基于GMS软件对某废渣填埋场地下水污染的研究

李亮,吴静, 徐世光,2, 张志勇

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093； 2.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041)

冶炼废渣处理是云南省矿产行业的常见问题，且省内多采取建立填埋场方式来处理固体废渣。但废渣一旦发生泄漏将会使地下水污染，将造成严重的环境污染，危害社会[1]。对于填埋场污染问题研究，目前主流的方法是通过计算机软件建立地质模型，以此来模拟预测地下水污染状况[2]。GMS软件在地下水溶质运移模拟方面有成熟的应用，很适合处理本次研究问题[3,4]。

目前，研究区的工程地质、自然环境等方面已有较为详尽的资料，但在地下水方面没有进行过系统的分析研究。本研究应用GMS建立研究区的溶质(污染物)运移模型来探索污染物迁移的规律、确认污染扩散时间和范围，弥补研究区对地下水研究方面的不足，并在此基础上建立场地的污染监控体系。同时为其他类似场地的污染模拟、监测工作提供参考。

1 研究对象概况

1.1 研究区水文地质条件

研究区位于滇东高原和滇西横断山脉结合部位、建水盆地绵羊冲水库东南侧。如图1中蓝线区域所示，北侧为仙人洞富水块段，南侧为团结水库，东侧和西侧为地表水分水岭，是一个相对独立的水文地质单元。研究区大面积出露地层为第四系(Q4)松散层，厚度约为22～25 m，岩性为冲、洪积粘土、砂土，为孔隙含水层；而深层是岩性为灰岩和白云岩的泥盆系中统(D2dn)地层，为岩溶含水层。两套地层之间水力联系紧密，可概化为统一的含水体系。松散层含水层主要接受大气降雨补给，地下水径流较快，以蒸发排泄为主；岩溶含水层主要接受大气降雨补给及松散层入渗补给，地下水总体上自北东向南西径流，最终流入水库或民用井抽水进行排泄。

图1 研究区三维地貌图

1.2 研究区地下水水质

在废渣填埋场周围采集6组水样，采样及化验严格按照国家有关规范进行[5]，水质化验结果见表1。

表1 废渣填埋场附近地下水质分析结果一览表 单位:(mg/l)

注：“检出限+ ND”为检测结果低于分析方法检出限。

由表1的水质分析可知，研究区域内的地下水资源并未受到污染。且通过调查，在研究区内未发现其他污染源。

1.3 废渣填埋场概况

填埋场处于径流区，为半地填埋式，占地面积约为15 000 m2，深4.5 m，总库容15 000 m3，由10个填埋区组成，共设置2个检漏井。废渣主要源于铝矿加工，经淋滤作用可能产生氟化物和氰化物等含有害成份的浸出液。在填埋场北东侧和南侧设3个50 m深的水文地质勘察钻孔，具体位置分布如图1中所示。

2 地下水流动模型的建立

2.1 研究区概念模型

将研究区含水层结构概化为2层，第一层对应第四系松散层，地下水类型为孔隙水；第二层为岩溶含水层,地下水类型为潜水。其边界条件概化为：北侧为定流量边界，西侧和东侧为隔水边界，南侧为定水头边界。废渣填埋场是本次评价的主要污染源，污染迁移模拟过程中将这个污染源作为排放面源进行模拟。研究区总面积约为5.06 km2，研究区地下水流系统概化为非均质各向异性三维稳定流。

2.2 数学模型

通过对研究区水文地质概念模型的分析，当不考虑水的密度的变化时，描述地下水流三维非均质各项异性含水层时，控制方程[2～6]为：

式中,Kxx,Kyy和Kzz分别为x,y和z方向的渗透张量,单位为(LT-1) , 其中L代表长度，T代表时间。这里假定渗透系数主轴与坐标轴方向一致。h为水头(L)；W为单位体积流量(T-1),代表流进源或流出汇的水量；Ss为连续介质的贮水率(L-1)或给水率(L-1)；t为时间(T)。

2.3 空间离散

根据研究区的实际水文地质结构条件及几何形状，将研究区在平面上剖分成300×500 的矩形网格单元，厂区进行了加密处理，垂向上为2 层，模型顶部高程为地表标高，底部至潜水底板。有效计算单元为103 118个，无效计算单元为46 882个，共计150 000个。

2.4 时间离散

模拟时段设定：本次模拟自废渣填埋场建成开始运营起，总共模拟7 200 d(20 a)，时间步长为50 d，总共144步，模拟得出污染物浓度时空变化过程。

2.5 边界条件与源汇项

水流模型边界包括北侧的定流量边界、东西侧的隔水边界和南侧的定水头边界。定流量大小采用达西公式结合实测流场及含水层特征计算确定，区域地下水主要接受降水补给，据统计研究区内年平均降水量为783.1 mm，地形平坦，当地降水入渗系数为0.23，由此可计算出降水补给地下水的量为0.000 493 460 3 m3/d。将地表沟谷概化为一条大致南北向的排水沟。地下水最终以流入水库或民用井抽水进行排泄。

2.6 参数的确定

根据前期大量水文地质试验及现场profound压水试验情况，第四系松散层渗透系数取1.58×10-6cm/s。根据评价区地层、构造分布特征及注水试验数据，岩溶含水层渗透系数取值为1.5 m/d。

弥散度室内测定值不宜用于大尺度污染物弥散迁移数值模拟[7]，因此纵向弥散度的确定参考前人研究成果[8,9]。依据Zech等(2015)研究得到的弥散度与尺度关系图(图2)[10]，再结合本次研究区面积为5.06 km2，北东南西向长度约为2～3 km的实际情况，此次弥散度取值5 m。

图2 弥散度与尺度的关系评估图(据Zech等2015)

2.7 渗流模拟模型校正

根据如上所述，输入相应水文地质参数通过对模型的校正及敏感性分析，最终分别模拟枯水期稳定流条件下研究区范围内地下水等水头线分布图如图3所示。

从上图可得，研究区地下水等水头线分布形态总体符合该区地下水渗流场分布特征，地下水自北西向南东向径流。

3 溶质(污染物)运移模型的建立

3.1 污染源强

根据现有废渣分析资料，废渣主要有害成份为氟化物和氰化物。《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)规定，允许直接进入填埋区的危险废物其浸出液中上列两种有害成份的控制限值如表3所示。

表3 危险废物允许进入填埋区的控制限值及

图3 模拟区渗流场分布图

浸出液浓度超过上列控制限值的废物，需经预处理后方能入场填埋。废渣有害成份主要为氟化物，废渣中的氟化物遇水将产生高浓度的含氟水体。由表1的水质分析结果可知，研究区域内没有其他污染源。故本次的污染物运移模型以废渣填埋场作为污染源，以其中的氟化物作为污染物进行数值模拟。本着风险最大原则，本次模拟废渣填埋场氟化物浓度以100 mg/l作为源强浓度。

3.2 水质模拟预测情景设定

在枯水期渗流场分布条件下，废渣填埋场底部发生持续泄漏下渗到第四系松散粘土孔隙含水层。①泄漏点：固体废物填埋场底部泄漏，泄漏持续进行。②泄漏源强：泄漏物质为氟化物，其浓度为100 mg/l。

将泄漏点设为补给浓度边界。根据污染情形分析，氟化物初始浓度设为100 mg/l，模拟期为20 a，以50 d为时间步长，共模拟了144个应力期。利用MODFLOW 和MT3D 软件，联合运行水流和水质模型，得到氟化物扩散预报结果(见图4～8，图中1C：100，1—代表情景1，FHW—分别代表氟化物浓度(mg/l)，100—代表时间)，各图分别给出了在固体废物填埋场底泄漏发生100 d、1 000 d、5 000 d、7 200 d后的预测结果。预测情景图坐标网格为每格1 000 m。

从上述预测图可以看出：

氟化物在泄漏100 d后，整体沿着废渣填埋场边界往南迁移，移动距离较短，上覆第四系松散含水层影响范围限制在填埋场周边区域，中心部分最高浓度可达到源强浓度100 mg/l，而下伏岩溶含水层未受污染，渣库底部岩溶含水层浓度为零。

泄露500 d后，上覆第四系松散孔隙含水层进一步向南侧迁移，污染羽状物扩散范围有逐渐增加，而下伏岩溶含水层仍然未见受到明显污染，未出现明显污染羽状物聚集及渗漏。

泄漏1 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水层氟化物污染羽状物继续向南侧扩散迁移，但迁移距离仍然较短，而下伏岩溶含水层仍然未发现污染物分布。

泄漏5 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水层氟化物污染羽状物继续向南侧扩散迁移，浓度也在持续增大，但迁移距离仍然较短，此时下伏岩溶含水层出现低浓度氟化物迅速向南侧迁移，最远迁移距离约200 m。

泄漏7 200 d后，上覆第四系松散孔隙含水层氟化物污染羽状物继续向南侧扩散迁移，浓度也在持续增大，但迁移距离为75 m，扩散面积12 800 m2;此时下伏岩溶含水层出现低浓度氟化物迅速向南侧迁移，最远迁移距离约300 m,扩散面积36 600 m2。

图4 100 d后氟化物污染范围

图5 500 d后氟化物污染范围

图6 1 000 d后氟化物污染范围

图7 5 000 d后氟化物污染范围

图8 7 200 d后氟化物污染范围

通过上述情景模拟分析结果表明，假如废渣填埋场以现有污染情景排放，不采取防渗措施条件下将造成该区地下水不同程度的污染，尤其是一旦特征污染物下渗至下伏岩溶含水层之后，污染物将迅速向南侧迁移，对地下水产生严重污染。

3.3 对敏感点的影响分析

根据上述数值模拟分析结果表明，废渣填埋场在无防渗条件下，会导致填埋场第四系孔隙含水层及下伏岩溶含水层污染，由于氟化物浓度超过地下水Ⅲ类水质标准的99倍，废渣填埋场对含水层仍然有影响。为了说明填埋场对其下游地下水含水层的影响，取ZK2和ZK3作为监测点，图9～10为ZK2和ZK3在污染情景下的穿透曲线(BTC)。

从以上穿透曲线图中可以看出，由于ZK2和ZK3位于填埋场下游边界，一旦填埋场发生渗漏，约200 d即可在ZK2和ZK3监测井监测到填埋场特征污染物超标浓度，且表层监测到的特征污染物浓度远大于底层。

一旦监测到污染信息，应在ZK2和ZK3附近区域及时采取地下水污染治理修复补救措施，如在场地下游绿化带中开挖东西向排水沟，收集渗漏污染的地下水，同时及时查明发生渗漏原因。

图9 污染情景下ZK2监测井处氟化物表层和底层的穿透曲线

图10 污染情景下ZK3监测井处氟化物表层和底层的穿透曲线

4 结论

(1) 地下水污染分析

废渣填埋场若发生污染物(氟化物或氰化物)泄露，将对地下水产生严重污染，并向南侧迁移。20 a内最远可扩散300 m，扩散面积可达36 600 m2。到时下游的新寨、水塘寨以及团结水库等地的居民生活用水和工业用水都会受到污染，对社会造成严重的危害。因此必须提高填埋场底部及四周的防渗等级。

(2) 地下水监测体系设计

以ZK2、ZK3为主要监测点，结合ZK1及2口检漏井共同构成监测系统，监测的重点对象是松散浅层潜水含水层及对应钻孔所在第四系松散孔隙含水层。若发生泄露，在约200 d内即可监测到污染信息，并及时采取地下水污染治理补救措施。