王 澤，周海燕

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 引言

填埋場在運營過程中由于填埋物所含的水份、微生物的分解、降雨等因素，會產(chǎn)生較多的滲濾液；滲濾液中污染物氨氮、COD及重金屬含量較多，水質(zhì)復(fù)雜[1]，對周圍的影響很大。填埋物的下滲是地下水氮污染的主要途徑，由于物理、化學(xué)及生物作用，主要以無機氮的形式存在[2]；當滲濾液泄露，進入到地下水造成污染，對土壤和植物也造成污染[3]，影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。本文以某沿海填埋場所在區(qū)域作為分析對象，量化評估區(qū)域水文地質(zhì)及污染物滲漏進入周邊地下水的情況，預(yù)測分析地下水中污染物的運移規(guī)律，通過數(shù)值模擬[4，5]，對填埋場非正常情景狀況進行預(yù)測，確定非正常情景下污染物泄露對周圍環(huán)境的影響程度，為填埋場的實施運營提出建議。

2 項目區(qū)域概況

某填埋場位于沿海區(qū)域，場區(qū)地勢平坦開闊，場區(qū)地勢西北高東南低，潛水含水層補給來源主要是大氣降水的側(cè)向補給及垂直補給，沿地勢自西北向東南徑流，主要以泉或片流形式排于溝谷、低洼處或直接排入海中。項目區(qū)域勘探深度內(nèi)地下水主要為火山巖裂隙孔洞潛水，賦存于強風化玄武巖和中風化玄武巖基巖裂隙中。場地水文鉆孔深度20.3～46.5 m，尚未揭露隔水底板，含水層厚度大，厚度隨潛水面季節(jié)性升降而變化，雨季水位上升，含水層變厚，旱季水位下降，含水層變薄，富水性不均，透水能力中等；潛水含水層與承壓水含水層之間均有第四系下更新統(tǒng)粘性土層存在，層厚在37.0 m左右，且分布連續(xù)穩(wěn)定，塑性狀態(tài)基本為硬塑～堅硬，部分呈半膠結(jié)狀，導(dǎo)水性能微弱，構(gòu)成了場區(qū)潛水與承壓水含水層之間的良好隔水層(圖1)。

圖1 初始流場

3 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)水文地質(zhì)勘查成果，場區(qū)包氣帶巖性主要為粉質(zhì)粘土，厚度2.8～7.2 m，滲透系數(shù)介于值3.4×10-6～5.8×10-6cm/s，天然包氣帶防污性能為“中等”，場區(qū)潛水含水層厚度13.00～41.00 m，地層巖性主要為強風化玄武巖、中風化玄武巖；通過抽水試驗，得到潛水含水層滲透系數(shù)為4.57×10-3～8.51×10-3cm/s；通過土工實驗，得到巖土孔隙度0.494～0.560。

4 地下水環(huán)境影響預(yù)測

4.1 水文地質(zhì)概念模型

本次模擬的對象為第四紀火山巖裂隙孔洞(隙)潛水含水層和松散-半固結(jié)巖類孔隙承壓水含水層。通過將預(yù)測區(qū)域一個相對獨立的水文地質(zhì)單元中含水層的邊界性質(zhì)、介質(zhì)結(jié)構(gòu)、水力特征和補徑排等條件概化，建立水文地質(zhì)概念模型，以便于進行數(shù)學(xué)與物理模擬；根據(jù)場地周邊的地形地貌、水文地質(zhì)條件等因素綜合確定模擬區(qū)范圍面積約11.4 km2。

(1)邊界條件概化。在預(yù)測模擬區(qū)西北側(cè)為山脊線，為隔水邊界，潛水含水層補給來源主要是大氣降水的側(cè)向補給及垂直補給，可概化為定水頭邊界；在預(yù)測模擬區(qū)東南側(cè)為海域，為地下水的排泄邊界。東北側(cè)及西南側(cè)邊界以流線劃分，即A1概化為第二類流線邊界；西北側(cè)以等水頭線劃分，即A3概化為定水頭邊界；東南側(cè)以海岸線劃分，即A4概化為定水頭邊界，邊界條件概化見圖2。對于模擬區(qū)頂部邊界，在該處主要發(fā)生著大氣降水入滲補給等，可概化為潛水面邊界；對于預(yù)測模擬區(qū)底部邊界，由于分布有一層結(jié)構(gòu)較完整、透水性較差的隔水層，可概化為隔水底板。

圖2 邊界條件概化示意

(2)含水層結(jié)構(gòu)概化。含水層主要為火山巖裂隙孔洞(隙)潛水含水層和松散-半固結(jié)巖類孔隙承壓水含水層兩大類，根據(jù)各地層巖性、抽水試驗、滲水試驗等結(jié)果，結(jié)合模型預(yù)測的便利，將地層分為3個層進行模擬預(yù)測，滲透介質(zhì)概化為多孔介質(zhì)，假設(shè)是非均質(zhì)各向異性介質(zhì)。

4.2 地下水流模型

(1)模型劃分。在水平面上采用邊長為25 m正方體單元對模擬預(yù)測區(qū)域進行剖分，將模擬區(qū)剖分為139行、135列，平面上共剖分活動單元格9964個、非活動單元格8801個，計算區(qū)域水平面上網(wǎng)格剖分情況見圖3；垂向上考慮到實際地層滲透性差異較大，將模型剖分為3個大的模型層。

圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

(2)模型高程確定。采用數(shù)字高程模型表示地面標高；對于模型層底面標高，根據(jù)勘探鉆孔資料，并結(jié)合出露情況來獲取地層標高，并進行插值而得到底面標高數(shù)據(jù)，再以克里格空間插值的形式輸入到模型。

(3)源匯項設(shè)置。模擬區(qū)源匯項比較簡單，補給主要為大氣降水補給，大氣降水量取項目地多年平均降水量，當?shù)亟涤耆霛B系數(shù)取0.1～0.2。模擬區(qū)排泄項主要是蒸發(fā)及側(cè)向流出，根據(jù)氣象條件、土壤植被、水位埋深情況，蒸發(fā)量取1761 mm，側(cè)向流出量由達西定律計算得到。

(4)模型識別。選用觀測孔實測水位作為識別數(shù)據(jù)，通過調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，擬合流場，識別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界值和其它均衡項，以取得較好的擬合效果，使建立的模型更加符合區(qū)域水文地質(zhì)條件。擬合情況見圖4，計算水位與實測水位基本相符，驗證了邊界條件的準確性。

圖4 地下水水位擬合結(jié)果

4.3 溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型

本次影響預(yù)測是通過聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運移方程，進而得到氨氮和COD污染物非穩(wěn)定運移的趨勢。在水文地質(zhì)概念模型和地下水流模型的基礎(chǔ)上，對不同的水文地質(zhì)分區(qū)進行給水度、有效孔隙率、縱向彌散度等參數(shù)賦值，建立不同時間條件下填埋場污染物泄露后的遷移運動趨勢模型。本次溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型以風險最大的原則進行預(yù)測分析，假設(shè)預(yù)測污染物氨氮和COD不在含水層中進行物理、生物、化學(xué)等反應(yīng)，只考慮地下水對流、彌散對污染物擴撒的作用。

模擬預(yù)測需要的參數(shù)主要是彌散系數(shù)、有效孔隙度和巖土密度。在水文地質(zhì)勘察中可以通過實測確定有效孔隙度和巖土密度。水動力彌散尺度效應(yīng)使得彌散系數(shù)的確定相對比較困難[6]，進行野外或室內(nèi)彌散試驗也難以獲得準確的彌散系數(shù)，結(jié)合以往研究成果，根據(jù)水文地質(zhì)勘察及場地實際情況，參考《水文地質(zhì)手冊》[7]選取，本次模擬取彌散度參數(shù)值為20 m。

4.4 預(yù)測場景及源強

正常狀況下，填埋場產(chǎn)生滲濾液進行處理，場區(qū)進行分區(qū)防滲，可以從源頭上減少污染物滲漏進入地下水含水層的量，項目對地下水環(huán)境影響較小。本次預(yù)測模擬主要考慮填埋場滲瀝液收集池因為老化等原因發(fā)生滲漏對地下水可能造成的影響。污染物在下滲過程中，雖然經(jīng)過包氣帶的過濾及吸附，仍然會有部分污染物進入潛水含水層，污染潛水；隨地下水的流動和在彌散作用下，在含水層中擴散遷移；含水層顆粒愈粗，透水性愈好，則污水在含水層中的擴散遷移能力就愈強，其危害就愈大。本次選取氨氮和COD作為預(yù)測因子，非正常狀況情景設(shè)置為滲瀝液收集池持續(xù)滲漏，預(yù)測時段分別取100 d、365 d、1000 d、1825 d、3650 d。

4.5 預(yù)測結(jié)果分析

非正常狀況情景下，滲瀝液污染物持續(xù)滲漏，不同時間段氨氮和COD的影響范圍、超標范圍和最大運移距離預(yù)測結(jié)果如表1所示，污染物運移情況剖面見圖5～8。

表1 非正常狀況情景下不同時間的預(yù)測結(jié)果

圖5 氨氮泄露1年后污染物濃度

圖6 氨氮泄露10年后污染物濃度

圖7 COD泄露1年后污染物濃度

圖8 COD泄露10年后污染物濃度

從預(yù)測結(jié)果可以看出，在非正常狀況情景下，地下水中氨氮濃度在3650 d后超出《地下水質(zhì)量標準》[8]Ⅲ類標準的影響范圍為1349431 m2，最大運移距離為1784 m，濃度大于0.01 mg/L影響范圍為1565312 m2；地下水中COD濃度在3650 d后超出Ⅲ類標準的影響范圍為988958 m2，最大運移距離為1653 m，濃度大于0.3 mg/L的影響范圍為1289426 m2，氨氮超標范圍整體大于COD超標范圍。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，非正常狀況情景下，滲瀝液發(fā)生持續(xù)性泄露，對地下水環(huán)境一定造成影響，隨著時間推移，氨氮和COD濃度不斷升高，影響范圍不斷擴大。

5 結(jié)論

(1)預(yù)測分析涉及的場區(qū)及周邊含水層主要為火山巖裂隙孔洞(隙)潛水含水層和松散-半固結(jié)巖類孔隙承壓水含水層兩大類；由于存在連續(xù)穩(wěn)定的粘性土層，潛水含水層與承壓水含水層之間界限明晰，隔水效果較好，即使污染物泄露進入潛水層，也難以滲透進入承壓水層；根據(jù)模擬結(jié)果，污染物主要在潛水含水層擴散運移。

(2)正常狀況情景下，滲濾液處理設(shè)施運轉(zhuǎn)正常、地下防滲措施完好，污水不會滲漏進入地下，對地下水基本不會造成污染。非正常狀況情景下，氨氮和COD下滲進入潛水含水層中，形成超標污染暈，受水動力場控制向東南遷移，污染范圍持續(xù)擴大；COD超標污染暈在3650 d后遷移距離達到1653 m，影響范圍為988958 m2；氨氮超標污染暈在3650 d后遷移距離達到1784 m，影響范圍為1349431 m2。

(3)在非正常狀況情景下，超標污染暈將擴散至下游，需采取嚴格的防滲措施以及制定完善的管理制度和跟蹤監(jiān)測計劃，最大程度地避免發(fā)生污染物泄露，最短時間發(fā)現(xiàn)污染物泄露并處置好，減小污染物對周邊地下水環(huán)境造成的影響；同時避免在場區(qū)及周邊布設(shè)揭穿承壓含水層頂板的深孔，以防止非正常狀況情景下污染物串層污染深層承壓水，造成較大影響。