基于GMS的某垃圾填埋场地下水环境影响预测研究

金 志

(安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究区概况

1.1 垃圾场基本情况

马鞍山市向山生活垃圾填埋场位于向山镇东约6 km处的原向山硫铁矿的尾矿库内，1984年设计，1985年启用，采用简易填埋法处理全市垃圾，项目总占地面积约19.8万 m2，实际处理能力600 t/d，总库容462.5万 m3。该生活垃圾处理场南面为马钢南山铁矿排土场，平均标高为100 m，东北和东南被山环绕，平均标高约70 m，属于丘陵山谷型垃圾场。

2004年，由于库容饱和及填埋工艺达不到卫生填埋技术标准，马鞍山市环境卫生管理处对填埋场进行了扩建及达标整治。经有关部门踏勘及场址对比确定，继续征用尾矿库建其余库区，做生活垃圾处理场使用，新征用场地按照建设部颁布的《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》(CJJ17-2001)设计，使其达到卫生填埋的技术要求。扩建填埋场并新建防渗措施、渗滤液导排、填埋气收集及渗滤液处理站等。对于新库区，填埋场库区底部水平防渗，防渗层之上铺设有导流层和反滤层，通过渗滤液收集盲沟，最终汇集到渗滤液调节池进行处理，总投资7 903.33万元。原有的垃圾填埋场，因没有设置厂区周边截排洪沟，填埋区地层防渗，垃圾污水处理等措施，对其封场，且设置垂直防渗。

1.2 地质环境背景条件

向山垃圾填埋场地貌单元属于沿江丘陵平原区，地形略有起伏，地势总体特征为南北部高，西部低，区域分布标高9.8～165.0 m；垃圾填埋场南靠马钢南山铁矿排土场，西边是原尾矿坝，三面环丘，一面靠坝，场内地面高程为65.0～105 m左右，微地貌类型为岗坡地和低丘。场区地层主要为第四系素填土、残坡积土，基底为白垩系下统大王山组(K1d)火山角砾、火山集块岩和火山熔岩。

1.3 水文地质条件

1.3.1 地下水类型

场区周边地下水划分为松散岩类孔隙水和岩浆岩类孔隙裂隙水。

1)松散岩类孔隙水

该含水岩组主要分布在现代河流沿岸及山区谷地平原中，岩性由第四系全新统芜湖组(Qhwf)地层组成，岩性黄褐色、灰褐色粉质粘土、细、粉砂等，具铁锈斑点及铁锰结核，胶结松散，含孔隙潜水，水位埋深1～3 m，单井涌水量10～100 m3/d。地下水化学类型多为HCO3·Cl-Na·Ca型，溶解性总固体0.5～1.0 g/L。

2)岩浆岩类孔隙裂隙水

地下水赋存在凝灰岩、安山岩、粗面岩等火山熔岩及火山碎屑岩岩体中，含水介质为构造裂隙及岩体接触带裂隙。由于区内火山岩在空间、时间上的成因联系，其含水介质、水动力特征及水化学成分等环境水文地质条件相似，故形成了统一的火山岩孔隙裂隙水含水岩组水文地质单元，后期，由于受构造作用或风化蚀变影响程度的不同，其内部的富水性、渗透性差异显著，如构造破碎带附近、岩体与火山岩、矿体与围岩接触带处，裂隙发育，连通性强，并在岩石具碳酸盐化处发育有开启度较大的通畅裂隙，形成相对富水区，单孔涌水量约50～100 m3/d左右；但在泥化、强高岭土化凝灰岩类分布区，因导水裂隙不发育，则形成局部的隔水体，如本建设工程项目所在场区出露的白垩系下统大王组(K1d)凝灰岩类，区域呈南北向延伸分布，与山体走向一致，则是该含水岩组在其东侧的相对隔水边界，单井涌水量小于10 m3/d。地下水类型主要为HCO3-Ca·Mg型，在硫化矿床附近为HCO3·SO4-Ca·Mg型，溶解性总固体约1.0 g/L左右，pH=7.1左右。

1.3.2 地下水补径排条件

松散岩类孔隙水主要补给来源为大气降水入渗，次为岩浆岩类孔隙裂隙水的越流补给；地下水总体按省界附近的山体为界，西侧流向自东而西，东侧自西向东，与地表径流方向基本一致，但地下水径流速度滞缓；地下水排泄方式以地面蒸发为主，次向地表水体排泄。

岩浆岩类孔隙裂隙水裸露区补给来源主要是大气降水垂直入渗。大气降水通过基岩露头区的构造裂隙垂直入渗，随地形坡降向构造破碎带、岩体接触带附近裂隙发育处运移、汇聚，形成似带状或脉状含水层或富水区。

2 垃圾填埋场对地下水环境的影响

本次在填埋场渗滤液池内采取1组渗滤液水样进行监测(见表2)，主要监测pH、色度、BOD5、CODcr、总氮、氨氮、总磷、总汞、总镉、六价铬、总砷、总铅、大肠杆菌群，参照《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》标准，填埋场渗滤液中，BOD5超标51.46倍、CODcr超标6.57倍、总氮超标1.67倍、氨氮超标1.88倍、总磷超标38.46倍、总汞超标5.26倍、总镉超标2.31倍、六价铬超标8.38倍、大肠杆菌群超标533.33倍，渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，如果渗滤液处理站运营出现问题或处理过程中出现了泄漏现象，极有可能污染下游的地下水环境。

表1 向山生活垃圾填埋场渗滤液监测结果

项目对垃圾填埋场周边地下水进行了监测，其中在填埋场周边采取了8组地下水进行水质监测，分丰枯两期，监测pH、浑浊度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、碳酸根、重碳酸根、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体、挥发酚、总硬度、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氟化物、氰化物、砷、汞、六价铬、铅、镉、铁、锰、总大肠杆群。

根据本次地下水水质监测结果，场区地下水枯水期超标项目包括溶解性总固体、硫酸盐、总硬度、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐氮、氟化物、六价铬、铅、镉、铁、锰和总大肠杆菌群，超标井数最多的和倍数最高的监测项目为硫酸盐、铁、锰和总大肠杆菌群，铁、锰超标率高达100%，总大肠杆菌群超标率为87.5%，硫酸盐超标率为75%，其中硫酸盐的超标倍数1.02～15.05倍，铁的超标倍数4.16～24.78倍，锰超标倍数6.30～51.75倍，总大肠杆菌群超标倍数1.33～73.33倍；场区地下水丰水期超标项目包括pH、溶解性总固体、硫酸盐、总硬度、高锰酸盐指数、氨氮、氯化物、氟化物、铅、镉、铁、锰和总大肠杆菌群，超标井数最多的和倍数最高的监测项目为硫酸盐、铁、锰和总大肠杆菌群，铁和锰超标率为88%，硫酸盐超标率100%。其中硫酸盐的超标倍数1.61～11.13倍，氨氮超标的倍数1.44～73.32倍，铅超标1.18～7.84倍，铁的超标倍数6.94～204.3倍，锰超标倍数5.59～2 006倍，铁和锰超标率为100%，总大肠杆菌群超标倍数2.33～266倍。整体来看，场区周边地下水水质一般，多项指标出现超标，其中铁、锰离子超标与区域背景值超标有关，其它超标项考虑与人为活动有关，超标项目较多的主要为1号、2号、4号、5号、7号、15号井，其中2号井位于渗滤液处理站的东侧，距离处理车间很近，超标最严重的15号井距离填埋场西北侧的污水处理厂很近，一墙之隔，以上两个监测井都距离污染源很近，而且向山垃圾填埋场建设在南山铁矿排土场的北面，原向山硫铁矿尾矿库的东面，由于排土场废石和尾矿库中硫化物风化产生的酸性排水，堆积物中含有硫化物的岩体发生溶滤作用，从而使得溶解性总固体、硫酸盐、总硬度等指标相对增高，造成地下水水质污染。

3 地下水流数值模拟和污染物溶质运移数值模拟

3.1 水文地质概念模型

3.1.1 评价区概况

评价区地下水类型主要为岩浆岩类孔隙裂隙水，地表覆盖较薄的第四系黏土层(<6.6 m)，含水层岩性主要为全-强风化安山质凝灰岩，为本次评价的目的含水层。向山垃圾填埋场位置如图1所示，主要污染源位于老库区及渗滤液处理站位置，模型范围依据地形等高线确定，并包括南山矿业的矿坑的范围来进一步说明该矿坑对区域地下水流场的影响。

图1 向山垃圾填埋场位置与模型范围

3.1.2 三维地质模型

图2 详细模拟区三维地质模型

3.1.3 边界条件概化

根据收集得到的地形以及水文地质资料，结合区域地下水流向与观测井水位，将研究区南北概化为给定水头边界，东北部概化为隔水边界。此外，南山矿坑以MODFLOW-2005内置的Lake子程序包处理，通过输入矿坑底部高程与垂向降雨、蒸发交换量，以及底部岩层的渗透系数来表征与地下水系统的水力联系。对于基岩裂隙水含水层，采用等效多孔介质方法模拟地下水系统。

3.2 建模过程

3.2.1 前期数据处理

本次建模首先基于前期收集的场地资料，在ArcGIS软件中对地层数据、地表高程、河流等信息进行数据化处理，为构建水文地质概念模型提供条件。

3.2.2 构建三维地质模型

在GMS软件中利用相应模块处理的研究区钻孔数据构建三维地质模型，合理概化主要含水层的空间分布特征。

3.2.3 网格剖分

模型的空间离散通过矩形网格对评价区进行剖分，在污染源区位置进行网格的局部加密，最小网格间距为5 m，最大网格间距达20 m，垂向上分为三层。网格剖分如图3所示。

图3 模型区网格剖分单元

3.2.4 源汇项设定

评价区地下水主要补给来源为大气降水入渗补给，年均降雨量为1 060 mm/a。根据现场调查结果与结合经验参数，评价区主要为裂隙基岩地下水，垂向水力联系较弱。因此，结合年均降雨蒸发资料，初步确定评价区入渗补给系数为0.000 1 m/d，该参数综合表征了含水系统垂向水量交换。

3.2.5 初始流场

本次模型的初始流场根据现场水井实测水位，结合地质参数分区进行稳定流模拟，反复调参后得到流场基本符合该场地大部分钻孔水位后，将该流场作为模型的初始流场。

3.2.6 水文地质参数确定

根据《马鞍山市生活垃圾焚烧发电项目环境影响评价项目水、地质调查报告》资料，参照相同岩性地区各参数经验值，初步确定全中风化凝灰岩含水层渗透系数为0.5 m/d，孔隙度为0.1，纵向弥散度为25 m，横向弥散度为2.5 m。由于评价区全覆盖风化的凝灰岩层，参数在全区取相同数值。包气带岩性主要为黏土、粉质黏土与素填图，其渗透系数在2.4×10-5～5.5×10-5cm/s之间。本次模拟通过与实地调查的地下水水位对比，识别主要水文地质参数，拟合获取参数的空间分布。

3.3 模型识别与验证

本次选取研究区14个观测孔的水位作为实测值，同时输出模型模拟的水位，通过调参不断提升两者的拟合精度。模型区枯水期和丰水期的地下水流场如图4，如图中所示，枯水期14个观测孔水位计算值与实测值误差小于2 m，丰水期13个观测孔水位计算值与实测值误差小于2 m，表明该模型可以较准确地反映区域地下水流系统，其地下水流方向基本上由东南向西北。

图4 模型区地下水流场及校正结果

3.4 地下水环境影响评价

选用GMS界面下的MT3DMS软件进行三维溶质运移模拟，本着风险最大化原则，在模拟污染物运移扩散时不考虑吸附作用、溶解、化学反应等因素，重点考虑对流、弥散、源汇项作用。污染指标均采用污染源超标严重的典型污染物，进一步分析填埋场可能对地下水环境造成的影响。本次地下水环境影响预测主要考虑两种工况：正常状况和非正常状况下的地下水环境影响。

3.4.1 模拟因子选择

根据各污染源特点，本次预测选取COD作为模拟因子，模拟并评价各污染物在地下水中的迁移距离及范围，分析该填埋场项目可能对地下水环境造成的影响程度。根据实地采样后分析的渗滤液各组分浓度，预测因子的初始浓度确定为657.08 mg/L。

3.4.2 预测方案

1)正常状况

拟建工程填埋场潜在污染源均按要求进行防渗，场区内垃圾渗滤液和污水处理站废水经过处理后需全部回收利用。因此，在正常状况下，各种污染物不易进入地下水系统，对地下水环境的影响较小。本次防渗措施标准设置垂向渗透系数为1×10-6m/d。

2)非正常状况

根据建设项目的规划，渗滤液处理站或污水处理站在生产过程中出现建筑物破损、防渗措施失效、废水出现泄漏，均可能造成地下水的污染。一般有两种污染形式，其一为长期渗漏，污染类型为长期的连续入渗污染，排放规律为连续恒定排放，其二为间断性入渗污染和溢出，排放规律为非连续恒定排放。根据各污废水的污染物，选取有代表性的污染物作为特征因子进行预测。

将场区内潜在污染源概化为为面状污染源，考虑到非正常状况下，厂区内水池多为半埋式，泄露点位于地下，污染物泄漏不易发现，污染扩散至周边监测井有一定的距离，具有一定隐蔽性，一时难以发现，可将其看作长期的渗漏，，将污染源设定为长期渗漏，连续恒定排放，考虑到防渗措施不会大面积破坏，污染物渗漏点的入渗系数较小，取0.000 1 m/d，特征污染源指示剂为COD。

本次地下水预测按照最不利的情况，非正常状况下，假定泄漏面积为地下调节池基底面积的5%，调节池渗滤液持续泄漏渗入地下水中。调节池防渗面积为6 920 m2，平面尺寸为40 m×173 m。假设最长模拟期为30 a，分别取预测时长为5 a，10 a，20 a，30 a后的污染羽分布情况。

(a)5年 (b)10年 (c)20年 (d)30年

3.5 预测结果

3.5.1 正常状况

正常状况下，污染源的污染物泄漏后，其特征污染指标COD迁移5 a、10 a、20 a和30 a后污染羽分布，见图5，其最小浓度为检出限。

从图5中可以看出，在模拟期范围内COD的污染羽范围均满足地下水质量标准III类水，即COD污染羽中心最大浓度为1.23 mg/L，小于3.0 mg/L。

3.5.2 非正常状况

非正常状况下，污染源污染物泄漏后，其特征污染指标COD迁移5 a、10 a、20 a和30 a后污染羽分布，见图6。

非正常状况下，污染物进入地下水，污染物沿污染中心向四周浓度逐渐减小，浓度梯度较大；污染物在含水层中会沿地下水流方向呈近似椭圆形状运移，污染物在5 a、10 a、20 a与30 a后，运移距离与迁移范围逐年增加，评价区内COD最大超标范围达125 423.1 m2，最大运移距离达640.3 m；表明事故条件下，污染物的泄露对地下水环境造成了不利的影响。

(a)5年 (b)10年 (c)20年 (d)30年

4 结语

(1)运用GMS 软件建立向山生活垃圾填埋场地下水三维数值模型，经过模型的识别和验证，模型模拟效果较好。预测结果表明: 在设定的正常状况下，即防渗措施达到一定级别后，污染物渗漏量较小，污染物在地下水系统中的浓度均满足地下水质量标准III类，即对地下水环境影响十分有限；非正常状况下，污染物进入地下水，含水层中污染物浓度逐渐升高，劣质水面积增大，污染范围不断扩大，将对场地地下水水质产生污染。

(2)建议在项目的建设与营运过程中，在垃圾填埋场周围共需设置5座监测井，本底井1座、污染扩散井2座、污染监视井2座，定期监控水质的变化情况并采取相应的控制措施，使处理后的废水达到排放标准，并建立风险事故应急响应。