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。