劉增超,董 軍,何連生,席北斗,孟 睿,李一葳 ,嚴(yán)剛剛(.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水環(huán)境系統(tǒng)工程研究室,北京 000；.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 3006)

我國(guó)早期建設(shè)的填埋場(chǎng)大多為簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng),主要依靠天然土層進(jìn)行防滲[1],產(chǎn)生的垃圾滲濾液具有水質(zhì)成分復(fù)雜、污染物濃度大、水質(zhì)水量變化明顯等特點(diǎn),對(duì)地下水及周邊環(huán)境均存在著較大的污染風(fēng)險(xiǎn).進(jìn)行簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)于地下水污染預(yù)防與有效監(jiān)管具有十分重要的意義.

地下水污染風(fēng)險(xiǎn)是指地下水受到污染的概率[2],評(píng)價(jià)的目的是確定地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的大小,并努力將風(fēng)險(xiǎn)降至可接受的最低程度.目前,地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的主要方法是基于地下水脆弱性評(píng)價(jià)[3-6],已有研究表明,地下水脆弱性?xún)H反映了地層對(duì)地下水保護(hù)性的強(qiáng)弱,評(píng)價(jià)方法主觀性較強(qiáng),難以準(zhǔn)確反映地下水系統(tǒng)的污染風(fēng)險(xiǎn)水平.近年來(lái),研究人員在地下水脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,增加了地下水保護(hù)管理、土地利用類(lèi)型等要素的評(píng)價(jià)[7-9],其成果為地下水管理決策提供了重要依據(jù).但總體上,沒(méi)有考慮污染物在包氣帶、飽和帶內(nèi)隨地下水流遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,影響了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性.

本研究以抽水井作為評(píng)價(jià)對(duì)象,評(píng)價(jià)范圍包括填埋場(chǎng)、包氣帶、飽和帶及地下水系統(tǒng).通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)污染地下水過(guò)程的系統(tǒng)分析,確定了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子,構(gòu)建了基于過(guò)程模擬的污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型,建立了簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法.旨在為不同場(chǎng)地類(lèi)型、不同地質(zhì)條件的簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)管理提供決策支持.

1 簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析

基于簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)滲濾液污染地下水的過(guò)程分析,建立簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析概念模型,如圖1所示.

圖1 簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析概念模型Fig.1 Risk analysis conceptual model of groundwater pollution by simple waste landfill

從圖1中可以看出,簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)主要由填埋場(chǎng)、包氣帶及飽和帶3個(gè)因素決定.

垃圾填埋場(chǎng)滲濾液是地下水最重要的污染源[10-11].垃圾滲濾液中含有高濃度懸浮物和高濃度有機(jī)或無(wú)機(jī)成分,滲濾液水質(zhì)隨氣候、垃圾成分、填埋年限、填埋方式、水文地質(zhì)等因素的影響而顯著變化.垃圾滲濾液產(chǎn)生量、污染物濃度等因素均影響地下水污染風(fēng)險(xiǎn)水平.

包氣帶是連接填埋場(chǎng)與地下水系統(tǒng)的樞紐,幾乎所有的污染物都必須經(jīng)過(guò)包氣帶才能傳輸?shù)降叵滤到y(tǒng),是含有水、固、氣三相的特殊流體系統(tǒng),能夠延緩污染物到達(dá)地下水面的過(guò)程,起著重要的屏障作用.包氣帶的厚度、巖性等因素均影響地下水污染風(fēng)險(xiǎn)水平.

垃圾填埋場(chǎng)滲濾液污染物隨地下水流的遷移對(duì)地下水系統(tǒng)造成污染,含水層對(duì)滲濾液污染物衰減的影響主要來(lái)自溶解、稀釋、水動(dòng)力彌散、降解等作用.含水層巖性、水力傳導(dǎo)系數(shù)等因素均影響地下水污染風(fēng)險(xiǎn)水平.

2 方法的構(gòu)建

2.1 確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

目前,常用的地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法有3類(lèi),分別是迭置指數(shù)法、統(tǒng)計(jì)方法和過(guò)程數(shù)學(xué)模擬法[12-15].迭置指數(shù)法目前使用較為普遍,具有評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)參數(shù)容易獲取等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是評(píng)價(jià)因子的評(píng)分與權(quán)重體系多基于經(jīng)驗(yàn)方法獲得,客觀性和科學(xué)性較差;統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠客觀的篩選出地下水污染的主要影響因素,并在回歸方程中給出適當(dāng)?shù)臋?quán)重值,避免了專(zhuān)家評(píng)判的主觀性,缺點(diǎn)是沒(méi)有涉及污染發(fā)生的基本過(guò)程,進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)必須有足夠的監(jiān)測(cè)資料和信息;過(guò)程數(shù)學(xué)模擬法既可以描述地下水污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程,又可以估計(jì)污染物的時(shí)空分布情況,且許多模擬結(jié)果是量化的,如污染物遷移時(shí)間、污染物濃度及污染面積等.因此,本研究采用基于過(guò)程模擬的方法對(duì)地下水污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),盡管描述污染物遷移轉(zhuǎn)化的模型很多[16],但目前還沒(méi)有更多地應(yīng)用在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中.

2.2 選擇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子

研究表明,垃圾滲濾液中的污染物成分復(fù)雜[17-18],污染物在包氣帶和飽和帶中會(huì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng),導(dǎo)致部分污染物改變其物理和化學(xué)形態(tài),在過(guò)程模擬中很難對(duì)其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,從而影響地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性.垃圾滲濾液中的氯離子具有很高的溶解度,幾乎不參與任何地球化學(xué)作用,即使在濃度特別高的情況下也可以與水分子同時(shí)在包氣帶中遷移;氯離子沒(méi)有揮發(fā)性,當(dāng)水分蒸發(fā)時(shí),氯離子則被保留在包氣帶水中,其濃度與蒸發(fā)消耗的水量成正比;另外,植物對(duì)氯離子吸收也不明顯.因此,氯離子是包氣帶和飽和帶中最穩(wěn)定的垃圾滲濾液污染物,其遷移范圍體現(xiàn)了垃圾滲濾液污染物在地下水中的最大污染范圍,能夠反映簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)對(duì)地下水抽水井的最大污染風(fēng)險(xiǎn)[19],本研究選用氯離子作為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因子.

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子濃度計(jì)算

按照污染物從填埋場(chǎng)進(jìn)入并流經(jīng)包氣帶和飽和帶的整個(gè)遷移路徑,氯離子濃度計(jì)算主要有填埋場(chǎng)源頭、地下水面處、抽水井3個(gè)位置.

2.3.1 填埋場(chǎng)源頭 氯離子濃度用垃圾滲濾液多次平均氯離子濃度(Ck)來(lái)表示.

式中:C1,C2,…,Cn為n次垃圾滲濾液氯離子測(cè)量濃度;n為垃圾滲濾液氯離子濃度測(cè)量次數(shù).

2.3.2 地下水面處 簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水面處氯離子濃度計(jì)算采用氯離子均衡法[20-21].氯離子主要通過(guò)垃圾滲濾液、降雨、干沉降、灌溉及施肥等途徑進(jìn)入包氣帶,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,建立簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)包氣帶氯質(zhì)量平衡方程:

式中:Wk為垃圾滲濾液氯質(zhì)量,mg;Wp為降水中氯質(zhì)量,mg;Wi為干沉降量,mg;Wd為灌溉水中氯質(zhì)量,mg;Wf為肥料中的氯質(zhì)量,mg;Ws為地下水面處氯質(zhì)量,mg;Wm為礦物吸附氯質(zhì)量,mg;Wo為植物吸收氯質(zhì)量,mg.

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)由于沒(méi)有采取防滲措施,垃圾滲濾液產(chǎn)生量較大,且滲濾液中氯離子濃度很高,導(dǎo)致Wk較大;而填埋場(chǎng)面積相對(duì)較小,由降水、干沉降、灌溉等產(chǎn)生的氯質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垃圾滲濾液產(chǎn)生的氯質(zhì)量,故認(rèn)為Wp、Wi及Wd可以忽略;我國(guó)大部分地區(qū)所施肥料主要是尿素和二胺,基本不含氯,可認(rèn)為Wf=0;包氣帶介質(zhì)對(duì)氯離子基本呈惰性,即Wm=0;另外,一般植物基本不吸收氯離子,Wo也可以忽略.因此,公式(2)可簡(jiǎn)化為:

公式(3)可寫(xiě)成下列形式:

式中:Qk為垃圾滲濾液年平均日產(chǎn)生量,m3/d;Qs為垃圾滲濾液年平均日滲漏量,m3/d;Cs為地下水面處垃圾滲濾液氯離子濃度,mg/L.

垃圾滲濾液實(shí)際產(chǎn)生量受降雨、蒸發(fā)、徑流以及填埋場(chǎng)面積等因素影響,要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滲濾液產(chǎn)生量非常困難.目前國(guó)內(nèi)外已有多種計(jì)算方法,本研究采用年平均日降水量法[22],假設(shè)研究區(qū)內(nèi)有m個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng),則:

式中:I為年平均日降雨量,mm/d;A1,A2,…,Am分別為m個(gè)填埋場(chǎng)的面積,m2;B1,B2,…,Bm分別為m個(gè)填埋場(chǎng)垃圾滲濾液的滲出系數(shù).

垃圾滲濾液滲漏量通過(guò)達(dá)西定律計(jì)算[23],即:

式中:Qs為滲濾液滲漏量,m3/d;Ks為土體滲透系數(shù),m/d;T為滲濾液產(chǎn)出時(shí)間,d;A為滲濾液滲漏面積,m3;D為粘土層厚度,m.

2.3.3 抽水井內(nèi) 本研究采用Visual Modflow軟件中的MT3DMS模塊對(duì)滲濾液中氯離子在含水層中遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬,該軟件能夠較好的模擬污染物在飽和帶中的遷移轉(zhuǎn)化,并且適用于大多數(shù)地下水環(huán)境[24-26].將簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水面處的垃圾滲濾液實(shí)際入滲量和氯離子濃度分別作為地下水流動(dòng)模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型的上邊界條件,通過(guò)建立地下水流模型及溶質(zhì)運(yùn)移模型,對(duì)抽水井中的氯離子濃度進(jìn)行計(jì)算.

含水層水流模型的基本方程為:

式中:Kx、Ky、Kz為滲透系數(shù)在x、y和z方向上的分量,m/d;h為水頭,m;W為匯源項(xiàng),即單位體積流量,L/d,S為孔隙介質(zhì)的貯水率,1/m;t為時(shí)間,d.

污染物溶質(zhì)運(yùn)移模型的基本方程為:

式中:C為地下水污染物濃度,kg/m3;θ為介質(zhì)的孔隙率,無(wú)單位;t為時(shí)間,d;xi、xj為沿直角坐標(biāo)軸的距離,m;D為水動(dòng)力彌散系數(shù),m2/d;V為地下水實(shí)際流速,m/d;q為單位體積含水層流量,L/d;Cs為源或匯水流中污染物濃度,kg/m3;∑R為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng),kg/(m3·d).

2.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

通過(guò)過(guò)程模擬可以得到地下水抽水井氯離子濃度值(Cr),參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[27]中氯化物指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分,考慮到垃圾滲濾液中污染物成分較多,且含有多種有毒有害物質(zhì),地下水一旦被垃圾滲濾液污染,地下水水質(zhì)將會(huì)受到嚴(yán)重影響.因此,本研究將簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí),并對(duì)系統(tǒng)特征進(jìn)行了描述,如表1所示.

表1 簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)Table 1 Classification of groundwater pollution risk by the simple waste landfill

3 案例分析

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于某市西南郊,面積為103.68km2,如圖2所示.研究區(qū)從1989年開(kāi)始在取砂坑中填埋垃圾,形成了7個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng),如表2所示.雖然5號(hào)、6號(hào)場(chǎng)地具有底部、頂部防滲層系統(tǒng),但其防滲性能并未達(dá)到衛(wèi)生填埋標(biāo)準(zhǔn),仍屬于簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng).

圖2 研究區(qū)示意Fig.2 Schematic diagram of the study area

研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)單一,第四系沉積巖性為砂卵礫石層,由西向東逐漸增厚,東部邊界處第四系厚度為60～70m;含水層巖性以砂礫石為主,厚度為11～51m,地下水徑流條件較好,為潛水含水層.目前,該區(qū)枯水期地下水埋深為20～30m.

表2 研究區(qū)垃圾填埋場(chǎng)概況Table 2 General situation of simple waste landfill in the study area

3.2 水文地質(zhì)概念模型

通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件資料分析,研究區(qū)地下水可概化為非均值各向同性的潛水含水系統(tǒng),降水入滲系數(shù)為0.55,開(kāi)采強(qiáng)度為500000m3/(a·km2),含 水 層 滲 透 系 數(shù) 為 200～300m/d,給水度為0.18～0.35.地下水由西北流向東南,其西部、東部及東南部均有地下水通量存在,可概化為隨時(shí)間變化的側(cè)向補(bǔ)給和排泄邊界;潛水含水層自由水面為系統(tǒng)的上邊界,接受大氣降水補(bǔ)給;其余邊界沒(méi)有地下水通量存在,概化為零通量邊界.

3.3 模型的建立與識(shí)別

3.3.1 水流模型的建立與識(shí)別 由于研究區(qū)從1989年開(kāi)始填埋垃圾,所以模擬時(shí)間從1990年1月1日開(kāi)始,至2025年1月1日結(jié)束.在水文地質(zhì)概念模型建立的基礎(chǔ)上,利用Visual Modflow建立地下水流數(shù)值模型,根據(jù)研究區(qū)內(nèi)3個(gè)水位觀測(cè)井資料,以1999年1月1日到1999年12月31日為識(shí)別階段,以2001年1月1日至2001年12月31日為驗(yàn)證階段,對(duì)建立的地下水水流模型進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證,得到各水位觀測(cè)點(diǎn)的水位觀測(cè)值與計(jì)算值擬合曲線(xiàn),如圖3所示,其擬合效果較好,表明建立的水流模型能夠較好的反映實(shí)際水文地質(zhì)條件.

圖3 觀測(cè)井水位觀測(cè)值與計(jì)算值擬合曲線(xiàn)Fig.3 Fitting curves of the observed and the calculated water leve

3.3.2 溶質(zhì)運(yùn)移模型的建立與識(shí)別 溶質(zhì)運(yùn)移模型的范圍和邊界位置與水流模型一致,氯離子邊界濃度值為地下水面處的氯離子濃度值,假設(shè)污染源為點(diǎn)源連續(xù)注入,通過(guò)公式(1)～公式(6)的計(jì)算,邊界濃度值約為7757.44mg/L．考慮7個(gè)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)填埋時(shí)間不同、填埋規(guī)模不同、頂?shù)撞糠罎B層工程措施不同等情況,利用Visual Modflow建立的溶質(zhì)運(yùn)移模型,根據(jù)研究區(qū)內(nèi)3個(gè)濃度觀測(cè)井資料,對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移模型的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行校正,通過(guò)反復(fù)調(diào)整模型參數(shù),得到各濃度觀測(cè)點(diǎn)的Cl-濃度觀測(cè)值與計(jì)算值擬合曲線(xiàn),如圖4所示,其擬合效果較好,表明建立的溶質(zhì)運(yùn)移模型能夠較好的反映污染物運(yùn)移情況.

圖4 觀測(cè)井Cl-濃度觀測(cè)值與計(jì)算值擬合曲線(xiàn)Fig.4 Fitting curves of the observed and calculated Clconcentration

3.3.3 模型參數(shù)的確定 通過(guò)模擬可得含水層Cl-縱向彌散度為20,橫向/縱向彌散度比率為0.1,垂向/縱向彌散度比率為0.01,達(dá)到較為理想擬合結(jié)果的模型主要參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 模型最終調(diào)參結(jié)果Table 3 Parameters of the water flow model

3.4 地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

假設(shè)要對(duì)簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)2km處的地下水污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),根據(jù)研究區(qū)地下水流向,可在簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)東南、正東、正南方向的2千米處各設(shè)置一個(gè)抽水井,分別記為1號(hào)抽水井、2號(hào)抽水井和3號(hào)抽水井,如圖2所示,且由研究區(qū)地下水開(kāi)采強(qiáng)度可算出抽水流量均為1370m3/d.應(yīng)用建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法分別對(duì)3個(gè)抽水井氯離子濃度進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),如圖5所示.

結(jié)果表明,污染源與污染物遷移轉(zhuǎn)化的共同作用決定了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).如圖5所示,由于抽水井1在簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水水流方向下游,受的污染比較嚴(yán)重,從1999年3月開(kāi)始遭受污染,氯離子濃度隨著時(shí)間的增加而升高,在2002年5月達(dá)到50mg/L,預(yù)計(jì)到2025年1月,將達(dá)到133mg/L,因此,抽水井1屬于較高污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),并有向高污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì).抽水井2也是在1999年3月開(kāi)始遭受污染,但氯離子濃度隨著時(shí)間的增加,其升降趨勢(shì)很難判定,原因是抽水井2可能處于垃圾滲濾液污染羽邊緣,隨著降雨量、地下水開(kāi)采等因素的變化,氯離子濃度變化規(guī)律不明顯,但氯離子濃度始終介于0～50mg/L之間,因此,抽水井2屬于中等污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).抽水井3氯離子濃度始終為0,說(shuō)明垃圾滲濾液基本沒(méi)有對(duì)其造成污染,因此,抽水井3屬于低污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).與該簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)污染地下水的有關(guān)研究結(jié)論相符[28],證明所建立的簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理.

圖5 抽水井氯離子濃度模擬計(jì)算值Fig.5 Calculated value of Cl-concentration in pumping well

4 結(jié)論

4.1 以地下水抽水井作為評(píng)價(jià)對(duì)象,將填埋場(chǎng)、包氣帶、飽和帶及地下水系統(tǒng)作為評(píng)價(jià)范圍,構(gòu)建了簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分析概念模型,確定了基于過(guò)程模擬的簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法.以垃圾滲濾液中氯離子為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子,構(gòu)建了填埋場(chǎng)源頭、地下水面處、抽水井內(nèi)的氯離子濃度計(jì)算數(shù)學(xué)模型,建立了簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法,并對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的地下水系統(tǒng)特征進(jìn)行了描述.

4.2 利用構(gòu)建的方法對(duì)我國(guó)某市簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),結(jié)果表明,污染源與污染物遷移轉(zhuǎn)化的共同作用決定了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),通過(guò)對(duì)抽水井中氯離子濃度值的模擬計(jì)算,判定抽水井1屬于較高污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),且有向高污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì),抽水井2屬于中等污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),抽水井3屬于低污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).

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