垃圾填埋場滲濾液地下遷移的數值模擬及其模型參數的敏感性分析

馮兆洋，張 輝，董少剛

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.中國地質大學（武漢）環境學院，武漢 430074）

垃圾填埋場滲濾液地下遷移的數值模擬及其模型參數的敏感性分析

馮兆洋1，張 輝2，董少剛2

（1.長江科學院水資源綜合利用研究所，武漢 430010；2.中國地質大學（武漢）環境學院，武漢 430074）

隨著社會經濟的快速發展，地下水的污染日趨嚴重，尤其是垃圾填埋場滲濾液對地下水的污染，一直是社會各界廣泛關注的熱點問題。利用地下水數值模擬軟件GMS對松鼠嶺區垃圾填埋場的滲濾液遷移規律進行了模擬，根據采樣結果，將氯離子作為污染物主要成分來模擬其地下遷移和擴散的情況。結合研究區的區域地質概況和水文地質條件，選取了水平滲透系數、垂向滲透系數和孔隙度這3個主要的模型參數進行了敏感性分析。結果顯示，當3個參數值都縮小0.5倍時，對氯離子濃度幾乎沒有影響。當3個參數值均放大到2倍后，水平滲透系數對氯離子濃度影響較為敏感，垂直滲透系數和孔隙度對離子濃度的影響很小。研究結果在一定程度上佐證了研究區地下水流模型和滲濾液污染物遷移模型的合理性和可靠性。

垃圾填埋場；數值模型；參數敏感性

污染物在土壤及地下水中的遷移、轉化和積累是一個復雜的物理、化學和生物綜合作用的過程［1］。目前對于各種污染物地下運移問題的研究，主要通過2種方式開展：一是通過室內土柱試驗和野外示蹤實驗進行監測，獲得污染物的實時濃度變化，分析其運移規律；二是通過建立研究區的概念模型和數學模型，進行污染物運移過程的數值模擬，進而分析污染物濃度的時空變化規律，并預測污染物未來在地下運移的可能路徑和影響范圍［2］。本文應用數值模擬方法真實再現松鼠嶺垃圾填埋場污染物在地下的遷移過程，并對模型參數進行了敏感性分析。

1 研究區概況

1.1 區域地質概況

松鼠嶺垃圾填埋場位于湖州市市區西北部楊家埠，距市區10 km。填埋場靠王母山，面對104國道，其原始地形為東、北、西三面高，向東南敞開的山坳。填埋場1991年4月開始填埋，二期工程于2001年8月竣工投入使用，填埋場占地面積15.67 hm2。填埋場的整個區域高程在2.2～171.9 m之間。周圍土壤為中生界侏羅系上統黃尖組的灰色含礫晶屑熔結灰巖風華后的黃褐色黏土［3］。

1.2 水文地質條件

填埋場下方分布有新生界第四系及中生界侏羅系、古生界二疊系地層。本區第四系地層分布不甚規律，缺少全新統。上更新統下段洪積層（蓮花組PLQ3）以黃色黏土、亞黏土組成，缺少砂礫層位。中更新統洪積層（之江組PLQ2）以棕紅色黏土、亞黏土組成，結構緊密。第四系下覆有埋芷形裂隙巖溶水，含水層由古生界二疊系下統棲霞組（P1q）、石炭系上統船山組（C3c）、中統黃龍組（C2h）灰巖、白云質灰巖組成。第四系中、上更新統地層的土壤含水率在22.3%～2.57%之間，天然重度18.7～20.5 kN／m3，密度2.67～2.76 t／m3，孔隙比介于0.65～0.91之間，滲透系數約為4.7×10－6m／d。

場區三面環山，與單斜地層基本構成一個獨立的水文地質單元。淺部孔隙水含水層與基巖孔隙-裂隙水含水層接受大氣降水補給，淺層地下水一方面垂直入滲補給底部基巖裂隙含水層，另一方面從地勢高處向低處排泄，于陡坎處以泉流方式出露地表，泉流量0.005～0.03 L／s。

1.3 松鼠嶺垃圾填埋場水污染概況

為防止滲濾液直接流入填埋場下方的小溪，在填埋場下方挖有3個容積合計為5 341 m3污水池，通過導流以收集滲濾水［3］。區內無大型水源地，淺層地下水的開采主要來自于當地居民的生活用水，開采量較小。在垃圾填埋場運行以前，該區山谷的河水及地下水均可飲用。但自從填埋場開始運行后，處于下游溝谷區的水井大多因水質惡化而報廢。

2 填埋場區地下水流動數值模擬

2.1 概念模型

研究區總體上自地表向下可概化為3個含水層：淺部孔隙水含水層、基巖孔隙-裂隙水含水層和底部基巖裂隙含水層［4］。地下水的流向基本與地形一致，從周邊向溝谷方向流動，沿溝谷由北向南流動，可以概化為非均質各向異性的地下水三維非穩定流動系統。根據水文地質概念模型，選擇地下水模擬軟件GMS中MODFLOW模型來模擬研究區的地下水流動規律。

2.2 數值模擬軟件介紹

地下水模擬系統（Groundwater Modeling System），簡稱GMS，是美國Brigham Young University環境模型研究實驗室及美國軍隊排水工程試驗工作站集成MODFLOW，FEMWATER，MT3DMS，RT3D，SEAM3D，MODPATH，SEEP2D，NUFT，UTCHEM等已有地下水模型開發的一個綜合性圖形界面模擬軟件。本文研究區的地下水屬于三維不穩定流，其數學模型如下：

式中：K為滲透系數（m／d）；μs為含水層單位儲水系數（L－1）；H（x，y，z，t）為地下水水頭（m）；H0（x，y，z，t）為地下水初始水頭（m）；f1（x，y，z，t）為第一類邊界Γ1上的水位（m）；W為含水層系統源匯強度（m3／（d·m2））；q1（x，y，z，t）為第二類邊界Γ2上的流量（m3／（d·m））。

2.3 網格剖分

本次模擬研究采用等間距矩形網格對模擬區域進行離散化，x方向（水平方向）網格間距約39 m，y方向（垂向）網格間距為40 m。依據概念模型和巖性分布狀況，模型在垂向上分為3層。平面上整個研究區剖分為1 945個單元，整個模擬區域共剖分為5 862個單元［5］。

圖1 模擬區三維網格剖分Fig.1 3-D meshes of the simulated area

2.4 初始水位

在地下水數值模擬中，通常根據研究區內所有觀測孔、抽水孔（井）和地表水位資料，插值獲得各結點的初始水頭值［6，7］。

本次模擬研究開始于垃圾填埋場填埋時刻（1991年），因此很難獲得當時的觀測水位。由于研究區地下水位比較穩定且模擬面積較少，根據水均衡原理，首先應用穩定流模型，模擬出初始流場，再用作模型的初始水位［8－10］。

2.5 模擬時段及模型檢驗

本次模擬時間段為1991年1月至2050年1月，應力期以月為單位，時間步長為1 d。由于該區沒有大的開采井，地下水位比較穩定，地表水出露較多，因此在沒有長期觀測井的情況下，采用地表出露水位檢驗模型的準確性［11］。從檢驗結果看，模型基本上能夠反映出該區地下水位的變化狀態。

3 填埋場區垃圾滲濾液遷移的數值模擬

3.1 污染源強度及彌散度取值

垃圾填埋場位于溝谷之內，較容易接受降雨的補給，垃圾產液量較高。在本次模擬中，采用降雨量即是垃圾滲濾液產量的方法，粗略模擬垃圾滲濾液的影響范圍［11，12］。

該填埋場填埋垃圾已逾20年，采樣分析時間只是在最近幾年展開。從采樣分析結果來看，滲濾液中的氯離子濃度非常高，且濃度變化大?；诤侠硇钥紤]，本文采用氯離子作為保守性離子來模擬地下污染物的擴展范圍，沒有考慮吸附解析及其他化學作用，并將5次采樣的氯離子平均濃度（5 547 mg／L）作為垃圾滲濾液的污染物濃度。

污染物遷移模擬參數見表1，表中aL為縱向彌散度；θ為土壤含水率。

表1 污染物遷移模擬參數表Table 1 Parameters of contam inantmovement simulation

3.2 模擬結果

研究區最重要的一口開采深井為永力機械廠的供水井HS119，位于垃圾填埋場下游800 m左右。

圖2為井HS119所在位置淺層含水層中氯離子濃度變化曲線。從圖中可以看出，垃圾填埋場運行約7年后（2 500 d），該區就受到垃圾滲濾液的影響，14年之后氯離子濃度穩定在0.25 mg／L左右。

圖2 井HS119所在位置淺層含水層中氯離子濃度變化Fig.2 Change of chloridion concentration in top aquifer of well HS119 against time

圖3 為井HS119所在位置深層含水層中氯離子濃度變化曲線。從圖中可以看出垃圾填埋場運行14年（5 000 d）左右，該含水層受到垃圾滲濾液的影響，氯離子濃度最終穩定在7×10－6mg／L左右。

圖3 井HS119所在位置深層含水層中氯離子濃度變化Fig.3 Change of chloridion concentration in lower aquifer of well HS119 against time

模擬結果顯示該井明顯地受到了垃圾滲濾液的影響，與采樣分析的結果相吻合。

4 模型參數的敏感性分析

4.1 參數值的設置

由于該區地質條件復雜、巖性變化大，模型的彌散參數采用經驗值，因此只分析3個典型參數對模擬結果的影響，即水平滲透系數、垂直滲透系數和孔隙度。本次分析采用單一變量原則，將這些參數值均放大2倍和縮小0.5倍，并與參數原值結果進行相比。模型原參數見表2。

表2 模型原參數Table 2 Originalmodel parameters

4.2 結果分析

因氯離子濃度隨著深度的增加而減小，因此參數變化理論上應對上層氯離子濃度影響更加明顯。因此本文只選擇第一層3個網格進行分析，cell 572，cell2204，cell2868（井HS119），3個點分別位于填埋場東側150 m、填埋場下游600 m和填埋場下游800 m左右。

綜合分析圖4至圖6可明顯看出，當3個參數分別縮小0.5倍時，它們對3個網格處的氯離子濃度變化影響很小，與模型原參數值效果基本一致。

圖4 HS119采樣點氯離子濃度與參數的關系Fig.4 Relationship between chloridion concentration at sampling point HS119 and parameter value

圖5 Cell572氯離子濃度與參數的關系Fig.5 Relationship between chloridion concentration at samp ling point Cell572 and parameter value

圖6 Cell2204氯離子濃度與參數的關系Fig.6 Relationship between chloridion concentration at sampling point Cell2204 and parameter value

綜合分析圖7至圖9可明顯看出，當參數值分別放大2倍時，垂向滲透系數和孔隙度對3個網格處的氯離子濃度變化影響很小，而水平滲透系數對氯離子的濃度影響很大。由此可見，該地區滲濾液中氯離子濃度的分布對水平滲透系數的變化較為敏感。

圖7 HS119采樣點氯離子濃度與參數的關系Fig.7 Relationship between chloridion concentration at sampling point HS119 and parameter value

圖8 Cell572采樣點氯離子濃度與參數的關系Fig.8 Relationship between chloridion concentration at samp ling point Cell572 and parameter value

圖9 Cell2204采樣點氯離子濃度與參數的關系Fig.9 Relationship between ch loridion concentration at samp ling point Cell2204 and parameter value

5 結 論

本文根據湖州松鼠嶺地區的區域地質概況和水文地質條件，利用已建立的研究區地下水概念模型和GMS模擬軟件對滲濾液中氯離子的遷移過程進行了數值模擬。選用研究區下游的觀測井HS119，進行了模型參數的敏感性分析。結果表明研究區的概念模型具有一定的合理性與可靠性。

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（編輯：趙衛兵）

Numerical Simulation of Subsurface M ovement of Land fill Leachate and Sensitivity Analysis of M odel Parameters

FENG Zhao-yang1，ZHANG Hui2，DONG Shao-gang2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The worsening groundwater pollution，particularly polluted by landfill leachate has been receiving wide concerns from the society.Themovement of leachate from Songshuling landfillwas simulated with groundwater numerical simulation software GMS（Groundwater Modeling System）.Based on leachate sampling results，chloridion was determined as themain componentof the pollutantwhichmoves and spreads in the simulation.With the regional geology and hydro-geological conditions of the studied area，the sensitivity of chloridion to threemain parameters，namely horizontal K，vertical K and porosity are analyzed.The results show thatwhen the three parameters are all reduced by 50%，the chloridion concentration barely changed；whilewhen the three parameters aremagnified 2 times，the chloridion concentration aremuchmore obviously affected by horizontal K than by vertical K and porosity.The results also proved that themodels of groundwater flow and leachatemovement are rational and reliable.

landfill；numericalmodeling；parameter sensitivity

X523

A

1001－5485（2011）12－0107－05

2011-10-25

長江科學院博士啟動基金（CKSQ2010077）

馮兆洋（1984-），男，山東泰安人，碩士，主要研究方向為水環境污染治理與修復，（電話）15927076004（電子信箱）fengzy1314＠126.com。