某沿海填埋场对地下水环境影响预测分析

王 泽，周海燕

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

1 引言

填埋场在运营过程中由于填埋物所含的水份、微生物的分解、降雨等因素，会产生较多的渗滤液；渗滤液中污染物氨氮、COD及重金属含量较多，水质复杂[1]，对周围的影响很大。填埋物的下渗是地下水氮污染的主要途径，由于物理、化学及生物作用，主要以无机氮的形式存在[2]；当渗滤液泄露，进入到地下水造成污染，对土壤和植物也造成污染[3]，影响区域的生态环境。本文以某沿海填埋场所在区域作为分析对象，量化评估区域水文地质及污染物渗漏进入周边地下水的情况，预测分析地下水中污染物的运移规律，通过数值模拟[4，5]，对填埋场非正常情景状况进行预测，确定非正常情景下污染物泄露对周围环境的影响程度，为填埋场的实施运营提出建议。

2 项目区域概况

某填埋场位于沿海区域，场区地势平坦开阔，场区地势西北高东南低，潜水含水层补给来源主要是大气降水的侧向补给及垂直补给，沿地势自西北向东南径流，主要以泉或片流形式排于沟谷、低洼处或直接排入海中。项目区域勘探深度内地下水主要为火山岩裂隙孔洞潜水，赋存于强风化玄武岩和中风化玄武岩基岩裂隙中。场地水文钻孔深度20.3～46.5 m，尚未揭露隔水底板，含水层厚度大，厚度随潜水面季节性升降而变化，雨季水位上升，含水层变厚，旱季水位下降，含水层变薄，富水性不均，透水能力中等；潜水含水层与承压水含水层之间均有第四系下更新统粘性土层存在，层厚在37.0 m左右，且分布连续稳定，塑性状态基本为硬塑～坚硬，部分呈半胶结状，导水性能微弱，构成了场区潜水与承压水含水层之间的良好隔水层(图1)。

图1 初始流场

3 水文地质参数

根据水文地质勘查成果，场区包气带岩性主要为粉质粘土，厚度2.8～7.2 m，渗透系数介于值3.4×10-6～5.8×10-6cm/s，天然包气带防污性能为“中等”，场区潜水含水层厚度13.00～41.00 m，地层岩性主要为强风化玄武岩、中风化玄武岩；通过抽水试验，得到潜水含水层渗透系数为4.57×10-3～8.51×10-3cm/s；通过土工实验，得到岩土孔隙度0.494～0.560。

4 地下水环境影响预测

4.1 水文地质概念模型

本次模拟的对象为第四纪火山岩裂隙孔洞(隙)潜水含水层和松散-半固结岩类孔隙承压水含水层。通过将预测区域一个相对独立的水文地质单元中含水层的边界性质、介质结构、水力特征和补径排等条件概化，建立水文地质概念模型，以便于进行数学与物理模拟；根据场地周边的地形地貌、水文地质条件等因素综合确定模拟区范围面积约11.4 km2。

(1)边界条件概化。在预测模拟区西北侧为山脊线，为隔水边界，潜水含水层补给来源主要是大气降水的侧向补给及垂直补给，可概化为定水头边界；在预测模拟区东南侧为海域，为地下水的排泄边界。东北侧及西南侧边界以流线划分，即A1概化为第二类流线边界；西北侧以等水头线划分，即A3概化为定水头边界；东南侧以海岸线划分，即A4概化为定水头边界，边界条件概化见图2。对于模拟区顶部边界，在该处主要发生着大气降水入渗补给等，可概化为潜水面边界；对于预测模拟区底部边界，由于分布有一层结构较完整、透水性较差的隔水层，可概化为隔水底板。

图2 边界条件概化示意

(2)含水层结构概化。含水层主要为火山岩裂隙孔洞(隙)潜水含水层和松散-半固结岩类孔隙承压水含水层两大类，根据各地层岩性、抽水试验、渗水试验等结果，结合模型预测的便利，将地层分为3个层进行模拟预测，渗透介质概化为多孔介质，假设是非均质各向异性介质。

4.2 地下水流模型

(1)模型划分。在水平面上采用边长为25 m正方体单元对模拟预测区域进行剖分，将模拟区剖分为139行、135列，平面上共剖分活动单元格9964个、非活动单元格8801个，计算区域水平面上网格剖分情况见图3；垂向上考虑到实际地层渗透性差异较大，将模型剖分为3个大的模型层。

图3 模拟区网格剖分

(2)模型高程确定。采用数字高程模型表示地面标高；对于模型层底面标高，根据勘探钻孔资料，并结合出露情况来获取地层标高，并进行插值而得到底面标高数据，再以克里格空间插值的形式输入到模型。

(3)源汇项设置。模拟区源汇项比较简单，补给主要为大气降水补给，大气降水量取项目地多年平均降水量，当地降雨入渗系数取0.1～0.2。模拟区排泄项主要是蒸发及侧向流出，根据气象条件、土壤植被、水位埋深情况，蒸发量取1761 mm，侧向流出量由达西定律计算得到。

(4)模型识别。选用观测孔实测水位作为识别数据，通过调整水文地质参数，拟合流场，识别水文地质参数、边界值和其它均衡项，以取得较好的拟合效果，使建立的模型更加符合区域水文地质条件。拟合情况见图4，计算水位与实测水位基本相符，验证了边界条件的准确性。

图4 地下水水位拟合结果

4.3 溶质运移数学模型

本次影响预测是通过联合求解水流方程和溶质运移方程，进而得到氨氮和COD污染物非稳定运移的趋势。在水文地质概念模型和地下水流模型的基础上，对不同的水文地质分区进行给水度、有效孔隙率、纵向弥散度等参数赋值，建立不同时间条件下填埋场污染物泄露后的迁移运动趋势模型。本次溶质运移数学模型以风险最大的原则进行预测分析，假设预测污染物氨氮和COD不在含水层中进行物理、生物、化学等反应，只考虑地下水对流、弥散对污染物扩撒的作用。

模拟预测需要的参数主要是弥散系数、有效孔隙度和岩土密度。在水文地质勘察中可以通过实测确定有效孔隙度和岩土密度。水动力弥散尺度效应使得弥散系数的确定相对比较困难[6]，进行野外或室内弥散试验也难以获得准确的弥散系数，结合以往研究成果，根据水文地质勘察及场地实际情况，参考《水文地质手册》[7]选取，本次模拟取弥散度参数值为20 m。

4.4 预测场景及源强

正常状况下，填埋场产生渗滤液进行处理，场区进行分区防渗，可以从源头上减少污染物渗漏进入地下水含水层的量，项目对地下水环境影响较小。本次预测模拟主要考虑填埋场渗沥液收集池因为老化等原因发生渗漏对地下水可能造成的影响。污染物在下渗过程中，虽然经过包气带的过滤及吸附，仍然会有部分污染物进入潜水含水层，污染潜水；随地下水的流动和在弥散作用下，在含水层中扩散迁移；含水层颗粒愈粗，透水性愈好，则污水在含水层中的扩散迁移能力就愈强，其危害就愈大。本次选取氨氮和COD作为预测因子，非正常状况情景设置为渗沥液收集池持续渗漏，预测时段分别取100 d、365 d、1000 d、1825 d、3650 d。

4.5 预测结果分析

非正常状况情景下，渗沥液污染物持续渗漏，不同时间段氨氮和COD的影响范围、超标范围和最大运移距离预测结果如表1所示，污染物运移情况剖面见图5～8。

表1 非正常状况情景下不同时间的预测结果

图5 氨氮泄露1年后污染物浓度

图6 氨氮泄露10年后污染物浓度

图7 COD泄露1年后污染物浓度

图8 COD泄露10年后污染物浓度

从预测结果可以看出，在非正常状况情景下，地下水中氨氮浓度在3650 d后超出《地下水质量标准》[8]Ⅲ类标准的影响范围为1349431 m2，最大运移距离为1784 m，浓度大于0.01 mg/L影响范围为1565312 m2；地下水中COD浓度在3650 d后超出Ⅲ类标准的影响范围为988958 m2，最大运移距离为1653 m，浓度大于0.3 mg/L的影响范围为1289426 m2，氨氮超标范围整体大于COD超标范围。根据预测结果，非正常状况情景下，渗沥液发生持续性泄露，对地下水环境一定造成影响，随着时间推移，氨氮和COD浓度不断升高，影响范围不断扩大。

5 结论

(1)预测分析涉及的场区及周边含水层主要为火山岩裂隙孔洞(隙)潜水含水层和松散-半固结岩类孔隙承压水含水层两大类；由于存在连续稳定的粘性土层，潜水含水层与承压水含水层之间界限明晰，隔水效果较好，即使污染物泄露进入潜水层，也难以渗透进入承压水层；根据模拟结果，污染物主要在潜水含水层扩散运移。

(2)正常状况情景下，渗滤液处理设施运转正常、地下防渗措施完好，污水不会渗漏进入地下，对地下水基本不会造成污染。非正常状况情景下，氨氮和COD下渗进入潜水含水层中，形成超标污染晕，受水动力场控制向东南迁移，污染范围持续扩大；COD超标污染晕在3650 d后迁移距离达到1653 m，影响范围为988958 m2；氨氮超标污染晕在3650 d后迁移距离达到1784 m，影响范围为1349431 m2。

(3)在非正常状况情景下，超标污染晕将扩散至下游，需采取严格的防渗措施以及制定完善的管理制度和跟踪监测计划，最大程度地避免发生污染物泄露，最短时间发现污染物泄露并处置好，减小污染物对周边地下水环境造成的影响；同时避免在场区及周边布设揭穿承压含水层顶板的深孔，以防止非正常状况情景下污染物串层污染深层承压水，造成较大影响。