生活垃圾填埋场对地下水的影响研究

刘 涛，张 珂

（河南省地矿局第一地质环境调查院，河南 郑州 450000）

0 引言

随着人们对环境问题重视程度的提高， 偏远地区及农村生活垃圾治理将成为一项重要的工作。 在交通不便或距离大型生活垃圾集中处理点较远的地区，为了有效改善生活垃圾处理问题，建设小型集中式生活垃圾填埋场就成为一个有效而可行的方法。 但生活垃圾填埋场对环境的影响也必须得到足够的重视。 从可能的污染范围及治理难度来看， 生活垃圾填埋场对地下水的影响最为重要。 笔者以青海省某生活垃圾填埋场为例，利用解析法对非正常状况条件下发生的污染溶质运移进行了模拟，计算出其影响范围，以期为类似项目的建设提供参考。

1 工程概况

青海省某生活垃圾填埋场总库容（包括覆盖土、封场土）约为4.4×104m3，建成后可满足所在区域至2035 年累计垃圾产生量1.981×104t 的填埋要求，填埋年限达17 年。 2035 年垃圾场日处理能力为3.47 t／d。 填埋场区包括填埋库区、垃圾坝、截洪沟、渗沥液调节池；管理区包括管理间、设备间、清水池、污泥池等设施。填埋库区位于场区东部，渗沥液调节池位于填埋库区的西部。

本工程运营期，主要废水来源为渗沥液。 填埋场产生的渗沥液通过渗沥液导排系统及时加以收集，并通过渗沥液排水管迅速排至场外的渗沥液池内。 在正常情况下，该工程不会对地下水产生较大影响。 在非正常状况下， 渗沥液可通过防渗层、坝体、坝基等渗入地下水系统，对地下水环境产生影响。 本项目特征因子为CODcr、BOD5、SS、NH3-N，设计渗沥液水质参照与本工程垃圾特性、气候等条件相近的垃圾填埋场渗沥液水质参数，水质参数如表1 所示。

表1 渗沥液水质参数表Tab.1 Water quality parameter of leachate

为了预测本工程对地下水的影响， 专门进行了水文地质勘查工作，主要包括地球物理勘探、水文孔钻探、抽水试验、渗水试验、水质取样及测试等，并在此基础上确定了调查评价范围。 根据工程所在区域地下水流向， 划定以场区向东约500 m 作为调查区上游边界，以场区向南、向北各1 000 m 作为侧向边界，以场区向西3 525 m 作为下游边界，调查评价区面积约为8.05 km2。

2 地质环境条件

2.1 地形地貌及地层概况

评价区地势总体东高西低， 地貌类型属山间、山前冲洪积平原，海拔在3 265～3 320 m 之间。评价区内地层自上而下分别为第四系地层及新近系地层。项目场区附近无区域性断裂、全新活动断裂构造通过［1］。

2.2 水文地质条件

2.2.1 包气带特征

图1 项目区水文地质剖面图Fig.1 Hydrogeological section of the project area

根据岩土工程勘查及水文孔施工钻孔编录资料，场区包气带厚为43.5～46.7 m，岩性从上到下依次为耕土层、粉沙层、沙卵砾石。耕土层呈浅黄色，含大量植物根系，全场均有分布，厚度为0.8～0.9 m；粉沙层呈杂色，母岩以石英和长石为主，稍密，稍湿，平均厚度为15.17 m；沙卵砾石层厚度约30 m［2-3］。项目区水文地质剖面如图1 所示。

在水文地质勘查过程中， 选用双环法对场区内包气带的渗透性进行研究， 渗水试验结果如表2 所示。 由表2 可知， 场区包气带平均垂向渗透系数为7.7×10-3cm／s。 包气带厚度为43.5～49.87 m。 结合天然包气带防渗性能分级参照表（如表3 所示），厂区防污性能为弱［4］。

表2 场区渗水试验成果表Tab.2 Result of field seepage experiment

表3 天然包气带防污性能分级参照表Tab.3 Reference of anti-polluting performance classification of natural aeration zone

2.2.2 地下水含水层特征

评价区内地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水及承压水。 第四系松散岩类孔隙潜水主要分布于评价区东部，含水层主要集中在43～56 m，含水层岩性主要为沙砾卵石，水位埋深约为43 m，单井涌水量大于5 000 m3／d。 评价区内潜水含水层平均渗透系数为7.05 m／d。 第四系松散岩类孔隙承压水主要分布在评价区西部，含水层岩性为含砾粗沙、含砾中粗沙及中粗沙等， 第一承压水顶板埋深50～100 m，单井涌水量小于100 m3／d， 相对隔水层为粉沙质亚沙土， 上部潜水含水层岩性主要为含砾粗沙夹细沙及亚沙土，单井涌水量大于5 000 m3／d。

2.3 地下水补给、径流、排泄条件

评价区属于山前冲洪积倾斜平原区， 第四系孔隙潜水主要补给来源是东侧山区沟谷中地表水出山后的垂直渗漏，其次为基岩裂隙水的侧向补给。因年蒸发量远大于降雨量，加之地下水埋深大，大气降水不能直接入渗补给地下水。 第四系孔隙潜水自东向西流向湖区，水力坡度约为1%。

2.4 地下水开发利用现状

根据现场调查， 评价区内无集中式地下水饮用水水源地保护区、无分散式地下水开采井，评价区及周边有牧民季节性放牧， 但牧民及牲畜饮水都以地表水为水源。

2.5 地下水环境现状

为了全面反映评价区地下水环境质量， 结合项目选址及其周围环境敏感点、地下水污染源、主要环境水文地质问题现状以及对于确定边界条件有控制意义的地点， 在水文地质勘查工作中共设计施工6个水位及水质监测点，监测点信息如表4 所示。

表4 地下水水位及水质监测点信息Tab.4 Information of groundwater level and water quality monitoring point

根据项目特点， 确定本次地下水水质监测因子为：K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、pH 值、色度、悬浮物、氨氮、总硬度、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硝酸盐（以氮计）、亚硝酸盐（以氮计）、挥发酚（以苯酚计）、氰化物、氟化物、砷、汞、铁、锰、铅、镉、六价铬、总铬、CODcr、BOD5、总磷、总氮，共检测32 项。

经检测分析，评价区地下水水质满足《地下水质量标准》（GB／T14848-2017）中的Ⅲ类水质标准要求［5］。

3 地下水环境影响预测

3.1 预测情景及因子

3.1.1 预测场景

根据地下水环境影响识别结果， 项目建设期生活污水和施工废水产生量较小，且污染物类型简单，在采取相应环保措施的情况下， 对周边地下水环境影响很小。因此，本次重点评价项目运营期非正常状况下对周边地下水环境的影响。

在非正常状况下， 工艺设备或地下水环境保护措施因系统老化、 腐蚀等原因不能正常运行或保护效果达不到设计要求，使防渗层功能降低，导致污染物进入含水层中，污染地下水。 本次预测评价主要选取填埋场场区及渗沥液池作为污染源，预测范围为整个地下水评价范围， 预测时间段为100 d、1 000 d、3 650 d（10 a）、6 205 d（17 a）。

3.1.2 预测因子

根据评价区地下水环境质量现状， 确定以各预测因子的地下水质量标准（GB／T14848-2017）中的Ⅲ类标准为超标影响限值， 以各预测因子的检测方法检出限作为影响限值，CODcr、 氨氮的超标及影响范围限值如表5 所示。

表5 超标及影响范围限值统计表（单位：mg／L）Tab.5 Statistics of exceeding and limit of influence range （Unit： mg／L）

3.2 预测模型选取

按照 《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ610-2016）要求，采用解析法进行污染物的运移预测。 将污染物的运移概化为一维稳定流动水动力弥散问题，不考虑污染物在含水层中的吸附、交换、挥发、生物化学反应，同时考虑物料持续泄露在一段时间后停止。 基于连续线性非恒定浓度点源的解析法叠加运算， 本项目地下水中溶质运移的模型如式（1）所示。

式中：C（x，t）为t 时刻，沿地下水水流方向距泄露点x 距离处的浓度，mg／L；C0为泄露点处特征因子的初始浓度，mg／L；C1为t＞T1时泄露点处特征因子的浓度，这里为0；x 为距泄露源的距离，m；T 为时间，d；DL为纵向弥散系数，m2／d；u 为地下水实际流速，m／d；T1为物料持续泄露时间，d；erfc（）为余误差函数。

受资料限制， 本次污染溶质运移模拟计算未考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应，模型中各项参数予以保守性考虑。 模型中各计算参数经由水文地质勘查及收集资料整理计算求取。

3.3 预测评价

3.3.1 渗沥液调节池渗漏运移预测

当防渗系统老化或腐蚀破损时，废水将通过失效后的防渗系统泄漏至地下水环境，即通过包气带进入到地下水中。在不考虑包气带对污染物的阻滞、降解、吸附等作用的情况下，废水渗漏量可按式（2）计算。

式中：Q 为废污水渗漏量，m3／d；K 为包气带垂向渗透系数，m／d；I 为水力梯度；A 为防渗失效面积，m2；h 为池中液体的深度，m；d 为包气带厚度，m。

经计算， 非正常状况下废水渗漏量Q=7.02 m3／d。根据工程分析，CODcr浓度为7 500 mg／L，NH3-N 浓度为2 000 mg／L。 根据渗沥液收集池距下游监测井的距离（约10 m）和发现渗漏及采取有效措施制止渗漏的时间（大约为28 d），计算出进入含水层的污染物渗漏量为：mt-COD=1 474.2 kg，mt-氨氮=393.12 kg。

基于以上水文地质参数及污染源源强， 对非正常状况下污染物CODcr、NH3-N 对地下水的影响进行了定量的评价，预测结果如表6 和表7 所示。

表6 非正常状况下渗滤液收集池渗漏污染物CODcr 运移预测结果Tab.6 Under abnormal conditions， prediction result of leakage pollutant CODcr transportation of leachate collection tank

表7 非正常状况下渗滤液收集池渗漏污染物NH3-N 运移预测结果Tab.7 Under abnormal conditions, prediction result of leakage pollutant NH3-N transportation of leachate collection tank

3.3.2 填埋场库区渗漏运移预测

当土工膜下覆黏土层渗透系数小于10-4cm／s 时，通过一个小孔的渗漏量qv可用经验公式（3）计算。

式中：a 为破损小孔面积，m2；h 为土工膜上积水厚度，m；Kc为膜下0.3 m 厚压实黏土层的渗透系数，m／s。

基于中国环境科学研究院的调查数据， 在正常状况下，双人工衬层1 hm2土工膜按存在10 个破损小孔计；在非正常状况下，土工膜漏洞面积约为正常状况下土工膜漏洞面积的25 倍。 填埋区面积为2.14 hm2，经计算，填埋场库区在非正常状况下的渗漏量为1.57 m3／d。根据工程分析，CODcr的浓度为7 500 mg／L，NH3-N 的浓度为2 000 mg／L。填埋场底部渗漏属于持续源， 则填埋期间进入含水层的污染物渗漏量为：mt-COD=73 063.88 kg，mt-氨氮=19 483.7 kg。

基于以上水文地质参数及污染源源强， 预测评价了非正常状况下污染物CODcr、NH3-H 对地下水的影响，结果如表8 和表9 所示。

表8 非正常状况下填埋场渗漏污染物CODcr 运移预测结果Tab.8 Under abnormal conditions, prediction result of leakage pollutant CODcr transportation in landfills

表9 非正常状况下填埋场渗漏污染物NH3-N 运移预测结果Tab.9 Under abnormal conditions， prediction result of leakage pollutant NH3-N transportation in landfills

4 结语

综上所述， 青海省某生活垃圾填埋场在出现泄露事故后， 可能对工程所在地的地下水环境造成一定影响，渗滤液中的CODcr、NH3-N 会沿着地下水迁移，但渗漏17 年后，污染物不会到达评价区下游边界。

虽然垃圾填埋场对地下水的污染影响范围可控，但是为了实现对评价区地下水含水层的保护，还是需要做好防渗措施， 配套建成工程施工地下水监测井。特别是在工程选址及前期论证阶段，最好进行专业的水文地质勘查工作， 摸清项目所在地水文地质条件，将生活垃圾填埋场工程设置于小型饮用水水源地、农田灌溉井等地下水敏感目标区。