简易垃圾填埋场渗滤液地下水溶质运移数值模拟

廖 镭，张 涵，郭珊珊

(西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 611756)

地下水污染主要指人类活动引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而使质量下降的现象。地下水污染具有污染进程缓慢隐蔽、一旦污染形成则很难治理和造成的后果严重等特点[1]。简易垃圾填埋场通常利用自然地形条件对垃圾进行填埋，未采取或采取简易的防渗措施，导致产生的渗滤液易渗入地下，进入含水层而对地下水造成污染[2-3]。

国外一些发达国家由于简易垃圾填埋现象较少出现，加之人口数量较少，能及时控制简易垃圾填埋场产生的污染，因此对垃圾填埋场的研究主要集中在正规垃圾填埋场防渗系统、垃圾填埋场内部垃圾演化以及渗滤液产生的机理与土壤和水的差别等方面[4]。我国一些经济欠发达地区，由于环保基础设施的建设落后于人口增长和社会经济的发展，出现了一批简易垃圾填埋场。但我国对简易垃圾填埋场环境污染的认识和研究起步较晚，北京市2006年开始对简易垃圾填埋场场地进行修复治理工作，随后其余各省份也开展了对简易垃圾填埋场场地的修复治理工作，对简易垃圾填埋场环境污染的研究也随之展开。目前我国对简易垃圾填埋场环境污染的研究主要集中在：简易垃圾填埋场场地污染的调查方法、场地地下水污染风险等级评估、场地垃圾组成的物理化学性质、场地污染的治理方法等，主要涉及生态修复和土壤及地下水污染治理的方法等[5-7]。

1 研究区域概况

西南山区凉山州某简易垃圾填埋场位于四川省木里县城道路S216路边，博瓦河右岸，其地理位置见图1。该垃圾填埋场依靠河谷滩地而建，未进行防渗处理，也没有建立渗滤液收集系统，至今运行已有13年，在相关部门的支持下，目前该垃圾填埋场已经停运，进行封场治理，封场后填埋区面积为10 000 m2，平均高度为10 m。

图1 研究区地质图Fig.1 Geological map of the study area

该垃圾填埋场场地地处北亚热带季风气候区，干湿分明，雨季集中，多年平均气温为11.5℃，多年平均降雨量为818.2 mm。场地总体地形起伏大，地势较开阔，地势北西面高、南东面低，纵坡(北-西向)坡度约为6°～10°，局部达35°，沟谷两侧横坡坡度约在20°～25°，局部在30°以上。场地地貌属低中山地貌，微地貌属沟谷地貌。

图2 研究区地下水补、径、排条件示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater recharge,runoff and discharge conditions of the study area

2 数值模型的建立

2.1 垃圾填埋场水文地质概念模型

研究区建模区域为3.24 km2，地下水概化为三维稳定流。模拟区西部山脊视为分水岭，概化为零流量边界；根据实地监测，垂直通过北部和南部边界的地下水流较小，概化为零流量边界；东部博瓦河作为河流边界，见图3。

图3 模型区域网格及边界划分图Fig.3 Model domain and boundary division

2.2 数学模型

Visual MODFLOW软件中集成的MODFLOW和MT3DMS模块，可分别对地下水渗流场和溶质运移进行数值模拟。其中，MODFLOW模块是基于三维水流偏微分方程的有限差分法。三维水流偏微分方程遵循达西定律，其表达式如下：

(1)

H(x,y,t)|t=t0=H0(x,y,t0)

(2)

H(x,y,t)|Γ1=H1(x,y,t)t≥0

(3)

(4)

式中：H为水头；w为源汇项；us为当水头下降一个单位时，从单位体积孔隙中释放的水量(体积单位，量纲为L-1)；Kxx、Kyy、Kzz分别表示在x、y、z方向上的主渗透性系数；H0(x,y,t0)为初始水头值；H1(x,y,t)为边界水头值；n为边界Γ2的外法线方向；q为边界上的单宽流量；Τ为边界处含水层的导水系数；Γ1、Γ2分别为研究区的水头和流量边界。

MT3DMS模块是基于溶质运移偏微分方程的有限差分法。溶质运移偏微分方程的表达式如下：

(5)

式中：R为滞留因子，其值常大于1；n为介质的空隙度(无量纲)；C为溶质的浓度；t为时间；xx、xj为在直角坐标下沿各方向上的距离；Dij为水动力弥散系数张量；ui为孔隙水流实际速度；qk为单位体积含水层给出或者接受的流体数量；δ为含水层的干容重；s为固体颗粒吸附的溶质浓度；λ为放射性元素蜕变(或者生物降解)常数。

2.3 模拟区域网格划分和初始条件的确定

通过对该垃圾填埋场区水文地质条件的概化，建模区域范围为1.8 km×1.8 km，剖分网格为18 m×18 m，共100行100列，网格x轴为东西向，y轴为南北向，见图3。垂直方向上分为两层，高程范围为1 820～2 560 m，由上至下分别代表含细砂角砾卵石层和风化板岩层。第一层在水平方向上分为两个区，博瓦河至省道公路之间的河漫滩为砂砾卵石，河漫滩至高山分水岭为风化板岩。初始条件为定地下水头，考虑研究区域地下水水位的年变化量为2～3 m，根据区域勘查得到该垃圾场填埋区地下水初始水位埋深约5 m，因此设置模型初始地下水水位为地表以下5 m。

2.4 模型水文地质参数的确定

2.4.1 渗透系数

经过场地注水试验和压水试验，得到该垃圾填埋场区不同地层的渗透系数，含细砂角砾卵石层的渗透系数K为5.8×10-5～2.9×10-5m/s,风化板岩层的渗透系数K为2×10-7～3.5×10-7m/s，并在模型校正中进行参数优化，最终确定含细砂角砾卵石层的渗透系数K为3.5×10-5m/s，风化板岩层的渗透系数K为3.0×10-7m/s。模型介质渗透系数的取值具体见表1。

表1 模型介质渗透系数的取值表

2.4.2 弥散系数

弥散系数即弥散度，是含水层中介质弥散特征的重要参数，而确定野外尺度迁移模拟问题的弥散度有较大的难度，且长期以来一直备受争议。为了确定野外尺度的弥散度，已经开展过大量的工作。如Gelhar等[8]详细介绍了各种野外实验，并总结了野外尺度弥散度的取值规律，根据经验，当缺乏场地实测数据时，水平横向弥散度的取值应该比纵向弥散度的取值约小一个数量级，垂直横向弥散度的取值应该比纵向弥散度的取值约小两个数量级。本文中，纵向弥散度取值为10 m，横向与纵向弥散度比率取值为10，垂向与纵向弥散度比率取值为100。

2.4.3 溶质运移参数

污染迁移模型参数与污染物本身的性质有关。本次模拟采用线性等温吸附，分配系数Kd反映的是溶解相浓度和多孔介质中被吸附物质的浓度之间的关系。动力学反应速率反映的是放射性元素的衰变，以及某种有机污染物由于水解、微生物作用发生的降解。污染迁移模型中主要采用分配系数和反应速率常数来衡量污染物因子在地下水中的吸附和生化反应规律。

硝化作用：

厌氧氨氧化作用：

表2 含水层中污染物迁移模型的参数取值

2.5 渗滤液下渗量的计算及源强浓度的设定

2.5.1 不同工况下渗滤液的下渗量计算

在正常工况下，HDPE土工膜完好，渗滤液经膜向下渗透，HDPE土工膜渗透系数取值为1.0×10-13m/s，水头高度为膜上0.5 m，防渗系统处于常规状态，渗滤液下渗量的计算公式如下：

Q=KIA

(6)

式中：Q为渗滤液的下渗量(m3/d)；K为介质的渗透系数(m/d)；I为水力坡度；A为土工膜渗透面积(m2)。

在事故工况下，HDPE土工膜存在缺陷(刺穿或焊接不到位或不均匀沉降撕裂)，渗滤液经膜的缺陷逐渐渗入地下水系统，压实度良好的GCL黏土渗透系数取值为5.0×10-9m/s，水头高度为膜上0.5 m，防渗系统处于失效状态，渗滤液下渗量的计算公式如下[13]：

Q=1.15×α0.1×H0.9×k0.74×β

(7)

式中：Q为渗滤液的下渗量(m3/d)；α为漏洞面积(m2)；H为水头高度(m)；β为膜上漏洞率；k为压实基础层的渗透系数(m/d)。

由公式(6)计算可知，在理想状况下，渗滤液的下渗量非常有限。故本文根据HDPE土工膜上漏洞率和黏土膨胀引起开裂的差异，针对以下两种事故工况进行地下水溶质运移预测以及污染时空分布分析。两种事故工况分别如下：

事故工况1：HDPE土工膜上漏洞率为0.5，GCL黏土出现轻微开裂现象，k取值为5.0×10-7m/s。

事故工况2：HDPE土工膜上漏洞率为1.0，GCL黏土出现严重开裂现象，k取值为5.0×10-5m/s。

假设垃圾填埋场连续不断地产生渗滤液，故污染迁移模型中污染物渗漏设置为连续源。经计算，两种事故工况下垃圾渗滤液的下渗量详见表3。

表3 两种事故工况下垃圾渗滤液的下渗量计算表

2.5.2 渗滤液中污染物预测因子浓度的取值

表4 渗滤液中污染物预测因子的补给浓度

2.6 模型校正

地下水渗流模型校正通过不断调整渗透系数、弥散度等模型参数，使模拟计算的水位值与选取的6个监测孔实测水位值的误差在可接受范围内，即认为模型得到校正，6个监测孔水位的观测值与水位模拟计算值的对比详见表5，监测孔水位观测值与水位模拟计算值进行配对T检验，其检验结果见表6。

表5 监测孔水位观测值与水位模拟计算值的对比

表6 监测孔水位观测值与水位模拟计算值配对T检验结果

由表6可知，监测孔的水位观测值与水位模拟计算值差值双尾检验置信度为0.906，表明监测孔水位观测值与水模拟计算值相吻合。校正后的地下水渗流场见图4。

图4 地下水渗流场图Fig.4 Groundwater seepage field

3 模拟结果与分析

3.1 模拟预测结果

图5 某简易垃圾填埋场在封场5年及10年后事故工况1下地下水中污染物预测因子(CODMn、N-N) 浓度的空间分布图Fig.5 Distribution of concentration of predictive contaminants (CODMn、N-N) after 5 and 10 years of landfill closure under the accident conditon 1

3.2 模拟结果分析

由图5和图6可以看出：

图6 某简易垃圾填埋场在封场5年及10年后事故工况2下地下水中污染物预测因子(CODMn、N-N) 浓度的空间分布图Fig.6 Distribution of concentration of predictive contaminants (CODMn、N-N) after 5 and 10 years of landfill closure under the accident condition 2

表7 不同事故工况下污染物预测因子在地下水中的超标范围和下游最大迁移距离

4 结论与建议

针对该简易垃圾填埋场区及其周围地下水受污染的情况，提出以下地下水污染防治措施与建议：①对还未封场的简易垃圾填埋场进行渗滤液检漏测试，一旦发现渗滤液发生渗漏现象应立即采取相应的防渗层修补措施，同时合理导排收集雨水，增加绿化面积，并进行封场处理等；②在简易垃圾填埋场区及其周围布设地下水长期监测井，通过地下水水质监测及时发现渗漏液渗漏现象，并推断渗漏位置及渗漏程度，同时研究地下水中污染因子的降解过程；③对简易垃圾填埋场地下水污染严重的地区，采取抽出、渗透性反应墙等技术进行地下水污染的修复处理等。