垃圾填埋坝渗滤液迁移数值模拟研究

张 燕，张卉芬，张云峰

(1.淮安市淮阴区竹络坝灌区水利管理所，江苏 淮安 223300；2.淮安市淮阴区水利局，江苏 淮安 223300)

随着我国经济建设的发展，越来越多的人口迁移到大中城市，导致城市固废垃圾日益增多。对于城市固废，大多数都以填埋的方式处理，但是在微生物的作用下垃圾会发生复杂的生化反应，产生大量含有高浓度污染物的渗滤液和以甲烷和二氧化碳为主要成分的填埋气，对周边环境造成巨大污染隐患[1- 2]。渗滤液中的污染物种类繁多，其中的重金属和其他含重金属离子材料没有充分地被回收利用，对周围地表水以及地下水均会造成严重污染。据美国环保局对本国超过60000个城市生活垃圾填埋场的调查显示，约有40%的填埋场对周边的地下水和土体产生威胁[3- 4]。

国内外专家学者对重金属离子对地下水的污染进行了大量的研究。刘兆鹏[5]对降雨作用下磷酸盐固化稳定化重金属污染土土柱的渗流及重金属运移特性进行数值模拟研究。田金凤[6]采用改进的差分进化算法对地下水污染物溶质运移方程进行求解并分析变动渗透系数对地下水污染物溶质运移不确定性影响。张宁[7]收集丹东市不同监测站点的水质指标资料，筛选5个公共指标，实现对辽宁省丹东市城区浅层地下水污染源的识别和管理。秦鹏飞[8]借鉴灰色聚类法和DRASTIC模型对垃圾场所在地的地下水受到污染的风险进行分析评估。龚慧[9]研究了不同硝酸盐浓度对地下水管网系统腐蚀速率和对水中叶片生物量及叶片酶活性的影响。王浩铭[10]、胡超[11]、詹良通[12]等也对地下水污染物溶质运移做了一些研究。

本文以东南沿海地区某一垃圾填埋场为工程背景，利用岩土工程软件GeoStudio中的seep/w和ctran/w模块对填埋场里渗滤液的渗流特性以及重金属污染物的迁移规律进行数值模拟分析，为类似工程提供参考。

1 数值模拟

1.1 饱和-非饱和渗流原理

填埋场内的渗滤液随着时间的推移逐渐堆积，在水头差的作用下，渗滤液在土体中的移动满足达西定律，二维的饱和-非饱和的渗流控制方程如下[13]：

(1)

式中，kx，ky—土体在水平方向和竖直方向的渗透系数；Q—施加的边界流量；ρw—水的密度；mw—比水容重；t—时间。

1.2 污染物迁移原理

不考虑污染物在含水层中的吸附、交换、挥发、生物化学反应，污染物迁移的微分控制方程和边界条件为[14]：

(2)

式中，θ—介质体积含水率；C—溶质浓度；t—时间；Dij，Dii—不同方向的水动力弥散系数分量；qi—达西速度第i个分量；c0(x，z)—(x，z)点处的初始浓度；c(x，z)—边界上点(x，z)的已知浓度；Γ1—浓度边界；Γ2—逸出面边界。

1.3 计算模型与边界条件

本次计算模型以东南沿海地区某一垃圾填埋场为工程背景。该填埋场修建于1990年，填埋场被垃圾坝包围，垃圾坝坡体高度约10m，上下游坡度均为1∶2。由于修建时间久远，下游坝坡有滑坡风险，因此对下游坝坡进行过加固。坝体上游设有土工膜，并在坝体中心设置防渗墙，组成坝体的防渗系统。坝体上游为垃圾填埋区，由于降雨以及生活垃圾中的渗滤液不断堆积，经勘测可知，区内水位大约为2.5m，其中含有Pb2+、Zn2+、Cd2+等重金属离子。垃圾坝的横剖面如图1所示，网格剖分图如图2所示，共剖分2427个单元，2558个节点。

图1 垃圾坝横剖面图

图2 模型网格剖分图

边界条件：AB、BC和CD为不透水边界；EF为潜在渗流边界，地面高程为0m，渗滤液水位保持不变，为2.5m。

1.4 材料参数

根据《某填埋场垃圾坝可行性研究报告》中的设计参数确定坝体、坝基、排水棱体、防渗墙等材料的水文地质参数，根据《某填埋场垃圾坝水文地质勘察报告》中室内试验、抽水试验和弥散实验的实测数据，确定中风化层、强风化层的水文地质参数，模型中介质的水文地质参数见表1。本文采用Fredlund-Xing模型，根据饱和渗透系数和土水特征曲线对渗透系数函数进行预测，各土层的土水特征曲线以及渗透系数函数曲线如图3、图4所示。本文重点关注Pb2+重金属离子的迁移规律，Pb2+的初始浓度为203.5g/m3。

表1 各土体介质水文地质参数

图3 体积含水量函数曲线

图4 渗透系数函数曲线

采用GeoStudio软件进行土壤中重金属运移模拟时，首先需要使用seep/w渗流分析模块中的稳态分析来计算土体中水的渗流速度、土体体积含水率等，然后采用ctran/w模块模拟重金属的运移。

2 计算结果分析

2.1 孔隙水压力分析

当垃圾坝上游渗滤液的水位为2.5m时，在水头差作用下，渗滤液将会在垃圾坝中发生渗流，渗流稳定后垃圾坝区的渗流场如图5所示。由图5可知，由于上游面铺设了土工膜，所以渗滤液的渗流路径变长，在土工膜和防渗墙与土层接触部位的水头坡降都比较大，流动矢量箭头较其他箭头大，渗滤液最终在排水棱体处渗出。由此可以看出，当坝体的防渗措施布置得当时，坝体的渗漏量控制在合理范围之内。

图5 稳定渗流下坝体渗流压力分布图

2.2 重金属离子Pb2+的迁移规律分析

本节研究了铺设土工膜和不铺设土工膜两种工况下Pb2+在坝区的迁移规律。本次污染物迁移模拟时间设为10年，图6为第1、第3、第7和第10年时，Pb2+浓度的分布区域图。由图6可知，当坝体上游铺设了土工膜后，大部分的Pb2+都被限制在填埋场内，由于Pb2+无法或者需要大量时间才能穿过土工膜，所以Pb2+从距离上游坝脚较远处穿过土层，顺着渗流水迁移。相比较而言，在理想情况下，随着时间的推移，Pb2+的迁移区域并没有发生太大的变化，第1年与第10年的迁移区域都只局限在上游处，迁移深度越深，该处的离子浓度越低。迁移区域深度都没有超过强风化层的厚度，说明Pb2+对地下水的影响不大。

图6 铺设土工膜工况下Pb2+的迁移分布图

图7为未铺设土工膜时第1、第3、第7和第10年时，Pb2+浓度的迁移区域图。由图7可知，在未铺设土工膜的工况下，1年后填埋区内的Pb2+开始往坝体下游方向扩散迁移，与渗滤液接触的土层均存在Pb2+，但是迁移深度并不大。由第3、第7和第10年时的重金属迁移分布可知，在保持渗滤液水头不变的情况下，Pb2+不断向土层深层扩散，但是迁移深度都不大，不大于中风化层的厚度。由此可知，虽然坝体上游面并未铺设土工膜，但是重金属离子的扩散范围小，并未对地下水造成重大污染。经分析，这是因为坝体的压实度高，各土层的渗透系数都在10-7～10-6之间，重金属离子未能迅速扩散。

图7 未铺设土工膜工况下Pb2+的迁移分布图

3 结论

(1)在上游渗滤液水头保持不变的情况下，当渗流场稳定时，渗滤液从上游向下游流动，渗流场分布符合一般规律。渗流路径受到防渗设施的阻挡，在土工膜和防渗墙的接触部位发生较大的水头损失，渗滤液最终会在下游排水棱体处排出。

(2)当上游铺设土工膜后，重金属离子的迁移扩散区较未铺设土工膜下大，但是也局限在一定范围内，重金属离子的迁移受到一定的约束。

(3)铺设土工膜并保证土工膜完整性对于防止渗滤液渗漏具有重要意义。

由于本文未考虑多种重金属离子共同作用对地下水污染影响，还需进一步研究。