu, NAI Chang-xing, LIU Yu-qiang*, HUANG Qi-fei
(Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1355～1360

This paper briefly introduced the basic theory framework of Landsim with especial focus on its way to conceptualize long-term performances of cap layer, liner layer and drainage pipe. The infiltration module of HELP model was introduced to couple with Landsim to improve its accuracy of infiltration calculation. This coupled model was then applied to assess the long-term leaking risk of a hazardous waste landfill in the Southwest China. The measured concentration of target contaminant falls in the range of predicted value. The groundwater pollution risk caused by the leachate leakage was ignorable in short-term(1～3year) with the pollution probability smaller than or equal to 0.33, but large in long-term (≥4year) with the pollution probability larger than or equal to 0.68. The case study suggest that insetting the national standards and guidelines about the design and operation of landfill, the long-term change of cap layer, liner layer and drainage pipe should be taken into consideration to reduce the risk of leachate leakage.

landfill; long-term performance; groundwater pollution; Monte Carlo simulation

X820.4

A

1000-6923(2014)05-1355-06

2013-07-28

国家环境保护公益性行业科研专项(201209022);2012年度院所基本科研业务专项(2012YSKY16)

* 责任作者, 工程师, liuyq@craes.org.cn

徐 亚(1985-),男,湖南岳阳人,工程师,硕士,主要从事固体废物管理和环境风险评价工作.发表论文10余篇.