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        某填埋場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)條件下淋濾液泄漏對(duì)地下水環(huán)境的影響研究
        ——基于Visualmodflow的數(shù)值模擬分析

        2022-11-27 04:01:58王穎邵思慧陳社明李紅超尚將為
        區(qū)域治理 2022年40期
        關(guān)鍵詞:污染

        王穎,邵思慧,陳社明,李紅超,尚將為

        1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心

        城市生活垃圾處理方式中的焚燒法是垃圾減量化最有效的方式,并且可通過垃圾焚燒廠回收能源[1]。垃圾焚燒處理后產(chǎn)生的飛灰因含有毒性較高的重金屬、二噁英,被國(guó)家規(guī)定為危險(xiǎn)廢物[2]?,F(xiàn)今全國(guó)每年飛灰產(chǎn)生量超過400萬(wàn)噸[3]。飛灰穩(wěn)定-固化處理在環(huán)境中的穩(wěn)定性差,高毒性的重金屬、二噁英容易進(jìn)入淋濾液中,若滲出進(jìn)入地下土壤和地下水中,將對(duì)人類健康、環(huán)境帶來(lái)巨大危害。20世紀(jì)90年代,日本某垃圾飛灰填埋場(chǎng)曾發(fā)生泄漏事故,滲漏液中高濃度的氯苯、汞等重金屬污染物導(dǎo)致地下水和土壤嚴(yán)重污染[4]。我國(guó)北方大部分地區(qū)生產(chǎn)、生活的主要水源為地下水,一旦填埋場(chǎng)發(fā)生泄漏,地下水受到污染后,將嚴(yán)重影響周邊群眾的生命健康,造成不可逆轉(zhuǎn)的生態(tài)環(huán)境破壞。

        本次研究以河南省東部某縣某飛灰填埋場(chǎng)為研究對(duì)象,通過對(duì)研究區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析,利用數(shù)值模擬技術(shù),分析風(fēng)險(xiǎn)條件下填埋場(chǎng)淋濾液泄漏后特征污染物的遷移特征。

        一、研究區(qū)概況

        (一)地形地貌特征

        研究區(qū)位于河南東部某縣,年平均降水量738.6mm。地處黃河沖積扇南緣與淮河沖積平原北緣的相交地帶,地勢(shì)低平,地形起伏不大,西北部略高,海拔43.0m,東南部較低,海拔35.5m[5]。該縣屬淮河流域,水系主要有沙潁河、蝸河、西肥河、汝河四大水系。

        (二)水文地質(zhì)特征

        研究區(qū)地下水多為松散巖類孔隙水,含水層在縱向上分為淺層、中層和深層三個(gè)含水巖層[6]。淺層地下水主要賦存于地表以下50~70m深度內(nèi)的全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)砂層、粉土層。地下水類型多為潛水,部分為微承壓水,富水性相對(duì)較差,地下水埋深2.84~5.07m。中層地下水賦存于中更新統(tǒng)上段的粉土、泥質(zhì)粉細(xì)砂中,底板埋深100~110m,為承壓水,富水性較差,水質(zhì)也較差,無(wú)開采價(jià)值。深層地下水賦存于中更新統(tǒng)下段和下更新統(tǒng)的粉細(xì)砂、中細(xì)砂中,底板深埋300~400m,為承壓水,富水性強(qiáng)。深層地下水與中-淺層地下水之間有較大厚度(一般60~100m)的相對(duì)隔水層,水力聯(lián)系非常微弱。

        (三)地下水補(bǔ)徑排條件

        研究區(qū)地表巖性以粉質(zhì)黏土、粉土為主,淺層水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水、灌溉水入滲補(bǔ)給,地下水排泄途徑主要為蒸發(fā)和人工開采,其次為地下水側(cè)向徑流和向沙潁河排泄。地下水為西北向東南方向徑流,水平運(yùn)動(dòng)較為遲緩。

        (四)垃圾填埋場(chǎng)特征

        垃圾填埋場(chǎng)處理的垃圾為該城市域內(nèi)生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰固化物。飛灰固化物需在生活垃圾焚燒廠內(nèi)經(jīng)預(yù)處理,檢測(cè)合格,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求后分批進(jìn)入填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋。填埋場(chǎng)處理方式是使用螯合劑(水泥)進(jìn)行固化。填埋場(chǎng)的有效庫(kù)容17.01萬(wàn)m3,固化后的飛灰入場(chǎng)量為60噸/日,服務(wù)期限10年。填埋區(qū)面積為21530m2,底部覆蓋有200mm厚的壓實(shí)黏土和1.5mm厚HDPE土工膜。填埋區(qū)滲出系數(shù)為0.5。中間覆蓋面積26870m2,中間覆蓋單元滲出系數(shù)為0.3。填埋場(chǎng)底部滲瀝液主要通過降水淋濾產(chǎn)生。研究區(qū)日平均降雨量以2.07mm/d計(jì),得到填埋場(chǎng)滲瀝液平均產(chǎn)生量為39m3/d。

        二、水文地質(zhì)概念模型構(gòu)建

        (一)模擬范圍

        依據(jù)研究區(qū)地下水流向以及周邊水文地質(zhì)條件,為分析垃圾填埋場(chǎng)污染物泄漏后在地下水中的遷移特征,選取填埋場(chǎng)所處水文地質(zhì)單元邊界確定模擬區(qū)。西部以吳樓村-趙樓村為界,北部以胡樓-鄧王莊村為界,西南側(cè)以沙潁河為界,東南側(cè)以孫營(yíng)-杜營(yíng)村東側(cè)為界,東側(cè)以常勝溝渠為界,總面積為15.82km2(見圖1)。

        圖1 模擬區(qū)范圍圖

        (二)含水層概化

        根據(jù)模擬區(qū)調(diào)查資料,淺層含水層深度是地表以下50米左右,無(wú)壓或微承壓,巖性多為粉細(xì)層和粉土層。評(píng)價(jià)區(qū)淺層含水層與深層含水層之間有較大厚度(一般60~100m)的相對(duì)隔水層,水力聯(lián)系非常微弱,因此可將底部邊界概化為隔水邊界。本次模擬以淺層地下水為模擬目的層,將模擬目的層概化為非均質(zhì)各向同性含水層。地下水流概化為非穩(wěn)定流。

        (三)邊界條件

        (1)側(cè)向邊界:模擬區(qū)淺層地下水的總體流向?yàn)樽晕鞅蓖鶘|南流動(dòng),因此西部邊界為地下水流入邊界,概化為補(bǔ)給邊界;東側(cè)常勝溝渠為地下水流出邊界,改為排泄邊界;南側(cè)沙潁河,河水與地下水聯(lián)系較為密切,可概化為給定水頭邊界;北側(cè)與東南側(cè)概化為隔水邊界。

        (2)垂向邊界:模擬區(qū)上部邊界概化為水量交換邊界,有人工開采、降水入滲等;模擬區(qū)的底部邊界為黏土層構(gòu)成的隔水層,概化為隔水邊界。

        三、地下水?dāng)?shù)值模型的建立

        (一)地下水流數(shù)學(xué)模型

        根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型,可由以下數(shù)學(xué)模型描述評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)概念模型和邊界條件的概化結(jié)果見公式(1)。

        公式(1)中:H——含水層水頭(m);H0(x,y)——含水層的初始水頭(m);Zb——含水層底板高程(m);K——含水層滲透系數(shù)(m/d);μ——含水層給水度;W——含水層垂向補(bǔ)給強(qiáng)度(包括降水等滲漏補(bǔ)給)(m/d);E——地下水蒸發(fā)排泄強(qiáng)度(m/d);P——含水層開采強(qiáng)度(m/d);Γ2——已知流量邊界;q(x,y,t),f1(x,y,z,t)——含水層側(cè)向單寬補(bǔ)排量(m2/d),流入時(shí)取正,流出時(shí)取負(fù),隔水邊界時(shí)取0;n→——邊界上的外法線方向;D——計(jì)算區(qū)范圍;

        (二)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

        參與地下水模型計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)主要有重力給水度(μ),含水層滲透系數(shù)(K),降雨入滲系數(shù)(α)等。

        1.大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)

        調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)為第四系覆蓋區(qū),參考河南省周口市農(nóng)田供水勘察報(bào)告以及地下水埋深情況,確定區(qū)內(nèi)降水入滲系數(shù)為0.21。

        2.給水度和滲透系數(shù)

        滲透系數(shù)和給水度初始值取經(jīng)驗(yàn)值,滲透為6.5m/d,給水度依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.09(見表1)。

        表1 含水層參數(shù)初始值一覽表

        3.彌散度

        在模型預(yù)測(cè)中,采用經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行賦值,彌散系數(shù)為10。

        (三)模擬期及初始條件設(shè)置

        模型的識(shí)別驗(yàn)證期為2020年7月20日到2020年8月20日,2020年7月20日測(cè)量的調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)監(jiān)測(cè)水位作為模擬區(qū)的初始流場(chǎng)(見圖2)。

        圖2 模擬區(qū)初始流場(chǎng)

        根據(jù)掌握的地下水水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),對(duì)流量邊界的水力梯度按時(shí)段分別進(jìn)行賦值。沙潁河水位根據(jù)地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)賦值。入滲補(bǔ)給等源匯項(xiàng)依照不同時(shí)段分別計(jì)算賦值。各項(xiàng)均換算分配到相應(yīng)單元格。

        (四)模擬軟件及模擬區(qū)剖分

        本次模擬采用三維地下水流及污染物運(yùn)移模擬軟件VisaulModflow 4.2。垂向上劃分為1個(gè)模擬目的層。模擬區(qū)單元網(wǎng)格按網(wǎng)格間距50m進(jìn)行剖分,針對(duì)填埋場(chǎng)范圍進(jìn)行加密,網(wǎng)格間距25m。模擬區(qū)剖分為98列,107行,垂向剖分為1層,共計(jì)10486個(gè)單元網(wǎng)格,其中有效單元格為8709個(gè)(見圖3)。

        圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分平面圖及剖面圖

        (五)模型的識(shí)別與驗(yàn)證

        本次研究模型的識(shí)別與驗(yàn)證期為2020年7月20日到2020年8月20日。

        1.識(shí)別期和驗(yàn)證期源匯項(xiàng)

        研究區(qū)識(shí)別與驗(yàn)證期主要存在的源匯項(xiàng)如下:補(bǔ)給項(xiàng)主要為降水入滲、側(cè)向流入、河流滲漏補(bǔ)給;排泄項(xiàng)主要為地下水開采、地下水側(cè)向流出。

        2.模型的識(shí)別與驗(yàn)證結(jié)果

        選取2020年10月的地下實(shí)測(cè)流場(chǎng)作為識(shí)別期末刻流場(chǎng),將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合,調(diào)整參數(shù)使誤差最小。通過細(xì)致調(diào)參,兩者達(dá)到最優(yōu)擬合,最大絕對(duì)偏差小于0.1m(圖4)。識(shí)別與驗(yàn)證結(jié)果可靠,滿足精度要求。調(diào)整后的模型參數(shù)見表2。識(shí)別和驗(yàn)證期模擬區(qū)水量均衡結(jié)果見表3,調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)在識(shí)別期補(bǔ)給量小于排泄量,為負(fù)均衡。該均衡計(jì)算結(jié)果與調(diào)查結(jié)果一致。

        圖4 2020年10月識(shí)別驗(yàn)證期末刻模擬區(qū)地下水流場(chǎng)擬合圖

        表2 含水層參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證結(jié)果一覽表

        表3 識(shí)別與驗(yàn)證期模擬區(qū)水量均衡表(單位:萬(wàn)m3)

        四、地下水污染模擬預(yù)測(cè)

        (一)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

        地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為:

        式中:αijmn—含水層的彌散度;Vm,Vn—m和n方向上的速度分量;|v|—速度模;C—模擬污染質(zhì)的濃度;ne—有效孔隙度;C’—模擬污染質(zhì)的源匯濃度;W—源匯單位面積上的通量;Vi—滲流速度;C’—源匯的污染質(zhì)濃度。

        聯(lián)合求解水流方程和溶質(zhì)運(yùn)移方程即可獲得污染物空間分布關(guān)系。

        (二)污染情景假設(shè)與源強(qiáng)分析

        本次模擬主要針對(duì)填埋場(chǎng)淋濾液對(duì)地下水水質(zhì)可能造成的直接影響進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)??紤]填埋場(chǎng)污水產(chǎn)生、貯存以及處理過程,預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)情景為填埋庫(kù)區(qū)底部防滲層老化,發(fā)生泄漏,引起地下水污染。滲瀝液平均產(chǎn)生量為39m3/d,考慮底部防滲層不會(huì)全部區(qū)域老化,滲漏量按產(chǎn)生量10%確定,則滲漏量為3.9m3/d,取整后為4m3/d。滲漏時(shí)間為持續(xù)釋放。

        飛灰經(jīng)穩(wěn)定化、固化后,淋濾液污染物主要為重金屬。依據(jù)淋濾液濃度分析結(jié)果(表4),氨氮和鎳分別作為常規(guī)組分及重金屬污染物超標(biāo)最大組分,選取預(yù)測(cè)因子進(jìn)行預(yù)測(cè)(表5)。

        表4 項(xiàng)目淋濾液濃度分析表

        表5 淋濾液污染源強(qiáng)一覽表

        (三)地下水污染預(yù)測(cè)與分析

        風(fēng)險(xiǎn)條件下,填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)底部防滲層老化,發(fā)生泄漏作為污染源進(jìn)行預(yù)測(cè)。廢水泄漏后,引起地下水污染物運(yùn)移的預(yù)測(cè)結(jié)果見圖5、圖6。由預(yù)測(cè)圖可以發(fā)現(xiàn),兩種污染物遷移特征一致,污染物均在1000d后出現(xiàn)超標(biāo)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,污染物主要向下游遷移,形成污染暈,但在水力坡度小的地區(qū),也會(huì)向上游遷移。滲漏發(fā)生100天后,含水層中重金屬鎳的影響范圍76250m2,影響最大運(yùn)移距離為22m(由填埋庫(kù)區(qū)邊界計(jì)算),未超標(biāo);氨氮的影響范圍87140m2,影響最大運(yùn)移距離為26m,未超標(biāo);滲漏發(fā)生1000天后及7300天后,污染物的影響及超標(biāo)范圍見下表。7300天(20年)后兩種污染物在地下水中均有超標(biāo)區(qū),最大遷移距離分別為81m與90m,但超標(biāo)及影響范圍未達(dá)到下游村莊敏感點(diǎn)(見表6)。

        圖5 淋濾液泄漏后鎳污染物運(yùn)移狀況

        圖6 淋濾液泄漏后氨氮污染物運(yùn)移狀況

        表6 填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)滲漏污染物運(yùn)移特征表

        五、結(jié)論及建議

        (1)滲漏發(fā)生100天后,含水層中重金屬鎳和氨氮的濃度均未超標(biāo),但達(dá)到影響值,兩者的最大運(yùn)移距離為22m和26m;滲漏7300天(20年)后兩種污染物在地下水中均有超標(biāo)區(qū),最大遷移距離分別為81m與90m,但超標(biāo)及影響范圍未達(dá)到下游村莊敏感點(diǎn)。

        (2)在地下水水力坡度較小的條件下,填埋場(chǎng)淋濾液一旦滲漏引起地下水污染,污染物向下游遷移的同時(shí),會(huì)向上游遷移。需要對(duì)上游距離較近村莊的地下水污染狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        (3)填埋場(chǎng)底部防滲層老化造成泄漏條件下,淋濾液會(huì)持續(xù)釋放,引起填埋場(chǎng)下部污染物濃度持續(xù)增加。建議在下游填埋場(chǎng)邊設(shè)立地下水質(zhì)監(jiān)測(cè)井,定期監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)淋濾液泄漏后及時(shí)處置切斷污染源。

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