某生活垃圾填埋场地下水污染物运移模拟

宋旌鸣,黄 勇

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 211100)

地下水是我国水资源中重要的资源之一,我国水资源总量为27 940亿m3,其中地下水资源总量为8 840亿m3,占总水资源总量的1/3。作为饮用水,我国约有70%的人口把地下水资源作为主要的饮用水源,在农村超过95%的人口饮用地下水,在我国北方地区的干旱-半干旱城市、乡村,地下水成为唯一的饮用水来源。我国有310个城市通过开采地下水,将其作为城市的生活供水水源,城市比例达到全国城市总数的71%左右。但是,随着社会的高速发展及人口、经济的快速增长,人们对环境的保护越来越不重视,导致地下水污染越来越严重[1-4]。

目前,地下水数值模拟软件的发展越来越快,多种数值模拟软件(如Modflow、GMS、Feflow等)被应用于地下水的溶质运移模拟中,模拟污染物的运移规律等[5]。研究以南京溧水区生活垃圾填埋场的环境修复和开发利用为背景,针对南京溧水生活垃圾填埋场封场后垃圾渗滤液的泄露可能造成的地下水环境污染,通过一系列试验取得水文地质参数进行地下水数值模拟,进而对研究区进行地下水环境影响预测,旨在为垃圾填埋场的污染防治提供科学合理的参考依据。

1.1 研究区位置

研究区位于南京市中南部,即溧水区,面积为1 067 km2，是南京四大副城之一,地处苏皖两省、宁镇马三市交界处,31°23′～31°48′N,118°51′～119°14′E,是华东地区重要的交通、物流枢纽,同时也是国家重要影视基地以及长三角地区的制造业基地。垃圾填埋场西临新戴运河,其西侧565 m处(距研究区1 200 m)为马庄村,西侧460 m处(距研究区1 400 m)是街集村;南面是美人山公墓和农田。

1.2 研究区地层概况

场地位于溧水区栖凤路中段(永阳镇范围内)的S88高速公路西侧,交通便利。场地地形总体呈西高东低之势,勘探期间场地范围内地面标高在28.51～51.81 m，地貌单元属岗地。根据野外钻探、原位测试及室内土工试验成果,在勘察深度范围内揭示的地层自上而下为:

(1) (Qml)杂填土:杂色,由黏性土、碎砖、碎石等建筑垃圾组成,结构松散,厚度在0.60～5.80 m。

(2) (Qml)素填土:黄褐～灰褐色,主要由黏性土组成,偶见碎砖、碎石及植物根茎,填土年限大于10年,结构松散,均匀性差,厚度在0.5～1.5 m。

(3) (Qml)杂填土:灰黑色,主要由生活垃圾组成,局部夹碎石、砖块等,厚度在1.1～10.9 m。

1.3 水文地质条件

场地地下水主要属孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙潜水赋存于填土中，主要补给来源为大气降水、地表水,径流滞缓,排泄方式以蒸发为主,由于季节的不同对降水、蒸发存在影响,因此水位动态变化也会更加明显,地表水与地下水联系密切。勘探期间,测量得孔隙潜水稳定水位埋深在0.22～2.55 m,稳定水位标高平均值为7.30 m,初见水位一般比稳定水位高0.20～0.30 m。据区域水文地质资料表明,场地地下水位年变幅在1.00 m左右。基岩裂隙发育,赋存少量裂隙水,富水性不均。

区域地下水补给来源主要有两种：一是垂直方向上的补给,来自大气降水入渗；
二是侧向补给,降水量平均值为1 106.7 mm/a,雨季较长,主要集中在夏季。降水是地下水的主要补给源，地下水位与降水量关系密切,地下水位随降水量的增加而上升,随降水量的减少而下降。碎屑岩类裂隙含水层补给径流排泄条件受地形及第四系残积土厚度控制明显,在山坡基岩出露及松散覆盖层厚度较薄处直接接受大气降水补给。

地下水排泄方式包括蒸发和地表径流。据气象资料显示,该地年平均蒸发量为1 287 mm/a,但地下水的蒸发量与地下水位埋深有关,蒸发量的大小与蒸发极限深度有关,研究中取5 m埋深,超过蒸发极限深度,蒸发的影响可以忽略不计,且实际地下水蒸发量比水面蒸发量要小得多。地下水的另一个排泄方式为向地表水塘、湖泊和河流排泄。

2.1 水文地质概念模型

水文地质概念模型首先要对地下水系统进行综合分析,在此前提下,对模拟区域的地质情况、含水层的实际边界条件以及水力特征等水文地质条件进行汇总、归纳和处理,把一个复杂的水文地质体转化为一个便于进行数学、物理模拟的概化模型。水文地质概念模型的建立需要考虑以下几个方面:模型需反应出研究区水文地质原型;模型的各类边界条件要与研究区的地下水流场特征相符合;模型中概化后的边界要尽可能与自然边界相对应;模型中人为的边界条件要从不利因素角度考虑[6-8]。

研究区东、西、北三侧被一大型河流所包围,因此将这三侧概化为第一类边界,称为定水头边界,河流水位即为水头;南侧位置较高,为地下水分水岭,当作隔水边界处理,潜水含水层底部为基岩,岩体完整性较好,可作为隔水边界,由此得出调查评价范围以及研究区的水文地质概念模型(见图1)。

图1 水文地质概念模型Fig.1 Hydrogeological conceptual model

2.2 数学模型

非均质、各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统的地下水水流模型为

(1)

其中:Ω为研究区模拟范围;μs为含水层贮水率,即当水头降低1单位时所释出的水量(1/m);h为含水层的水位(m);W为源汇项,即水流模型中外来的补给或排出(m3/d);Kx、Ky、Kz为3个方向上的渗透系数(m/d);h0(x,y,z)为水位的分布(已知)(m);Г1为地下水水流模型中的第一类边界;Г2为地下水水流模型中的第二类边界;n为渗流区域二类边界的外法线方向;k为渗透系数张量(m/d);q(x,y,z,t)为渗流区域二类边界上的一个流量函数(已知),它的正负值取决于渗流区域内流量的流入与流出,当处在隔水边界时相当于既没有流入也没有流出,即为0。污染物控制方程可表示为

(2)

2.3 模型参数识别

研究区的中心点选取为模型的坐标原点,x、y轴分别为正东、正北方向,z轴为垂直方向,根据研究区地层资料,将垂直方向上分为8层,由于研究区面积较大,因此离散也比较密集,即290 052个节点,511 824个单元(见图2)。

为了验证模型的合理性和有效性,需要对所建的数值模型进行参数识别,即确保所建模型能够准确地反映出评价区水文地质条件概况。根据检测孔的地下水位,获得了整个模拟区的等水位线图(见图3),将现场试验和勘查所获得的各水文参数作为模型参数的初始值,通过对计算水位与10个实测水位(见表1)进行比较,反复调整模型参数,获得了二者最佳拟合结果[9]。

图2 研究区域剖分图Fig.2 Research area dissection map

图3 评价区地下水等水位线Fig.3 Groundwater level map of the evaluation area

表1 现场地下水位调查一览表

拟合后模型参数：渗透系数K1x为0.94 m/d，K1y为0.94 m/d，K1z为0.094 m/d,K2x为0.5 m/d，K2y为0.5 m/d，K2z为0.05 m/d,K3x为0.039 m/d，K3y为0.039 m/d，K3z为0.003 9 m/d;给水度为0.09;水力坡度为0.002 565;孔隙度为0.4;纵向弥散度50 m;横向弥散度5 m;防渗材料渗透系数为0.000 086 m/d;防渗材料厚度为1 m;垃圾场氨氮质量浓度为1 000 mg/L。

2.4 运行期计算工况

由于垃圾填埋场渗滤液中污染物成分复杂,在此仅选择污染物超标最为严重的氨氮进行预测分析,针对研究区垃圾填埋场对水质的影响范围,分别考虑以下两种工况[10-13]:

(1) 假设研究区正常运行,垃圾场防渗完好,将污染物在研究区及其在周边范围内的运移考虑在内,运行时间为20年,预测时段分别为100天、1 000天、5年、10年和20年。

(2) 突发事故条件下,垃圾场防渗完全失效,在这种情况下,污染物的运移速度变快,渗滤液流量也因此增大,预测时间为20年,预测时段分别为100天、1 000天、5年、10年和20年。

3.1 正常工况(防渗帷幕正常工作)

垃圾场的氨氮初始质量浓度为1 000 mg/L,正常工况下第100天时,垃圾场污染源迁移距离为2.37 m；
第1 000天时,污染源迁移距离为4.50 m；
第5年时,污染源迁移距离为7.39 m；
第10年时,污染源迁移距离为9.62 m；
第20年时,污染源迁移距离达到最大,为18.16 m,平面上受到污染的总面积为57 996.05 m2。由于四周存在防渗墙且东北方向有一大坝，所以在模拟时间内污染物扩散范围随时间变化缓慢,浓度升高亦缓慢(见图4)。在垂直方向上,由于没有水平防渗,其影响较大,20年后污染物的影响深度已经到达含水层底部(见图5)。表明在正常工况下,污染物在水平方向上的迁移距离较小,而垂直方向上由于没有水平防渗影响较大。

图4 特征污染物氨氮水平迁移图(正常工况)Fig.4 Level migration diagram of characteristic pollutant ammonia nitrogen (normal working condition)

图5 特征污染物氨氮垂直迁移图(正常工况)Fig.5 Vertical migration diagram of characteristic pollutant ammonia nitrogen (normal working condition)

3.2 非正常工况(防渗帷幕完全失效)

当防渗墙、大坝失效后第100天时,污染源迁移距离为15.64 m,污染范围为57 568.13 m2；
第1 000天时,污染源迁移距离为40.88 m,污染范围为57 853.05 m2；
第5年时,污染源迁移距离为74.94 m,污染范围为66 814.36 m2；
第10年时,污染源迁移距离为92.3m,污染范围为85 710.26 m2；
第20年时,污染源迁移距离达到386.89 m,污染范围为97 528.26 m2。由于防渗墙、大坝失效,污染物迁移速度明显加快,并且迁移方向受地下水流影响较大,地下水流方向从西南流向东北,所以污染物运移在东北方向较为突出,污染范围在东北方向也逐渐增大(见图6)。垂直方向上与正常工况下相差不大(见图7),20年后污染物的影响深度也到达含水层底部，在防渗失效条件下,污染物在很短的时间内扩散的范围很大,且质量浓度升高较快,因此防渗墙的防渗性能很重要,要定期检查防渗墙的性能,若发现防渗失效须及时采取处理措施[14-15]。

图6 特征污染物氨氮水平迁移图(非正常工况)Fig.6 Level migration diagram of characteristic pollutant ammonia nitrogen (abnormal working conditions)

图7 特征污染物氨氮垂直迁移图(非正常工况)Fig.7 Vertical migration diagram of characteristic pollutant ammonia nitrogen (abnormal working conditions)

(1) 通过Feflow软件对南京溧水区某生活垃圾填埋场进行地下水污染物的运移模拟,预测特征污染物氨氮在平面上的污染趋势、范围及垂直方向上的污染程度,为污染场地的治理和修复提供了参考。

(2) 通过两种工况下的模拟和预测结果,该垃圾填埋场在防渗失效后,污染物的运移主要受水力梯度影响,因此呈现出由西南到东北方向的运移,污染物20年内运移的最远污染距离达到386.39 m,受污染范围为97 528.26 m2,垂直方向上污染物的影响深度到达含水层底部。因此,须做好防渗帷幕的跟踪监测。

(3) 本次模拟仅在垃圾填埋场附近进行,本着风险最大化原则,垂直方向上只考虑污染物在潜水含水层中的运移,在计算时并未考虑土壤的吸附、解吸作用,以及地下水中化学反应和生物降解作用,因此，模拟结果具有一定的局限性,但由于在垃圾填埋场周围的渗滤液中氨氮质量浓度较高,具有代表性,因此模拟过程中选择污染源氨氮为定质量浓度1 000 mg/L。