許真,張明山,張雄,王紅娜

(1.四川省天晟源環(huán)保股份有限公司,四川 成都 610722;2.成都酉辰綠藍環(huán)保科技有限公司,四川 成都 610722)

近年來,我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,伴隨而來的有地下水環(huán)境的壓力,同時也導(dǎo)致地下水污染問題。且與地表水相比,地下水環(huán)境污染問題有很強的隱蔽性,一般紅層地區(qū)地下水運移速度比較緩慢,一旦受污染,地下水的治理、恢復(fù)的難度都將極大[1]。

垃圾填埋場由于長期堆積,可能導(dǎo)致前期防滲措施存在破損,另外垃圾滲濾液處理設(shè)施如若不全面,滲濾液隨地下徑流進入周圍地下水體,會對周邊的地下水環(huán)境污染。此外垃圾填埋場形成的滲濾液成分復(fù)雜,一般情況下其氨氮、化學(xué)需氧量濃度較高,對區(qū)域地下水環(huán)境的影響非常大[2]。

本次研究對象為紅層地區(qū)某歷史生活垃圾填埋場,在充分研究其水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,運用解析法模型預(yù)測地下水環(huán)境狀況。在設(shè)定的事故工況下,對垃圾填埋場滲濾液收集池進行污染物溶質(zhì)運移的解析解模擬,研究污染物在地下水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

1.1 垃圾填埋場基本情況

本次研究垃圾填埋場于1996年開始建成投用,2010年停用并封場,研究垃圾填埋場占地30畝,庫容約30萬m3,堆存垃圾量約40萬t。本次調(diào)查的紅層區(qū)生活垃圾填埋場屬于非標(biāo)準(zhǔn)垃圾填埋場,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知本次垃圾填埋場底部防滲不到位、其滲濾液收集后未規(guī)范化處理。

1.2 地質(zhì)環(huán)境背景條件

1.2.1 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)出露的地層為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)、白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)、白龍組(K1b)、七曲寺組(K1q)和第四系殘坡積物、崩坡積物(Q4dl+e1)[3]。

現(xiàn)由老到新簡述如下:

1)侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p):為紫色的泥巖、粉砂巖夾淺灰色的頁巖,由泥巖、砂巖形成韻律層。該組底部是塊狀的厚層石英砂巖。該組下部是紅色的長石砂巖,部分層位夾有透鏡體。

2)白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c):青灰色塊狀中細(xì)粒長石石英砂巖夾磚紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖,砂巖占比為30%～40%,局部層位還存在鈣質(zhì)膠結(jié),單層厚度一般在12～38 m,自上而下砂巖層的厚度呈現(xiàn)由薄變厚的規(guī)律,其厚度一般大于280 m。

3)白堊系下統(tǒng)白龍組(K1b):青灰色厚層細(xì)粒長石石英砂巖與磚紅色泥巖互層。該組下部的砂巖層厚較厚。

4)白堊系下統(tǒng)七曲寺組(K1q):紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾磚紅色厚層狀細(xì)粒巖屑砂巖,該組底部是青灰色塊狀的長石石英砂巖,出露厚度大于100 m。

5)第四系殘坡積層(Q4el+dl):以黃褐色粘土為主,夾大量頁巖、砂巖碎屑及碎塊,厚0～1.0 m。主要分布于山麓平緩斜坡、凹地及溝谷地帶。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)域位于四川盆地東北邊緣,地處東經(jīng)105°43′～106°28′,北緯31°37′～32°10′。研究區(qū)內(nèi)無斷裂構(gòu)造,以北東或北東東向的寬緩褶皺為主,主要有:新場向斜、新觀背斜、蒼溪向斜。從區(qū)域角度分析,并用蒼溪向斜作為邊界,其西北為川西褶皺帶,其東南為川中褶皺帶。區(qū)域內(nèi)褶皺平緩,北部以傾向南東的單斜形態(tài)為構(gòu)造特征,巖層傾角自北而南逐漸減緩[4],由6°～11°漸變過渡為2°～4°。本次垃圾填埋場所在地處在蒼溪向斜南璇,區(qū)域構(gòu)造秘定性良好。

1.2.3 地貌特征

研究區(qū)地處嘉陵江左岸、嚴(yán)家河溝左岸,總體地勢東南側(cè)高西北側(cè)低,場地內(nèi)最高點位于垃圾場外側(cè)山脊,海拔標(biāo)高400 m,最低點位于垃圾場外西北側(cè)溝谷,海拔標(biāo)高330 m,相對高差約70 m,地形坡度一般5°～30°,局部較陡。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 地下水類型

研究區(qū)地下水按賦存空間、埋藏條件可劃分第四系松散巖類孔隙潛水,侏羅系、白堊系碎屑巖類裂隙水兩類[3]。

第四系松散巖類孔隙潛水埋藏淺,一般0.6～3.4 m,水量中等,主要賦存于河流兩側(cè)的階地中,單井涌水量100～500 m3/d。主要接受大氣降水補給,除洪水期外,地下水一般補給河水。主要以民井或泉的形式排泄。徑流途徑短,具有就近補給和就近排泄的特點。

研究區(qū)大部分地區(qū)構(gòu)造微弱,侏羅系、白堊系碎屑巖類巖層緩傾,角度在3°～7°,在長期的地質(zhì)作用中形成了較為穩(wěn)定的風(fēng)化帶,風(fēng)化帶內(nèi)較發(fā)育的裂隙系統(tǒng)為地下水提供了儲集空間,而下部未風(fēng)化的巖體又起到了相對隔水的作用,地下水賦存條件較好。風(fēng)化帶含水層底界深度一般在20～25 m,風(fēng)化帶以下含水性微弱。侏羅系、白堊系碎屑巖類裂隙水主要分布在研究區(qū)東部、東南部區(qū)域,巖層裂隙發(fā)育一般,透水性差,出水量一般<50 m3/d,富水性弱。

1.3.2 含水巖組

1)第四系松散巖類孔隙含水巖組。在研究區(qū)內(nèi)主要分布在區(qū)域西北部坳溝處,呈零星分布態(tài),富水性較貧乏,含水層厚度較薄,厚度一般在2.4～8.9 m,主要巖性為粉土、粉質(zhì)粘土,結(jié)構(gòu)密實,透水性弱,富水性弱,含水貧乏,滲透系數(shù)K一般為0.15 m/d,單井涌水量10～20 m3/d。含水層厚度和粒度的變化控制其富水性。

2)紅層裂隙含水巖組。該巖組研究區(qū)內(nèi)廣泛出露,局部分布于第四系地層之下,主要巖性為紅色、暗紫紅色泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖,水量貧乏的(小于100 m3/d),滲透系數(shù)K為0.017 m/d,水位埋深7.3～23.8 m。泥巖柔性大塑性強,構(gòu)造裂隙常不發(fā)育,由于其抗風(fēng)化能力弱,具失水開裂特征,利于形成淺表風(fēng)化裂隙,雖然裂隙微細(xì)短小,但互相穿插切割形成密集網(wǎng)狀裂隙帶,構(gòu)成風(fēng)化裂隙含水層。含水層的厚度與風(fēng)化帶發(fā)育深度有關(guān),而風(fēng)化帶的發(fā)育深度又與地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素有關(guān)。溝谷區(qū)因上部覆蓋有殘坡積、洪積物,風(fēng)化帶保存較好,厚度較大;而谷坡區(qū)易被侵蝕,風(fēng)化帶則較薄。

1.3.3 地下水補徑排條件

研究區(qū)內(nèi)地下水主要補給來源有為大氣降水入滲,大氣降水的降水方式、強度及年內(nèi)、年際變化對地下水補給量具有重大影響。地下水補給與地形地貌密切相關(guān)。研究區(qū)地形起伏較大,大氣降水部分形成地表徑流匯入嚴(yán)家溝河中,另一部分入滲補給地下水。

第四系松散巖類孔隙水:主要分布在研究區(qū)西北部,呈窄條狀分布,地表多為粉質(zhì)粘土、碎石土,垂向滲透性一般,主要接受大氣降水及田水補給,以隱滲形式排泄地表。

紅層碎屑巖類裂隙孔隙水:分布于研究區(qū)東部及東南部,巖性由紅色、暗紫紅色泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖組成,表部孔隙度較小,易受風(fēng)化,地下水交替作用緩慢。地下水經(jīng)大氣降水補給后,在一定深度范圍內(nèi)呈順坡或水平運動,以散流或泉的形式排泄于溪溝部位。淺層基巖裂隙水在水文地質(zhì)單元內(nèi)接受大氣降水補給,順地勢向溝谷徑流,由各短溝徑流至嚴(yán)家溝。

排泄方式主要包括河流排泄、人工開采、側(cè)向徑流等,以河流排泄為主。

1.3.4 地下水水化學(xué)特征

研究區(qū)內(nèi)淺層地下水pH值變化范圍在6.74～8.6,地下水水化學(xué)類型主要以HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca型為主,溶解性總固體在0.37～1.13 g/L。

1.3.5 地下水流場及動態(tài)特征

1.3.5.1 地下水流場特征

研究區(qū)位于低山丘陵山間溝谷,地下水類型主要包括第四系孔隙水和基巖裂隙水,地下水徑流主要受地形地貌控制,流向與地形總體坡向基本一致,總體地下水流場方向自南東向北西,第四系孔隙水地下水埋深約為0.3～1.7 m,基巖裂隙含水層地下水水位平均埋深3～7 m,滲透系數(shù)K為0.045 3 m/d,彌散系數(shù)2.75×10-4cm2/s。

1.3.5.2 動態(tài)特征

本次研究區(qū)地下水動態(tài)與灌溉、地表水、降雨有密切聯(lián)系。主要受前述補給、徑流和排泄條件的控制,在不同地貌部位,不同巖性結(jié)構(gòu)地段,地下水動態(tài)變化的主導(dǎo)因素亦有不同。地下水交替作用強烈,地下水水位埋藏較淺,其動態(tài)變化受季節(jié)、降雨的控制明顯,水位年變幅在1.2～2.7 m,地下水近似垂直河流運動,水力坡度0.14。

1.3.6 水文地質(zhì)試驗

1.3.6.1 注水試驗

現(xiàn)場通過4組鉆孔注水試驗,求取了區(qū)內(nèi)覆蓋層和砂質(zhì)泥巖的滲透系數(shù),滲透系數(shù)統(tǒng)計表如表1所示。

表1 鉆孔注水試驗計算滲透系數(shù)統(tǒng)計表

鉆孔注水試驗測得第四系粉土滲透系數(shù)K為0.109～ 0.172 m/d,平均0.142 m/d,厚度一般0.5～2 m,包氣帶防污性能一般,該地層的滲透系數(shù)建議值為0.15 m/d。

1.3.6.2 壓水試驗

鉆進過程中壓水試驗隨鉆孔深度自上而下用單栓塞分段隔離進行,由于試驗段深度一般小于20 m,壓力表最大壓力P3取0.3 MPa,本次試驗每段長度小于5 m,求取了區(qū)內(nèi)下伏巖層的滲透系數(shù),滲透系數(shù)統(tǒng)計表見表2。

表2 壓水試驗成果統(tǒng)計表

根據(jù)本次壓(注)水試驗和類比相似場地,砂質(zhì)泥巖的滲透系數(shù)建議值為0.016 m/d。

1.3.6.3 抽水試驗

本次研究在監(jiān)測井鉆孔中進行的抽水試驗均為單孔穩(wěn)定流抽水試驗。由于研究區(qū)淺層含水層富水性較差,單井出水量小,因此,使用1.5 m3/h的水泵,采用1次降深進行穩(wěn)定流抽水試驗,抽水穩(wěn)定時間按規(guī)范要求穩(wěn)定24 h,水位、水量同步進行觀測,并根據(jù)試驗結(jié)果進行了穩(wěn)定流水文地質(zhì)參數(shù)計算,確定了試驗區(qū)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)K值。潛水層抽水試驗成果統(tǒng)計表見表3。潛水非完整井:

表3 潛水層抽水試驗成果統(tǒng)計表

式中:K—含水層滲透系數(shù)(m/d);R—影響半徑(m);S—抽水孔降深值(m);Q—抽水井涌水量(m3/d);H—潛水含水層厚度(m);l—有效進水長度(m);rw—抽水孔半徑(m)。

1.4 地下水環(huán)境現(xiàn)狀

本次地下水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查共設(shè)置地下水水質(zhì)監(jiān)測點位3個,地下水水位監(jiān)測點位8個。

地下水監(jiān)測指標(biāo)主要包括:pH值、總硬度、溶解性總固體、揮發(fā)性酚類、耗氧量、氨氮、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽(以N計)、亞硝酸鹽(以N計)、汞、鎘、鐵、砷、銅、鋅、錳等共計16項。

監(jiān)測結(jié)果顯示研究區(qū)內(nèi)1#地下水監(jiān)測井和2#地下水監(jiān)測井所測指標(biāo)中,揮發(fā)性酚類、耗氧量均出現(xiàn)超標(biāo)情況,以揮發(fā)性酚類最為嚴(yán)重,最大超標(biāo)倍數(shù)為9.6;3#地下水監(jiān)測井所測指標(biāo)中氯化物、氨氮、揮發(fā)酚、耗氧量、溶解性總固體等指標(biāo)均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象,揮發(fā)性酚類的最大超標(biāo)倍數(shù)為18.75。

2 地下水環(huán)境影響預(yù)測

目前垃圾填埋場已簡易封場,項目在后期運行過程中出現(xiàn)非正常情況時,滲濾液收集池污水會下滲流入含水層。垃圾填埋場所在區(qū)域水文地質(zhì)單元界線明顯,垃圾填埋場東側(cè)、南側(cè)及西側(cè)以地下水分水嶺為界,北側(cè)以嚴(yán)家溝河流為界,地下水環(huán)境影響評價范圍約0.11 km2。

2.1 解析法預(yù)測模型

2.1.1 模型選擇

地下水預(yù)測分析主要進行飽和帶污染物遷移預(yù)測,本次垃圾填埋場地處紅層丘陵區(qū),地下水沿軸向西北徑流至嚴(yán)家溝河水系,而溶質(zhì)隨地下水流進行運動。滲濾液收集池發(fā)生滲漏的情形下,可視為平面連續(xù)點源的一維穩(wěn)定流動二維水動力彌散[5]。本次滲濾液收集池廢水滲漏對區(qū)域地下水預(yù)測的模型,視地下水平行方向流動為x軸的正方向,則垃圾填埋場滲濾液收集池周邊地下水污染物濃度分布模型如下:

2.1.2 水文地質(zhì)條件的概化

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)情況和解析模型的適用條件,本次將該模型的水文地質(zhì)條件概化為:含水層厚度均一,水平方向為均質(zhì)各向同性,含水層水平均勻展布,向四周無限延伸。

2.1.3 污染源概化

根據(jù)污染源的排放形式和排放規(guī)律可以將其概化為連續(xù)恒定排放的點源污染源。在預(yù)測評價中考慮最不利的工程狀況,含水層的各項水文地質(zhì)參數(shù)選取較不利的情況,不考慮包氣帶的截留,以便于對垃圾填埋場滲濾液收集池滲漏的污染做出最大化的評估預(yù)測。

2.2 模型參數(shù)選取

1)含水層平均有效孔隙度n:研究區(qū)地下水含水層主要為白堊系下統(tǒng)蒼溪組砂巖、砂泥巖組,巖性為灰～青灰砂巖、紫紅色砂質(zhì)泥巖,考慮含水層巖性特征,本次綜合有效孔隙度約0.12。

2)滲透系數(shù)K:根據(jù)對研究區(qū)內(nèi)典型鉆孔進行的水文地質(zhì)抽水試驗數(shù)據(jù),本文取K=0.045 m/d。

3)地下水流速u:滲透系數(shù)取0.045 m/d,水力坡度約0.14,根據(jù)地下水流速V=KI,則水流速度實際流速u=v/ne=0.05 m/d。

4)彌散系數(shù)取DL=0.32 m2/d,橫向y方向的彌散系數(shù)DT,根據(jù)經(jīng)驗一般DT/DL=0.1,因此DT=0.03 m2/d。

解析法地下水預(yù)測所需參數(shù)見表4。

表4 解析法地下水預(yù)測所需參數(shù)

2.3 預(yù)測結(jié)果

2.3.1 CODMn

CODMn隨時間變化的濃度分布如圖1所示。

圖1 泄漏后CODMn污染物濃度分布圖

事故狀態(tài)下滲濾液收集池內(nèi)污水發(fā)生下滲時,CODMn隨地下水流擴散運移,CODMn在下滲遷移100 d時,最遠(yuǎn)超標(biāo)距離32 m,超標(biāo)面積范圍達到475 m2; CODMn在下滲遷移365 d時最遠(yuǎn)超標(biāo)距離63 m(已經(jīng)運移至嚴(yán)家溝河排泄點),超標(biāo)面積范圍達到1 525 m2;CODMn在下滲遷移1 000 d時最遠(yuǎn)超標(biāo)距離63 m,超標(biāo)面積范圍達到1 835 m2。

2.3.2 氨氮

氨氮隨時間變化的濃度分布如圖2所示。

事故狀態(tài)下滲濾液收集池內(nèi)污水發(fā)生下滲時,氨氮隨地下水流擴散運移,氨氮在下滲遷移100 d時,最遠(yuǎn)超標(biāo)距離42 m,超標(biāo)面積范圍達到775 m2;氨氮在下滲遷移365 d時最遠(yuǎn)超標(biāo)距離63 m(已經(jīng)運移至嚴(yán)家溝河排泄點),超標(biāo)面積范圍達到1 690 m2;氨氮在下滲遷移1 000 d時最遠(yuǎn)超標(biāo)距離63 m,超標(biāo)面積范圍達到2 395 m2。

3 結(jié)語

基于解析法建立的垃圾填埋場滲濾液收集池地下水環(huán)境影響預(yù)測模型,并合理選取預(yù)測模型參數(shù),對其非正常工況下的地下水環(huán)境進行了預(yù)測。結(jié)果表明,CODMn、氨氮在發(fā)生滲漏后呈先增大后減小的趨勢,一旦發(fā)生滲濾液滲漏,一年之內(nèi)其超標(biāo)范圍將運移至填埋場外嚴(yán)家溝處。為防治垃圾填埋場發(fā)生滲漏事故,造成地下水環(huán)境污染,主管部門應(yīng)從源頭對污染源進行控制,并在地下水流向上下游布設(shè)地下水監(jiān)測井進行監(jiān)控。