李亮,吳靜, 徐世光,2, 張志勇

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093； 2.云南地礦工程勘察集團公司，昆明 650041)

冶煉廢渣處理是云南省礦產(chǎn)行業(yè)的常見問題，且省內(nèi)多采取建立填埋場方式來處理固體廢渣。但廢渣一旦發(fā)生泄漏將會使地下水污染，將造成嚴重的環(huán)境污染，危害社會[1]。對于填埋場污染問題研究，目前主流的方法是通過計算機軟件建立地質(zhì)模型，以此來模擬預(yù)測地下水污染狀況[2]。GMS軟件在地下水溶質(zhì)運移模擬方面有成熟的應(yīng)用，很適合處理本次研究問題[3,4]。

目前，研究區(qū)的工程地質(zhì)、自然環(huán)境等方面已有較為詳盡的資料，但在地下水方面沒有進行過系統(tǒng)的分析研究。本研究應(yīng)用GMS建立研究區(qū)的溶質(zhì)(污染物)運移模型來探索污染物遷移的規(guī)律、確認污染擴散時間和范圍，彌補研究區(qū)對地下水研究方面的不足，并在此基礎(chǔ)上建立場地的污染監(jiān)控體系。同時為其他類似場地的污染模擬、監(jiān)測工作提供參考。

1 研究對象概況

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于滇東高原和滇西橫斷山脈結(jié)合部位、建水盆地綿羊沖水庫東南側(cè)。如圖1中藍線區(qū)域所示，北側(cè)為仙人洞富水塊段，南側(cè)為團結(jié)水庫，東側(cè)和西側(cè)為地表水分水嶺，是一個相對獨立的水文地質(zhì)單元。研究區(qū)大面積出露地層為第四系(Q4)松散層，厚度約為22～25 m，巖性為沖、洪積粘土、砂土，為孔隙含水層；而深層是巖性為灰?guī)r和白云巖的泥盆系中統(tǒng)(D2dn)地層，為巖溶含水層。兩套地層之間水力聯(lián)系緊密，可概化為統(tǒng)一的含水體系。松散層含水層主要接受大氣降雨補給，地下水徑流較快，以蒸發(fā)排泄為主；巖溶含水層主要接受大氣降雨補給及松散層入滲補給，地下水總體上自北東向南西徑流，最終流入水庫或民用井抽水進行排泄。

圖1 研究區(qū)三維地貌圖

1.2 研究區(qū)地下水水質(zhì)

在廢渣填埋場周圍采集6組水樣，采樣及化驗嚴格按照國家有關(guān)規(guī)范進行[5]，水質(zhì)化驗結(jié)果見表1。

表1 廢渣填埋場附近地下水質(zhì)分析結(jié)果一覽表 單位:(mg/l)

注：“檢出限+ ND”為檢測結(jié)果低于分析方法檢出限。

由表1的水質(zhì)分析可知，研究區(qū)域內(nèi)的地下水資源并未受到污染。且通過調(diào)查，在研究區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他污染源。

1.3 廢渣填埋場概況

填埋場處于徑流區(qū)，為半地填埋式，占地面積約為15 000 m2，深4.5 m，總庫容15 000 m3，由10個填埋區(qū)組成，共設(shè)置2個檢漏井。廢渣主要源于鋁礦加工，經(jīng)淋濾作用可能產(chǎn)生氟化物和氰化物等含有害成份的浸出液。在填埋場北東側(cè)和南側(cè)設(shè)3個50 m深的水文地質(zhì)勘察鉆孔，具體位置分布如圖1中所示。

2 地下水流動模型的建立

2.1 研究區(qū)概念模型

將研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為2層，第一層對應(yīng)第四系松散層，地下水類型為孔隙水；第二層為巖溶含水層,地下水類型為潛水。其邊界條件概化為：北側(cè)為定流量邊界，西側(cè)和東側(cè)為隔水邊界，南側(cè)為定水頭邊界。廢渣填埋場是本次評價的主要污染源，污染遷移模擬過程中將這個污染源作為排放面源進行模擬。研究區(qū)總面積約為5.06 km2，研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流。

2.2 數(shù)學(xué)模型

通過對研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的分析，當不考慮水的密度的變化時，描述地下水流三維非均質(zhì)各項異性含水層時，控制方程[2～6]為：

式中,Kxx,Kyy和Kzz分別為x,y和z方向的滲透張量,單位為(LT-1) , 其中L代表長度，T代表時間。這里假定滲透系數(shù)主軸與坐標軸方向一致。h為水頭(L)；W為單位體積流量(T-1),代表流進源或流出匯的水量；Ss為連續(xù)介質(zhì)的貯水率(L-1)或給水率(L-1)；t為時間(T)。

2.3 空間離散

根據(jù)研究區(qū)的實際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀，將研究區(qū)在平面上剖分成300×500 的矩形網(wǎng)格單元，廠區(qū)進行了加密處理，垂向上為2 層，模型頂部高程為地表標高，底部至潛水底板。有效計算單元為103 118個，無效計算單元為46 882個，共計150 000個。

2.4 時間離散

模擬時段設(shè)定：本次模擬自廢渣填埋場建成開始運營起，總共模擬7 200 d(20 a)，時間步長為50 d，總共144步，模擬得出污染物濃度時空變化過程。

2.5 邊界條件與源匯項

水流模型邊界包括北側(cè)的定流量邊界、東西側(cè)的隔水邊界和南側(cè)的定水頭邊界。定流量大小采用達西公式結(jié)合實測流場及含水層特征計算確定，區(qū)域地下水主要接受降水補給，據(jù)統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)年平均降水量為783.1 mm，地形平坦，當?shù)亟邓霛B系數(shù)為0.23，由此可計算出降水補給地下水的量為0.000 493 460 3 m3/d。將地表溝谷概化為一條大致南北向的排水溝。地下水最終以流入水庫或民用井抽水進行排泄。

2.6 參數(shù)的確定

根據(jù)前期大量水文地質(zhì)試驗及現(xiàn)場profound壓水試驗情況，第四系松散層滲透系數(shù)取1.58×10-6cm/s。根據(jù)評價區(qū)地層、構(gòu)造分布特征及注水試驗數(shù)據(jù)，巖溶含水層滲透系數(shù)取值為1.5 m/d。

彌散度室內(nèi)測定值不宜用于大尺度污染物彌散遷移數(shù)值模擬[7]，因此縱向彌散度的確定參考前人研究成果[8,9]。依據(jù)Zech等(2015)研究得到的彌散度與尺度關(guān)系圖(圖2)[10]，再結(jié)合本次研究區(qū)面積為5.06 km2，北東南西向長度約為2～3 km的實際情況，此次彌散度取值5 m。

圖2 彌散度與尺度的關(guān)系評估圖(據(jù)Zech等2015)

2.7 滲流模擬模型校正

根據(jù)如上所述，輸入相應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)通過對模型的校正及敏感性分析，最終分別模擬枯水期穩(wěn)定流條件下研究區(qū)范圍內(nèi)地下水等水頭線分布圖如圖3所示。

從上圖可得，研究區(qū)地下水等水頭線分布形態(tài)總體符合該區(qū)地下水滲流場分布特征，地下水自北西向南東向徑流。

3 溶質(zhì)(污染物)運移模型的建立

3.1 污染源強

根據(jù)現(xiàn)有廢渣分析資料，廢渣主要有害成份為氟化物和氰化物?！段ｋU廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)規(guī)定，允許直接進入填埋區(qū)的危險廢物其浸出液中上列兩種有害成份的控制限值如表3所示。

表3 危險廢物允許進入填埋區(qū)的控制限值及

圖3 模擬區(qū)滲流場分布圖

浸出液濃度超過上列控制限值的廢物，需經(jīng)預(yù)處理后方能入場填埋。廢渣有害成份主要為氟化物，廢渣中的氟化物遇水將產(chǎn)生高濃度的含氟水體。由表1的水質(zhì)分析結(jié)果可知，研究區(qū)域內(nèi)沒有其他污染源。故本次的污染物運移模型以廢渣填埋場作為污染源，以其中的氟化物作為污染物進行數(shù)值模擬。本著風(fēng)險最大原則，本次模擬廢渣填埋場氟化物濃度以100 mg/l作為源強濃度。

3.2 水質(zhì)模擬預(yù)測情景設(shè)定

在枯水期滲流場分布條件下，廢渣填埋場底部發(fā)生持續(xù)泄漏下滲到第四系松散粘土孔隙含水層。①泄漏點：固體廢物填埋場底部泄漏，泄漏持續(xù)進行。②泄漏源強：泄漏物質(zhì)為氟化物，其濃度為100 mg/l。

將泄漏點設(shè)為補給濃度邊界。根據(jù)污染情形分析，氟化物初始濃度設(shè)為100 mg/l，模擬期為20 a，以50 d為時間步長，共模擬了144個應(yīng)力期。利用MODFLOW 和MT3D 軟件，聯(lián)合運行水流和水質(zhì)模型，得到氟化物擴散預(yù)報結(jié)果(見圖4～8，圖中1C：100，1—代表情景1，F(xiàn)HW—分別代表氟化物濃度(mg/l)，100—代表時間)，各圖分別給出了在固體廢物填埋場底泄漏發(fā)生100 d、1 000 d、5 000 d、7 200 d后的預(yù)測結(jié)果。預(yù)測情景圖坐標網(wǎng)格為每格1 000 m。

從上述預(yù)測圖可以看出：

氟化物在泄漏100 d后，整體沿著廢渣填埋場邊界往南遷移，移動距離較短，上覆第四系松散含水層影響范圍限制在填埋場周邊區(qū)域，中心部分最高濃度可達到源強濃度100 mg/l，而下伏巖溶含水層未受污染，渣庫底部巖溶含水層濃度為零。

泄露500 d后，上覆第四系松散孔隙含水層進一步向南側(cè)遷移，污染羽狀物擴散范圍有逐漸增加，而下伏巖溶含水層仍然未見受到明顯污染，未出現(xiàn)明顯污染羽狀物聚集及滲漏。

泄漏1 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴散遷移，但遷移距離仍然較短，而下伏巖溶含水層仍然未發(fā)現(xiàn)污染物分布。

泄漏5 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴散遷移，濃度也在持續(xù)增大，但遷移距離仍然較短，此時下伏巖溶含水層出現(xiàn)低濃度氟化物迅速向南側(cè)遷移，最遠遷移距離約200 m。

泄漏7 200 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴散遷移，濃度也在持續(xù)增大，但遷移距離為75 m，擴散面積12 800 m2;此時下伏巖溶含水層出現(xiàn)低濃度氟化物迅速向南側(cè)遷移，最遠遷移距離約300 m,擴散面積36 600 m2。

圖4 100 d后氟化物污染范圍

圖5 500 d后氟化物污染范圍

圖6 1 000 d后氟化物污染范圍

圖7 5 000 d后氟化物污染范圍

圖8 7 200 d后氟化物污染范圍

通過上述情景模擬分析結(jié)果表明，假如廢渣填埋場以現(xiàn)有污染情景排放，不采取防滲措施條件下將造成該區(qū)地下水不同程度的污染，尤其是一旦特征污染物下滲至下伏巖溶含水層之后，污染物將迅速向南側(cè)遷移，對地下水產(chǎn)生嚴重污染。

3.3 對敏感點的影響分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，廢渣填埋場在無防滲條件下，會導(dǎo)致填埋場第四系孔隙含水層及下伏巖溶含水層污染，由于氟化物濃度超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標準的99倍，廢渣填埋場對含水層仍然有影響。為了說明填埋場對其下游地下水含水層的影響，取ZK2和ZK3作為監(jiān)測點，圖9～10為ZK2和ZK3在污染情景下的穿透曲線(BTC)。

從以上穿透曲線圖中可以看出，由于ZK2和ZK3位于填埋場下游邊界，一旦填埋場發(fā)生滲漏，約200 d即可在ZK2和ZK3監(jiān)測井監(jiān)測到填埋場特征污染物超標濃度，且表層監(jiān)測到的特征污染物濃度遠大于底層。

一旦監(jiān)測到污染信息，應(yīng)在ZK2和ZK3附近區(qū)域及時采取地下水污染治理修復(fù)補救措施，如在場地下游綠化帶中開挖東西向排水溝，收集滲漏污染的地下水，同時及時查明發(fā)生滲漏原因。

圖9 污染情景下ZK2監(jiān)測井處氟化物表層和底層的穿透曲線

圖10 污染情景下ZK3監(jiān)測井處氟化物表層和底層的穿透曲線

4 結(jié)論

(1) 地下水污染分析

廢渣填埋場若發(fā)生污染物(氟化物或氰化物)泄露，將對地下水產(chǎn)生嚴重污染，并向南側(cè)遷移。20 a內(nèi)最遠可擴散300 m，擴散面積可達36 600 m2。到時下游的新寨、水塘寨以及團結(jié)水庫等地的居民生活用水和工業(yè)用水都會受到污染，對社會造成嚴重的危害。因此必須提高填埋場底部及四周的防滲等級。

(2) 地下水監(jiān)測體系設(shè)計

以ZK2、ZK3為主要監(jiān)測點，結(jié)合ZK1及2口檢漏井共同構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測的重點對象是松散淺層潛水含水層及對應(yīng)鉆孔所在第四系松散孔隙含水層。若發(fā)生泄露，在約200 d內(nèi)即可監(jiān)測到污染信息，并及時采取地下水污染治理補救措施。