基于過程模擬的地下水污染風險評價方法研究

劉增超,董 軍,何連生,席北斗,孟 睿,李一葳 ,嚴剛剛(.中國環境科學研究院水環境系統工程研究室,北京 000；.吉林大學環境與資源學院,吉林 長春 3006)

我國早期建設的填埋場大多為簡易垃圾填埋場,主要依靠天然土層進行防滲[1],產生的垃圾滲濾液具有水質成分復雜、污染物濃度大、水質水量變化明顯等特點,對地下水及周邊環境均存在著較大的污染風險.進行簡易垃圾填埋場地下水污染風險評價對于地下水污染預防與有效監管具有十分重要的意義.

地下水污染風險是指地下水受到污染的概率[2],評價的目的是確定地下水污染風險的大小,并努力將風險降至可接受的最低程度.目前,地下水污染風險評價的主要方法是基于地下水脆弱性評價[3-6],已有研究表明,地下水脆弱性僅反映了地層對地下水保護性的強弱,評價方法主觀性較強,難以準確反映地下水系統的污染風險水平.近年來,研究人員在地下水脆弱性評價的基礎上,增加了地下水保護管理、土地利用類型等要素的評價[7-9],其成果為地下水管理決策提供了重要依據.但總體上,沒有考慮污染物在包氣帶、飽和帶內隨地下水流遷移轉化過程,影響了地下水污染風險評價結果的合理性.

本研究以抽水井作為評價對象,評價范圍包括填埋場、包氣帶、飽和帶及地下水系統.通過對簡易垃圾填埋場污染地下水過程的系統分析,確定了地下水污染風險評價因子,構建了基于過程模擬的污染物遷移轉化數學模型,建立了簡易垃圾填埋場地下水污染風險評價方法.旨在為不同場地類型、不同地質條件的簡易垃圾填埋場地下水污染風險評價與風險管理提供決策支持.

1 簡易垃圾填埋場地下水污染風險分析

基于簡易垃圾填埋場滲濾液污染地下水的過程分析,建立簡易垃圾填埋場地下水污染風險分析概念模型,如圖1所示.

圖1 簡易垃圾填埋場地下水污染風險分析概念模型Fig.1 Risk analysis conceptual model of groundwater pollution by simple waste landfill

從圖1中可以看出,簡易垃圾填埋場地下水污染風險主要由填埋場、包氣帶及飽和帶3個因素決定.

垃圾填埋場滲濾液是地下水最重要的污染源[10-11].垃圾滲濾液中含有高濃度懸浮物和高濃度有機或無機成分,滲濾液水質隨氣候、垃圾成分、填埋年限、填埋方式、水文地質等因素的影響而顯著變化.垃圾滲濾液產生量、污染物濃度等因素均影響地下水污染風險水平.

包氣帶是連接填埋場與地下水系統的樞紐,幾乎所有的污染物都必須經過包氣帶才能傳輸到地下水系統,是含有水、固、氣三相的特殊流體系統,能夠延緩污染物到達地下水面的過程,起著重要的屏障作用.包氣帶的厚度、巖性等因素均影響地下水污染風險水平.

垃圾填埋場滲濾液污染物隨地下水流的遷移對地下水系統造成污染,含水層對滲濾液污染物衰減的影響主要來自溶解、稀釋、水動力彌散、降解等作用.含水層巖性、水力傳導系數等因素均影響地下水污染風險水平.

2 方法的構建

2.1 確定風險評價方法

目前,常用的地下水污染風險評價方法有3類,分別是迭置指數法、統計方法和過程數學模擬法[12-15].迭置指數法目前使用較為普遍,具有評價方法簡單、評價參數容易獲取等優點,缺點是評價因子的評分與權重體系多基于經驗方法獲得,客觀性和科學性較差;統計方法的優點是能夠客觀的篩選出地下水污染的主要影響因素,并在回歸方程中給出適當的權重值,避免了專家評判的主觀性,缺點是沒有涉及污染發生的基本過程,進行評價時必須有足夠的監測資料和信息;過程數學模擬法既可以描述地下水污染物的遷移轉化過程,又可以估計污染物的時空分布情況,且許多模擬結果是量化的,如污染物遷移時間、污染物濃度及污染面積等.因此,本研究采用基于過程模擬的方法對地下水污染進行風險評價,盡管描述污染物遷移轉化的模型很多[16],但目前還沒有更多地應用在地下水污染風險評價中.

2.2 選擇風險評價因子

研究表明,垃圾滲濾液中的污染物成分復雜[17-18],污染物在包氣帶和飽和帶中會發生一系列物理、化學和生物反應,導致部分污染物改變其物理和化學形態,在過程模擬中很難對其遷移轉化過程進行準確模擬,從而影響地下水污染風險評價的準確性.垃圾滲濾液中的氯離子具有很高的溶解度,幾乎不參與任何地球化學作用,即使在濃度特別高的情況下也可以與水分子同時在包氣帶中遷移;氯離子沒有揮發性,當水分蒸發時,氯離子則被保留在包氣帶水中,其濃度與蒸發消耗的水量成正比;另外,植物對氯離子吸收也不明顯.因此,氯離子是包氣帶和飽和帶中最穩定的垃圾滲濾液污染物,其遷移范圍體現了垃圾滲濾液污染物在地下水中的最大污染范圍,能夠反映簡易垃圾填埋場對地下水抽水井的最大污染風險[19],本研究選用氯離子作為地下水污染風險評價的評價因子.

2.3 風險評價因子濃度計算

按照污染物從填埋場進入并流經包氣帶和飽和帶的整個遷移路徑,氯離子濃度計算主要有填埋場源頭、地下水面處、抽水井3個位置.

2.3.1 填埋場源頭 氯離子濃度用垃圾滲濾液多次平均氯離子濃度(Ck)來表示.

式中:C1,C2,…,Cn為n次垃圾滲濾液氯離子測量濃度;n為垃圾滲濾液氯離子濃度測量次數.

2.3.2 地下水面處 簡易垃圾填埋場地下水面處氯離子濃度計算采用氯離子均衡法[20-21].氯離子主要通過垃圾滲濾液、降雨、干沉降、灌溉及施肥等途徑進入包氣帶,根據質量守恒定律,建立簡易垃圾填埋場包氣帶氯質量平衡方程:

式中:Wk為垃圾滲濾液氯質量,mg;Wp為降水中氯質量,mg;Wi為干沉降量,mg;Wd為灌溉水中氯質量,mg;Wf為肥料中的氯質量,mg;Ws為地下水面處氯質量,mg;Wm為礦物吸附氯質量,mg;Wo為植物吸收氯質量,mg.

通過分析發現,簡易垃圾填埋場由于沒有采取防滲措施,垃圾滲濾液產生量較大,且滲濾液中氯離子濃度很高,導致Wk較大;而填埋場面積相對較小,由降水、干沉降、灌溉等產生的氯質量遠遠小于垃圾滲濾液產生的氯質量,故認為Wp、Wi及Wd可以忽略;我國大部分地區所施肥料主要是尿素和二胺,基本不含氯,可認為Wf=0;包氣帶介質對氯離子基本呈惰性,即Wm=0;另外,一般植物基本不吸收氯離子,Wo也可以忽略.因此,公式(2)可簡化為:

公式(3)可寫成下列形式:

式中:Qk為垃圾滲濾液年平均日產生量,m3/d;Qs為垃圾滲濾液年平均日滲漏量,m3/d;Cs為地下水面處垃圾滲濾液氯離子濃度,mg/L.

垃圾滲濾液實際產生量受降雨、蒸發、徑流以及填埋場面積等因素影響,要準確預測滲濾液產生量非常困難.目前國內外已有多種計算方法,本研究采用年平均日降水量法[22],假設研究區內有m個簡易垃圾填埋場,則:

式中:I為年平均日降雨量,mm/d;A1,A2,…,Am分別為m個填埋場的面積,m2;B1,B2,…,Bm分別為m個填埋場垃圾滲濾液的滲出系數.

垃圾滲濾液滲漏量通過達西定律計算[23],即:

式中:Qs為滲濾液滲漏量,m3/d;Ks為土體滲透系數,m/d;T為滲濾液產出時間,d;A為滲濾液滲漏面積,m3;D為粘土層厚度,m.

2.3.3 抽水井內 本研究采用Visual Modflow軟件中的MT3DMS模塊對滲濾液中氯離子在含水層中遷移轉化進行模擬,該軟件能夠較好的模擬污染物在飽和帶中的遷移轉化,并且適用于大多數地下水環境[24-26].將簡易垃圾填埋場地下水面處的垃圾滲濾液實際入滲量和氯離子濃度分別作為地下水流動模型和溶質運移模型的上邊界條件,通過建立地下水流模型及溶質運移模型,對抽水井中的氯離子濃度進行計算.

含水層水流模型的基本方程為:

式中:Kx、Ky、Kz為滲透系數在x、y和z方向上的分量,m/d;h為水頭,m;W為匯源項,即單位體積流量,L/d,S為孔隙介質的貯水率,1/m;t為時間,d.

污染物溶質運移模型的基本方程為:

式中:C為地下水污染物濃度,kg/m3;θ為介質的孔隙率,無單位;t為時間,d;xi、xj為沿直角坐標軸的距離,m;D為水動力彌散系數,m2/d;V為地下水實際流速,m/d;q為單位體積含水層流量,L/d;Cs為源或匯水流中污染物濃度,kg/m3;∑R為化學反應項,kg/(m3·d).

2.4 風險評價等級劃分

通過過程模擬可以得到地下水抽水井氯離子濃度值(Cr),參照《地下水質量標準》[27]中氯化物指標劃分標準對風險等級進行劃分,考慮到垃圾滲濾液中污染物成分較多,且含有多種有毒有害物質,地下水一旦被垃圾滲濾液污染,地下水水質將會受到嚴重影響.因此,本研究將簡易垃圾填埋場地下水污染風險等級劃分為4個等級,并對系統特征進行了描述,如表1所示.

表1 簡易垃圾填埋場地下水污染風險分級Table 1 Classification of groundwater pollution risk by the simple waste landfill

3 案例分析

3.1 研究區概況

研究區位于某市西南郊,面積為103.68km2,如圖2所示.研究區從1989年開始在取砂坑中填埋垃圾,形成了7個簡易垃圾填埋場,如表2所示.雖然5號、6號場地具有底部、頂部防滲層系統,但其防滲性能并未達到衛生填埋標準,仍屬于簡易垃圾填埋場.

圖2 研究區示意Fig.2 Schematic diagram of the study area

研究區地層結構單一,第四系沉積巖性為砂卵礫石層,由西向東逐漸增厚,東部邊界處第四系厚度為60～70m;含水層巖性以砂礫石為主,厚度為11～51m,地下水徑流條件較好,為潛水含水層.目前,該區枯水期地下水埋深為20～30m.

表2 研究區垃圾填埋場概況Table 2 General situation of simple waste landfill in the study area

3.2 水文地質概念模型

通過對地質條件及水文地質條件資料分析,研究區地下水可概化為非均值各向同性的潛水含水系統,降水入滲系數為0.55,開采強度為500000m3/(a·km2),含 水 層 滲 透 系 數 為 200～300m/d,給水度為0.18～0.35.地下水由西北流向東南,其西部、東部及東南部均有地下水通量存在,可概化為隨時間變化的側向補給和排泄邊界;潛水含水層自由水面為系統的上邊界,接受大氣降水補給;其余邊界沒有地下水通量存在,概化為零通量邊界.

3.3 模型的建立與識別

3.3.1 水流模型的建立與識別 由于研究區從1989年開始填埋垃圾,所以模擬時間從1990年1月1日開始,至2025年1月1日結束.在水文地質概念模型建立的基礎上,利用Visual Modflow建立地下水流數值模型,根據研究區內3個水位觀測井資料,以1999年1月1日到1999年12月31日為識別階段,以2001年1月1日至2001年12月31日為驗證階段,對建立的地下水水流模型進行識別與驗證,得到各水位觀測點的水位觀測值與計算值擬合曲線,如圖3所示,其擬合效果較好,表明建立的水流模型能夠較好的反映實際水文地質條件.

圖3 觀測井水位觀測值與計算值擬合曲線Fig.3 Fitting curves of the observed and the calculated water leve

3.3.2 溶質運移模型的建立與識別 溶質運移模型的范圍和邊界位置與水流模型一致,氯離子邊界濃度值為地下水面處的氯離子濃度值,假設污染源為點源連續注入,通過公式(1)～公式(6)的計算,邊界濃度值約為7757.44mg/L．考慮7個簡易垃圾填埋場填埋時間不同、填埋規模不同、頂底部防滲層工程措施不同等情況,利用Visual Modflow建立的溶質運移模型,根據研究區內3個濃度觀測井資料,對溶質運移模型的各項參數進行運行校正,通過反復調整模型參數,得到各濃度觀測點的Cl-濃度觀測值與計算值擬合曲線,如圖4所示,其擬合效果較好,表明建立的溶質運移模型能夠較好的反映污染物運移情況.

圖4 觀測井Cl-濃度觀測值與計算值擬合曲線Fig.4 Fitting curves of the observed and calculated Clconcentration

3.3.3 模型參數的確定 通過模擬可得含水層Cl-縱向彌散度為20,橫向/縱向彌散度比率為0.1,垂向/縱向彌散度比率為0.01,達到較為理想擬合結果的模型主要參數見表3.

表3 模型最終調參結果Table 3 Parameters of the water flow model

3.4 地下水污染風險評價

假設要對簡易垃圾填埋場2km處的地下水污染進行風險評價,根據研究區地下水流向,可在簡易垃圾填埋場東南、正東、正南方向的2千米處各設置一個抽水井,分別記為1號抽水井、2號抽水井和3號抽水井,如圖2所示,且由研究區地下水開采強度可算出抽水流量均為1370m3/d.應用建立的風險評價方法分別對3個抽水井氯離子濃度進行模擬預測,如圖5所示.

結果表明,污染源與污染物遷移轉化的共同作用決定了地下水污染風險等級.如圖5所示,由于抽水井1在簡易垃圾填埋場地下水水流方向下游,受的污染比較嚴重,從1999年3月開始遭受污染,氯離子濃度隨著時間的增加而升高,在2002年5月達到50mg/L,預計到2025年1月,將達到133mg/L,因此,抽水井1屬于較高污染風險等級,并有向高污染風險等級轉化的趨勢.抽水井2也是在1999年3月開始遭受污染,但氯離子濃度隨著時間的增加,其升降趨勢很難判定,原因是抽水井2可能處于垃圾滲濾液污染羽邊緣,隨著降雨量、地下水開采等因素的變化,氯離子濃度變化規律不明顯,但氯離子濃度始終介于0～50mg/L之間,因此,抽水井2屬于中等污染風險等級.抽水井3氯離子濃度始終為0,說明垃圾滲濾液基本沒有對其造成污染,因此,抽水井3屬于低污染風險等級.與該簡易垃圾填埋場污染地下水的有關研究結論相符[28],證明所建立的簡易垃圾填埋場地下水污染風險評價方法科學合理.

圖5 抽水井氯離子濃度模擬計算值Fig.5 Calculated value of Cl-concentration in pumping well

4 結論

4.1 以地下水抽水井作為評價對象,將填埋場、包氣帶、飽和帶及地下水系統作為評價范圍,構建了簡易垃圾填埋場地下水污染風險分析概念模型,確定了基于過程模擬的簡易垃圾填埋場地下水污染風險評價方法.以垃圾滲濾液中氯離子為地下水污染風險評價因子,構建了填埋場源頭、地下水面處、抽水井內的氯離子濃度計算數學模型,建立了簡易垃圾填埋場地下水污染風險分級方法,并對各風險等級的地下水系統特征進行了描述.

4.2 利用構建的方法對我國某市簡易垃圾填埋場進行了地下水污染風險評價,結果表明,污染源與污染物遷移轉化的共同作用決定了地下水污染風險等級,通過對抽水井中氯離子濃度值的模擬計算,判定抽水井1屬于較高污染風險等級,且有向高污染風險等級轉化的趨勢,抽水井2屬于中等污染風險等級,抽水井3屬于低污染風險等級.

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