基于敏感性分析的危险废物填埋场工程和地质屏障参数优化

向 锐， 徐 亚， 刘景财， 刘玉强*， 董 路， 雷国元， 黄启飞

1.中国环境科学研究院， 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012 2.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 3.武汉科技大学， 湖北 武汉 430081

工业固体废物尤其是危险废物的环境管理和无害化处置是全球性环境问题[1]. 世界范围内，尤其在发展中国家填埋依然是危险废物无害化处置的主要手段[2-4]. 为了降低危险废物的泄露风险和不利影响，使得危险废物填埋场(hazardous waste landfill, HWL)的设计过于繁杂. 然而，机械损坏及化学老化等因素均可能引起土工膜性能退化，最终导致工程衬层系统失效[5-6]，所以填埋场泄漏及地下水环境污染事件仍时有发生[7]. 因此，填埋场工程屏障的优化设计[8-9]和地质屏障的选择至关重要[10].

合理的工程屏障，如导排系统和防渗系统，可以减少渗滤液渗漏量[11-12]. 有利的地质屏障，如厚且渗透系数小的包气带可以增加污染物的穿透时间，使其充分降解；更新能力强的含水层可以快速稀释污染物[13]，降低污染物浓度. 因此，提高工程或地质屏障要求可以有效地降低地下水污染风险，但同时也需要考虑工程费用[14]. 因为当工程和地质屏障升至一定程度时，工程费用与污染控制效益比将显著降低. 因此，识别工程和地质屏障的关键因子，并确定其合理取值显得尤为重要.

为控制填埋场渗漏风险，许多国家都对填埋场的工程和地质屏障制定了强制性标准. 如美国[15]和中国[16-17]均规定导排层坡度≥0.02，导排层渗透系数≥1.0×10-1cms；德国[18]和中国[16-17]均规定库底与地下水位之间的距离≥1 m. 但是这些取值背后的科学背景并不明确，同时是否适用于我国实际情况，也未经系统研究和论证. 一些学者通过基于数学模型的过程模拟方法[19]和指标体系方法[20]研究了工程和地质屏障对其环境污染风险的影响，如Kotowska等[21]通过内梅罗指数和化学计量学方法识别了关键的参数，并给出了各参数的权重. 但是大部分权重都是基于主观方法给出，背后的物理含义并不明确，因此合理性有待商榷. 另外，基于指标体系的方法也无法体现同一参数在不同取值区间对填埋场渗漏风险的影响.

与指标体系方法相比，过程模拟方法考虑了整体影响因素，可以给出综合评估结果，并在其他领域被广泛应用于关键参数及敏感区间的识别[22-23]. 然而，基于该方法开展的危险废物填埋场关键参数和敏感区间识别，以及优化设计参数的研究鲜见报道. 鉴于此，该研究拟采用过程模拟方法，结合参数敏感性分析，开展工程和地质屏障参数优化研究，识别不同参数的敏感性和敏感区间，推荐最适宜取值，评估各参数的相对重要性排名，以期为国内危险废物填埋场工程和地质屏障参数的选择及相关标准和规范的制定提供理论依据.

1 模型与方法

1.1 代表性场景构建

为从理论上分析不同工程和地质屏障参数对地下水污染风险的影响，识别其重要程度和敏感性程度，需要建立代表性的填埋场，模拟渗滤液渗漏与地下水污染的场景. 填埋场结构根据GB 18598—2001《危险废物填埋场污染控制标准》的要求确定，从上到下划分为四部分，即封场覆盖系统、危险废物层、主渗滤液防渗和导排系统、次渗滤液防渗和导排系统(见表1).

表1 代表性的填埋场剖面结构及尺寸

图1 危险废物填埋场渗滤液产生、渗漏及地下水污染过程Fig.1 Generation, leakage and groundwater pollution of leachate in hazardous waste landfill

危险废物填埋场渗滤液的产生、渗漏及地下水污染过程如图1所示. 由于雨水淋溶及废物自身重力释水所产生的渗滤液，在重力作用下垂直下渗进入到填埋场导排层内，一部分经过导排系统收集并处理达标后排放；另一部分以渗漏(通过防渗膜漏洞)或渗透(通过土工膜完整部分以蒸汽扩散形式泄露)形式进入到包气带中. 经过包气带的截污和含水层的稀释扩散后进入到周边水井中，通过饮水、洗澡等途径暴露于人体，对人体健康构成危害. 对填埋场的地下水污染风险进行评估实际上就是对防渗层破损条件下的渗滤液渗漏以及渗漏导致的地下水污染程度进行评估.

1.2 基于过程模拟的渗滤液渗漏及渗漏污染预测

1.2.1渗滤液渗漏预测模型

通过设计雨水防渗系统、渗滤液导排和防渗系统，尽量减少危险废物填埋场渗滤液的产生和渗漏. 然而，渗漏事故仍然频繁发生. 主要原因是：作为防渗材料核心的HDPE膜(high-density polyethylene geomembrane, 高密度聚乙烯膜)在安装和施工过程中不可避免地会造成一些破损；渗滤液通过HDPE膜破损的渗漏受衬层结构(双衬层、单衬层等)、漏洞大小、漏洞上方的渗滤液饱和液位、HDPE膜下方介质的渗透系数及其与HDPE膜接触情况等诸多因素影响，过程极为复杂. 为简化渗滤液渗漏计算，Giroud等[24]通过室内渗漏模拟实验和仿真模型分析，建立了不同条件下的渗漏速率计算公式. 针对我国危险废物填埋场的主要防渗结构〔两层HDPE膜和CCL (compacted clay liner, 压实黏土衬层)〕，根据Giroud等[25]开发的经验模型〔见式(1)〕来估计渗漏速率：

(1)

式中：Q为渗漏速率，m3/s；a为HDPE中的破损面积，m2；ks为CCL的水力传导率，m/s；Ls为CCL的厚度，m；hw为HDPE上的渗滤液高度，m；N为HDPE中的破洞密度，holes/(104m2)(见表2)；S为垃圾填埋场的底部面积，104m2；βc为HDPE和CCL之间的接触系数，良好和不良时分别为0.21和1.15.

表2 HDPE膜常规破损情况

1.2.2渗滤液浓度的衰变模拟

危险废物填埋场中的渗滤液是危险废物堆放和填埋过程中，由于压实和雨水渗流作用产生的一种高浓度的有机或无机成份的液体. 显然，随着雨水不断淋溶，危险废物中的有害组分产生不同耗损，渗滤液中的污染物浓度也逐渐降低，这一过程通常用源项衰减模型〔见式(2)(3)〕[24-25]描述：

Ct=C0-λt

(2)

(3)

式中：Ct为t时渗滤液中有害物质的浓度，mg/L；C0为渗滤液中有害物质的初始浓度，mg/L；λ为渗滤液中有害物质浓度变化系数，10-7m-3a-1;t为时间，a；i为渗透速率，mm/a；Wd为最终废物的深度，m；Wfc为废物的现场容量，104m3.

1.2.3渗滤液及其危害组分在土壤-地下水中迁移转化预测

污染物在包气带和地下水介质中的迁移和分布主要受水流的稀释效应和衰减效应(即降解和吸附)的影响. 在均匀和各向同性的土壤-水系统中，上述效应可以通过一维对流-扩散方程〔见式(4)(5)〕[29]描述.

(4)

DL=av+Dm

(5)

式中：x为沿流动方向的路径距离，m；c为距离为x、时间为t时污染物的浓度，mg/L；v为地下水流速，m/s；n为有效孔隙度；R为衰减因子；γ为一阶衰减率，s-1；DL为流体动力学纵向弥散系数，m2/s (见表3)；a为介质的分散度，m；Dm为分子扩散系数，m2/s.

表3 含水层参数取值[6]

显然，对于不同的边界条件，上述对流-扩散方程的解析解形式不同. 对于渗漏这一边界条件，假设污染物浓度按式(2)所示的规律衰减，则可通过拉普拉斯变换获得其解析解[30]：

(6)

(7)

式中：c(x,t)为模拟包气带或含水层中污染物迁移的初始浓度，mg/L；cd为模拟包气带或含水层中污染物迁移后的浓度，mg/L；μ为特征根.

式(6)(7)适用于渗漏条件下，防渗层下方包气带和含水层中的污染物迁移分析. 利用式(6)(7)计算得到包气带底部的污染物浓度(将该浓度作为含水层的污染物初始浓度)和地下水中污染物浓度. 式(6)(7)中基本参数取值参考表3、4.

表4 计算渗滤液浓度和渗漏的模型参数取值

注： 1) 为表2中数据平均值.

1.3 模拟参数的选择

为讨论参数设置的必要性与取值的合理性，同时为参数的最适宜取值提供参考，从填埋场选址与设计的角度对现有填埋场选址与设计标准中的参数进行敏感性分析[31]. 由表5可见：从设计的角度，由于导排层具有快速导流渗滤液、降低渗漏风险的功能，对渗漏量与污染物浓度影响相对较大，建议选取导排层参数中的导排支管间距、导排层坡度和导排层渗透系数3个参数；从选址的角度，主要考虑渗滤液的渗漏途径，选取天然衬层渗透系数、含水层厚度和地下水流速3个参数.

表5 在地下介质中模拟污染物运输的模型参数取值

图2 不同导排支管间距下地下水中污染物浓度的空间分布Fig.2 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different spacing of guide and exhaust branch pipes

2 各参数对污染物浓度的影响

2.1 导排支管间距对污染物浓度的影响

图3 支管间距对渗滤液饱和水位的影响[32]Fig.3 Influence of branch pipe spacing on saturated leachate water level[32]

图2为不同导排支管间距下地下水中污染物浓度的空间分布. 从图2可以看出，随着导排管间距增大，监测井中污染物的浓度也逐渐增加，以240 m处为例，导排支管间距从5 m增至10、25、50、75、100 m过程中，污染物浓度分别增加了4.00×10-6、8.24×10-6、1.26×10-5、1.55×10-5、1.65×10-5mgL. 这是因为导排支管间距增大，使得渗滤液在导排层中的渗流途径增长(见图3)[32]，防渗膜上渗滤液饱和水位上升，水头压也上升. 根据达西渗流定律，渗透流量与水头压差成正比，所以随着渗漏量的增加，地下水污染程度将加剧.

2.2 导排层坡度对污染物浓度的影响

图4为不同导排层坡度下地下水中污染物浓度的空间分布. 从图4可以看出，随着导排层坡度增大，监测井处污染物的浓度减小[6]. 以240 m处为例，导排层坡度从0.01增至0.02、0.03、0.04、0.06、0.10和0.16过程中，污染物浓度分别降低了5.67×10-6、8.23×10-6、9.67×10-6、1.13×10-5、1.36×10-5mgL. 主要原因是，随着导排层坡度增大，导排介质中的水力坡度会增大，使得导排层的侧向导排能力增强、防渗膜上渗滤液饱和水位降低、渗漏量减少.

图4 不同导排层坡度下地下水中污染物浓度的空间分布Fig.4 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different slope of drainage layer

图5 不同导排层渗透系数下地下水中污染物浓度的空间分布Fig.5 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different permeability coefficients of guide layers

2.3 导排层渗透系数对污染物浓度的影响

根据美国EPA标准[33]规定，导排层渗透系数应不小于0.1 cms，但根据文献[34]，渗滤液中的钙镁离子、悬浮颗粒、有机质等均可导致导排层发生淤堵，导排层渗透系数减小1～3个数量级. 图5为不同导排层渗透系数下地下水中污染物浓度的空间分布. 从图5可以看出，随着导排层渗透系数减小，监测井中污染物的浓度增加，含水层中其他位置的污染物浓度也增加. 以240 m处为例，导排层渗透系数从0.1 cms 减至0.05、0.01、0.005、0.001、0.000 5、0.000 1 cms的过程中，污染物浓度分别降低了4.78×10-4、5.91×10-4、7.25×10-4、7.79×10-4、8.15×10-4、8.22×10-4mgL. 主要原因是，导排层渗透系数减小、侧向排水能力减弱，导致防渗膜上渗滤液饱和水位增加，渗漏量增加.

2.4 天然衬层渗透系数对污染物浓度的影响

图6 不同天然衬层渗透系数下地下水中污染物浓度的空间分布Fig.6 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different permeability coefficient of natural linings

图6为不同天然衬层渗透系数下地下水中污染物浓度的空间分布. 从图6可以看出，随着天然衬层渗透系数增加，监测井中污染物的浓度增大，含水层中其他位置的污染物浓度也增大. 以240 m处为例，天然衬层渗透系数从5.0×10-5cms减至1.0×10-5、5.0×10-6、1.0×10-6、5.0×10-7、1.0×10-7和5.0×10-8cms过程中，污染物浓度分别降低了6.50×10-4、8.86×10-4、9.06×10-4、9.36×10-4、9.36×10-4、9.36×10-4mgL. 根据达西渗透定律，水分在多孔介质中的渗透速率和流量与多孔介质的天然衬层渗透系数成正比，因此天然衬层的渗透系数越大，从防渗膜上漏洞渗漏的渗滤液能以更大的流量和流速到达包气带和地下水中[35].

2.5 含水层厚度对污染物浓度的影响

图7为不同含水层厚度下地下水中污染物浓度的空间分布. 从图7可以看出，随着含水层厚度增加，含水层中其他位置处的污染物浓度逐渐降低. 以240 m处为例，含水层厚度从2.7 m增至5.4、10.8、21.6和43.2 m过程中，污染物浓度分别降低了2.73×10-5、2.87×10-5、2.96×10-5、2.96×10-5mgL. 推测原因可能是：随着横向弥散系数增大，污染物在垂直方向上的扩散效应增强；含水层越厚其稀释和自净能力越强，污染物浓度越低[36].

图7 不同含水层厚度下地下水中污染物浓度的空间分布Fig.7 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different aquifer thickness

图8 不同地下水流速下地下水中污染物浓度的空间分布Fig.8 Spatial distribution of concentration in groundwater atunder different underground water flow velocities

2.6 地下水流速对污染物浓度的影响

图8为不同地下水流速下地下水中污染物浓度的空间分布. 从图8可以看出，地下水流速越大，含水层中的其他位置处的污染物浓度越低，污染程度越小. 以240 m处为例，地下水流速从10 ma增至20、50、100和150 ma过程中，污染物浓度分别降低了1.96×10-5、3.71×10-5、4.59×10-5、4.98×10-5mgL. 主要是因为地下水流速越大，含水层的自净和稀释能力越强[37].

3 讨论

3.1 各参数的敏感性分析

对各参数进行敏感性分析的结果如图9所示. 由图9(a)可见，当导排支管间距从5 m增至100 m时，污染物浓度增至1.17×10-5mgL，增加速率为1.23×10-7mg(L·m). 导排支管间距主要影响填埋场内的渗滤液导排途径长度，在同等面积的填埋场中，导排支管间距越大，渗滤液导排途径越长，使得渗滤液最高水位增加，水压增大，导致渗滤液渗漏风险增大，地下水中污染物浓度增大[38].

由图9(b)可见：当导排层坡度从0.01增至0.04时，污染物浓度迅速减至6.31×10-6mgL，单位坡度减小速率为2.10×10-4mgL；而当导排层坡度从0.04增至0.16时，单位坡度减小速率降低，仅为2.08×10-5mgL；而当导排层坡度继续增大时，其变化对监测井中污染物浓度的影响已经可以忽略. 由图9(c)可见：当导排层渗透系数从0.000 1 cms增至0.01 cms时，污染物浓度迅速减至1.96×10-4mgL，减小速率为0.20 (mg·s)(L·cm)；而当导排层渗透系数从0.01 cms增至0.1 cms时，减小速率降低，仅为3.15×10-4(mg·s)(L·cm)；而当导排层渗透系数继续增大时，其变化对监测井中污染物浓度的影响已经可以忽略. 研究[39-40]表明，导排层坡度和导排层渗透系数是渗滤液导排能力的主要影响因素，导排层坡度和导排层渗透系数增大会提高渗滤液的导排效率，降低渗滤液饱和液位，进而降低渗滤液渗漏源强，使得地下水中污染物浓度减小.

由图9(d)可见：当天然衬层渗透系数从5.0×10-8cms增至1.0×10-6cms时，污染物浓度迅速增至3.30×10-5mgL，增加速率为37.74 (mg·s)(L·cm)；而当天然衬层渗透系数从1.0×10-6cms增至5.0×10-5cms 时，增加速率降低，仅为11.75 (mg·s)(L·cm). 可见，天然衬层渗透系数对于渗漏污染风险控制具有重要作用，会直接影响渗滤液进入地下水的穿透时间，以保证含水层具有更充分的时间对污染物进行稀释缓冲[41-42].

由图9(e)可见：当含水层厚度从2.7 m增至5.4 m时，污染物浓度迅速减至1.55×10-5mgL，减小速率为5.74×10-6mg(L·m)；而当含水层厚度从5.4 m增至43.2 m时，减小速率降低，仅为5.58×10-7mg(L·m)；而当厚度继续增大时，其变化对监测井中污染物浓度的影响已经可以忽略. 由图9(f)可见：当地下水流速从10 ma增至50 ma时，污染物浓度迅速减至1.61×10-5mgL，减小速率为4.03×10-7(mg·a)(L·m)；而当地下水流速从50 ma增至150 ma时，减小速率降低，仅为7.7×10-8(mg·a)(L·m)；而当地下水流速继续增大时，其变化对监测井中污染物浓度的影响已经可以忽略. 含水层厚度与地下水流速对污染物浓度的主要影响在于稀释扩散作用，随着稀释扩散作用形成的污染羽面积逐渐增大，污染物浓度逐渐减小，且减小速率会降低，当污染羽面积达到最大时，污染物浓度降至最低[43-44].

为进一步细化分析污染物浓度对各参数的敏感性，对各参数进行函数拟合. 污染物浓度与导排支管间距、导排层坡度、导排层渗透系数、天然衬层渗透系数、含水层厚度、地下水流速均存在幂函数关系，相关系数(R2)分别为 1.000 0、0.997 1、0.991 1、1.000 0、0.883 5、0.988 6(见图9)，说明拟合效果好，可信度高. 然后，对变化参数取值，根据污染物浓度变化确定敏感性指数. 对参数敏感性排序(见表6)可知，导排支管间距>含水层厚度>导排层坡度>天然衬层渗透系数>导排层渗透系数>地下水流速，其中导排层支管间距敏感性指数为正值，污染物浓度会随着导排支管间距的增加而升高，其余为负值，污染物浓度会随着参数值的增加而降低.

图9 各参数敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of parameters

表6 各参数敏感性指数及排序

3.2 各参数的敏感区间与推荐取值

根据3.1节的讨论结果，确定了6个因素的敏感区间(见表7). 在敏感区间中选取合适的参数值是控制填埋场污染风险的关键. 对于导排层参数，在经济情况允许的范围内，建议在敏感区间中选择敏感度较高的取值，导排支管间距取10～25 m、导排层坡度取0.02～0.03、导排层渗透系数取 0.000 5～0.001 cm/s.

对于水文地质参数，需要通过实地考察，参考相关地质材料确定所选厂址的相关参数数值，综合各方面因素考虑，选择敏感区间中相对合适的取值，建议天然衬层渗透系数取5.0×10-7～1.0×10-6cm/s、含水层厚度取2.7～5.4 m、地下水流速取20～50 m/a.

与国内外相关标准相比，对于导排支管间距、含水层厚度和地下水流速3个参数，并没有作出明确的指示，该研究给出了比较合理的推荐取值. 对于其他3个参数，导排层坡度的推荐取值与国内标准相吻合，美国与德国要求更加严格；导排层渗透系数与德国标准相吻合，中国和美国要求更加严格；天然衬层渗透系数与中国和美国标准相吻合，德国要求更加严格(见表7).

表7 各参数敏感区间与推荐取值

4 结论

a) 当导排支管间距>25 m、导排层坡度<2%、导排层渗透系数<0.000 1 cms、天然衬层渗透系数>1×10-6cms时，地下水污染风险急剧增大；反之，当导排支管间距<10 m、导排层坡度>3%、导排层渗透系数>0.01 cms、天然衬层渗透系数<5×10-7cms时，对地下水污染风险的管控并无明显影响.

b) 建议将标准中设计参数的最低技术要求为导排支管间距≥25 m、导排层坡度≥2%、导排层渗透系数≥0.01 cms、天然衬层渗透系数取≥1.0×10-6cms.

c) 各参数对地下水污染风险的敏感性不同，由大到小依次为导排支管间距>含水层厚度>导排层坡度>天然衬层渗透系数>导排层渗透系数>地下水流速，利用指标体系方法进行填埋场地下水风险评估时，指标权重可参考此排序.

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