水力截獲技術在地下水污染修復中的應用——以某危險廢物填埋場為例

顧 栩，杜 鵬，單慧媚，馬 騰，程勝高

（1.中國地質大學生物地質與環境地質國家重點實驗室，湖北 武漢430074；2.中國地質大學環境學院，湖北 武漢430074；3.中化地質礦山總局化工地質調查總院，北京100013）

危險廢物填埋場，由于危險廢物儲存量大、種類繁多，滲濾液污染組分復雜、濃度高、毒性大，是高風險的地下水潛在污染源［1］。因此，在危險廢物填埋場建設項目的環境影響評價階段，就需提出有效的地下水污染防治方案。而在填埋場運行過程中一旦防治方案失去效果，就需要對受污染的地下水進行修復。

地下水污染修復技術，按修復機理可以分為物理修復法、化學修復法、生物修復法和復合修復法；按污染物修復位置可以分為原位修復和異位處理［2—4］。目前，在實際工程中應用較廣的主要有水力截獲法、原位生物處理法和滲透性反應墻。其中，水力截獲技術在國外已被廣泛應用于抽出－處理系統的設計中，它是通過設置一系列合理的抽（注）水井，人工改變地下水天然流動方式，制造人工流場，最大限度地匯集和抽取受污染地下水，以達到修復受污染的含水層并抑制污染羽擴散的一種水動力學技術［5］。相對于其他地下水污染修復技術，該技術的優點是實施過程簡單，適用于常規修復和應急修復。該技術的關鍵是設計一種有效的水力截獲系統截取污染的地下水，而不允許污染物運移到下游［6］，特別是針對危險廢物填埋場的地下水污染修復，其難點是控制水力截獲帶的規模和幾何形態。為此，本文以擬建的某危險廢物填埋場為例，嘗試通過數值模擬方法，解決水力截獲技術在危險廢物填埋場地地下水污染修復中的井群布設等難點問題。

1 水力截獲技術

早在20世紀60年代，J.Bear等［7］利用注水井人工補給地下水含水層，并對其運動規律進行了定量研究，該成果為后來水力截獲技術的發展打下了基礎。

水力截獲技術是修復受污染含水層并抑制污染羽擴散的一種水動力學技術。單個抽水井形成的截獲帶平面圖（忽略垂向流速分量）如圖1所示，在抽水井下游截獲表面上，存在一個所有流線收斂的特定位置，在該點處流速矢量的全部分量都為零，稱為駐點，而截獲表面上的所有分水線都必然通過駐點。多井截獲帶是多個單井截獲帶幾何形狀的疊加，在二維流的狀態下，未被井群系統截獲繼續向下游流動的水和流向井群系統水的分水嶺就是水力截獲帶的邊界曲線；三維流情況下為截獲體，是抽水井截獲表面邊界跡線組所限定的空間結構體［8］。

圖1 單個抽水井形成的水力截獲帶平面圖Fig.1 Hydraulic capture－zone curves of single pumping well

水力截獲技術的核心，是根據治理場地區域的地質及水文地質條件，以及污染物的性質、分布及遷移特征，應用滲流理論以及最優化理論等學科的知識，在污染羽下游設置治理井（群），形成水力截獲帶抽出受污染地下水。水力截獲帶的形態與規模受很多因素的影響，含水層結構參數、天然流場水力梯度，截獲井的數量、間距、抽水量及完整性等諸多因素都可以成為控制變量［6，9］。

井（群）系統設計方法主要包括：解析/半解析方法、數值模擬方法、數值模擬及優化耦合方法［8］，本文主要利用數值模擬方法建立區域水流模型、污染物遷移模型，以為水力截獲帶的最優布設提供前提條件。

2 研究區地下水污染的數值模擬

本文以擬建的某危險廢物填埋場場地為研究區，對研究區地下水污染進行數值模擬。

2.1 研究區概況

研究區地形地貌類型屬構造剝蝕低山，地勢起伏較大，場地東西側為山體，整體呈北高南低態勢，山體為燕山晚期裸露花崗巖巖體，自然坡度為35°～45°。場地部分區域上覆第四系殘積礫質黏性土，下伏基巖主要為燕山晚期二云母二長花崗巖。自上而下地層分布為：礫質黏性土、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖。填埋場區含水層主要為礫質黏土層，因此污染物的擴散和截獲模擬主要針對該層。場區地下水徑流條件差，由于下伏弱、微風化花崗巖為相對隔水層，地下水主要為潛水，循環深度淺，徑流路徑短；加之受地形控制，地下水與地表水具有基本相同的分水嶺，由地形高處往低處徑流，整體地下水徑流方向為沿風化裂隙從分水嶺下游和兩側谷坡向溝谷匯集，由北往南徑流，并向地勢低洼地帶匯集。擬建場地周邊約50戶居民生活用水主要為地下水（民井），該范圍內地下水部分接受擬建場地周邊范圍內地下水的補給，但主要還是來源于大氣降雨的補給。

2.2 地下水中污染物運移的數學模型

地下水中污染物的運移問題涉及兩個數學模型，即地下水流動的數學模型和污染物運移的數學模型。本文采用地下水流動與污染物運移的模擬軟件Visual MODFLOW建立其數學模型。Visual MODFLOW模擬軟件是在無縫集成MODFLOW－96、WinPEST、MT3D99、MODPATH（平面和剖面流線示蹤分析）、RT3D等軟件的基礎上，建立了系統、合理的Windows菜單界面與可視化功能，其界面設計包括三大彼此聯系但又相對獨立的模塊，即前處理模塊、運行模塊和后處理模塊，既增強了模型的數值模擬能力，又簡化了三維建模的復雜性［10—11］。

天然情況下地下水流動的數學模型可表示為如下三維穩定流數學模型：

式中：H為地下水水頭（m）；Kx、Ky、Kz為x、y、z方向滲透系數（m/d）；H1為含水層第一類邊界水頭（m）；ε1為源匯項強度（包括開采強度等）（1/d）；Σ1為含水層第一類邊界；Σ2為含水層第二類邊界。

污染物運移的數學模型可表示為［12］

式中：Rd為阻滯因子，其中ρb為骨架密度，Kd為分配系數）；c為地下水中污染物濃度（mg/L）；cs為源和匯的濃度（mg/L）；t為時間（d）；θ為含水層孔隙率；xi為沿坐標軸各方向的距離（m）；ΣRk為化學反應項；Dij為水動力彌散系數；vi為地下水滲流速度（m/d）；qs為源和匯的單位流量（m3/d）。

2.3 模擬范圍

如圖2所示，擬建的危險廢物填埋場位于溝谷中，場地東北部紅線位置為地表水分水嶺（也是地下水分水嶺），距東南副壩軸線約300m，地面高程為208m。擬建場地東部山嶺比谷地高出約130m，西部則高出約40～60m，地下水水流從208m等高線以及兩側山地向中間河谷凹地（擬建工程場地）匯集，場地內地下水自東北向西南徑流，在擬建工程場地外側沿溝谷地帶匯入BS、NZ兩個水庫，地下水流向主要受地形的控制。場地西南側的HF、NZ兩個水庫常年蓄水，庫水位分別約為140m和160m，場地東南側BS水庫常年蓄水，庫水位約為80m。

模擬預測范圍為如圖2所示的紅色線所圈定的范圍，面積約為5km2。208m等高線處是該危險廢物填埋場區與北部另一填埋場的分隔壩，其地勢高于南北兩側的場區，是兩個場區的地下水分水嶺，因此設為隔水邊界；模擬區西北和東北以山脊線（紅線）為地下水分水嶺，為隔水邊界；西南HF水庫、南邊的NZ山水庫以及東南的BS水庫切割含水層，與含水層有水力聯系，設為定水頭邊界；與3個水庫相鄰的山脊線（紅線）設為隔水邊界。

圖2 擬建危險廢棄物填埋場場地布局示意圖Fig.2 Layout sketch of the study site

2.4 模型概化

（1）水平剖分。平面上，對模擬區進行矩形單元網格剖分，剖分網格數為100×100，尺寸為25m×25m；對廠區安全填埋區、污水處理池和暫存庫內的網格進行加密，尺寸為12.5m×12.5m。

（2）地層含水性。場區內主要的地層為：地表的砂質黏土層、礫質黏性土含水層、強風化和中風化花崗巖弱含水層、微風化花崗巖相對隔水層。其中，地表的砂質黏土層，厚度為2～5m，在場地局部分布，主要覆于溝谷、洼地表層，除NZ山水庫、HF水庫及其附近溝谷范圍內的地下水位處于該地層外，其余地區都處于下伏的礫質黏性土和強、中風化花崗巖弱含水層；礫質黏性土為主要含水層，厚度在3～15m，廣泛分布于區內；強、中風化的花崗巖為弱含水層，厚度在8～54m，分布于第四系地層以下；微風化花崗巖分布于整個場地，處于中風化花崗巖以下，為相對隔水層。

（3）垂向剖分。垂向上依據場區建設特點以及研究區內含水層特征劃分為三層：第一層為針對廠區不同功能區進行防滲：填埋區按照工藝設計采取雙層防滲，厚度約1m，滲透系數低于8.64×10－8cm/s；雨水收集和事故排放池、滲濾液調節池以及廠區其他用地的滲透系數小于1.0×10－6cm/s；溝谷平緩地帶分布的砂質黏土層，滲透系數為6.17×10－6～16×10－6cm/s；山坡體分布的礫質黏性土，滲透系數為4.63×10－4～16×10－4cm/s。第二層整體刻畫為礫質黏土層，滲透系數為4.63×10－4～16×10－4cm/s。第三層為強和中風化花崗巖裂隙含水層，滲透系數為1.85×10－4～4.63×10－4cm/s。底板設為隔水層。

2.5 地下水流場

根據區域水動力參數，建立的研究區天然條件下地下水二維穩定流流場見圖3。場地內地下水徑流受到地形的控制，場區東側靠近山區地帶的地下水徑流較快，西南側沖洪積地帶地下水徑流較緩，東南側山谷低洼處向BS水庫匯集地帶地下水徑流較快，說明該模型的建立能夠正確地反映真實情況下地下水流場的特點。

圖3 地下水徑流矢量圖Fig.3 Vector diagram of groundwater flow流向矢量配色方案：紅色表示向外，藍色表示向內，綠色表示與平面平行。

2.6 地下水污染模擬

根據該危險廢物處置中心《地下水環境影響評價專題報告》中對填埋區污染組分的等標污染負荷值的計算（見表1）可知，造成該填埋區主要污染風險的組分為COD、氨氮、Ni、F和As。其中，COD和氨氮為常規污染指標，在一般的垃圾填埋場中這類污染很常見；而Ni為重金屬污染物，危害較大，其等標污染負荷值為3.552×105，是除COD和氨氮之外的最高污染指標，為該場地主要的污染風險，且由于Ni在地下水中的運移不考慮吸附項和反應項，對于污染物的運移具有普遍的指示意義，因此本文選擇Ni為特征指標對該填埋場地地下水污染進行數值模擬。

表1 填埋區污染組分等標污染負荷值Table 1 Pollution load values of the pollutants in the landfill

根據填埋場地監測數據顯示，區域內地下水中Ni的本底值在0.001 6～0.002 3mg/L之間，滲濾液中Ni的最大濃度為2.612mg/L，將此濃度作為初始濃度賦值并假設污染物等濃度連續入滲。《地下水質量標準》（GB/T 14848—93）中Ⅲ類標準對Ni的限定值為0.05mg/L，因此將0.05mg/L作為研究區污染羽邊界值。

對研究區降雨入滲系數進行分區，山坡體的降雨入滲系數依據坡度大小取值范圍在0.05～0.11之間，陡峭處取最小值；平緩的凹谷地帶降雨入滲系數取值范圍在0.25～0.28之間。據此，對降入入滲補給量進行分區，由于多年平均降雨量為1 489.8mm，因此降雨入滲補給量分別為：山坡體為74.49～163.878mm/a；凹谷平緩地帶為372.45～417.144 mm/a。此外，根據研究區內水文地質勘察報告，廠區西南側HF水庫、南邊NZ山水庫以及東南側的BS水庫水頭取值分別為140m、160m和80m。

根據野外彌散試驗，縱向彌散度為18.2m。本次模擬中按照線性等溫吸附處理，黏土的干密度取1 500kg/m3，各層均采用默認的分配系數Kd＝1×10－7L/mg。

假設填埋場防滲失效，污染物運移擴散模擬結果顯示：在發生滲漏故障的第1d，污染物已經有所擴散，但仍然控制在一期填埋區防護坡范圍內，擴散距離約為10m；在事故滲漏的第30d，污染羽已擴散出填埋場區范圍，超越截污壩，擴散距離約為60m；在第60d，污染羽擴散至場區滲濾液調節池附近，擴散距離達100m；在第365d，污染羽已擴散至擬建工程外，至地下水水流下游約200m處；在第730d，污染羽已接近BS水庫，距其大約只有150m左右；第1 000d，污染羽已到達BS水庫。

3 研究區地下水污染的修復

3.1 井群布設方案

假設在滲濾液滲漏365d時發現了填埋場防滲結構已失效，修復目標為使污染羽收縮到最小，限定修復時間為1a，并要求在修復效果最好的前提下優化抽（注）水井的數量和抽水量，降低修復成本，經濟高效地防控地下水污染。

根據事故滲漏第365d的污染分布狀況，該場地范圍內有zk12、zk16和zk203個勘察鉆孔以及1個民井mj1位于污染羽范圍內，因此可將這4口井改造成污染修復井（抽水井）。此外，根據污染物運移狀況，在污染羽擴散的中軸線上布設3個備選的補充抽水井bc1、bc2和bc3，并在污染羽的下游污染擴散中軸線以及兩側布設備選注水井zs1、zs2和zs3，其井位分布如圖4所示。

3.2 水力截獲系統的優化選擇

現有的4口抽水井為最少井數，在此基礎上逐漸增加抽、注水井數量，分別模擬不同抽水量條件下的污染羽收縮狀況，并進行交叉比較。在保證污染羽充分收縮的前提下，選用最少的井數與最少抽注水量則為最優方案。

3.2.1 4井抽水系統

圖4 備選井井位布置圖Fig.4 Sketch map of the alternative well sites

zk12、zk16、zk20和 mj1都是現有鉆孔和民井，井位位于擴散污染羽的中間地帶，將它們改造成抽水井，模擬這4口抽水井在單井日抽水量分別為100 m3、300m3和500m3的狀況下，到一年修復期滿時污染羽的分布情況，其模擬結果見圖5。

圖5 4井抽水系統不同抽水量的修復效果Fig.5 Remediation effects of four－pumping－well system at different pumpages

由圖5可以看出：在單井抽水量由100m3/d提高到500m3/d的情況下，污染羽的范圍逐漸縮小，修復效果越來越好。經過試算，當單井抽水量達到750m3/d之后再增加時，mj1井處已出現疏干情況，此井失去了修復作用，而且污染羽的范圍也比抽水量為500m3/d時的大。因此，在4井抽水系統狀況下，單井抽水量為500m3/d時的修復效果最好。

3.2.2 5井抽水系統

圖6 不同5井抽水系統的修復效果Fig.6 Remediation effects of five－pumping－well systems by adding a different pumping well

在備選的3個補充抽水井bc1、bc2和bc3中，分別選擇1個井與現有4個井組成5井抽水系統，根據上述4井抽水系統中單井抽水量為500m3/d，井群日抽水總量為2 000m3，在5井抽水系統中設定單井抽水量為400m3/d，并在橫向比較不同5井抽水系統修復效果的同時，與相同總抽水量的4井抽水系統進行了對比，其模擬結果見圖6。

由圖6可以看出：在選擇補充bc2井組成的5井抽水系統中［見圖6（b）］，修復效果相對于其他兩個5井抽水系統［見圖6（a）、（c）］更優；經過大量模擬試算，單井抽水量為360m3/d就可以保證污染羽范圍控制在bc2井點位以內；此外，綜合一次性的建井投入、資源消耗以及污水抽出之后的處理費用和修復效果，此方案比四井抽水系統更優。

3.2.3 6井抽水系統和7井抽水系統

6井抽水系統與5井抽水系統對比，在保持最佳5井抽水系統相同的井群總抽水量的條件下，6井抽水系統模擬選用單井抽水量為300m3/d。通過對不同6井抽水系統修復效果進行對比，增加bc1和bc2井的6井抽水系統的修復效果相對最優。增加bc1和bc2井的6井抽水系統中，當單井抽水量為290m3/d時就可達到單井抽水量300m3/d時相似的修復效果；相比五井抽水系統，抽水量只減少了70m3/d，但多建了一口井，而且多建的bc1井位于污染傳播的核心地帶，此位置抽出的污水污染濃度高，勢必會增加廢水處理的費用。

7井抽水系統與5井抽水系統對比，經過試算，在單井抽水量達300m3/d時，7井抽水系統的修復效果與5井抽水系統最佳修復效果相似，都能將污染羽控制在bc2井點位以內，但是此方案單日總抽水量已經達到2 100m3，與5井抽水量相比，不僅增加了總抽水量，而且還增加了抽水井，因此該方案欠佳。

3.2.4 抽水加注水系統

抽、注井并用系統中，主要分為增加1個注水井和增加3個注水井兩種，且總抽水量與總注水量相同。對于一注多抽系統之間的比較，在保持單井抽水量相同的條件下，主要比較達到同樣修復效果時所需要的抽水量，抽水量節約的越多則方案越優；對于1個注水井與3個注水井之間的比較，在一個注水井最佳單井抽水量的基礎上依次減少抽水量，比較修復的效果，并綜合節約的水量與建井的費用，選擇最優化的方案。

首先，試算現有的4井抽水系統加上污染羽下游中軸線方向上設置的備選注水井zs1，比較不同抽注水量下四抽一注系統的修復效果，其模擬結果見圖7。由圖7可以看出：在四抽一注的抽注水系統中，單井抽水量為900m3/d（注水量為3 600m3/d）是該系統的最佳修復方案，且在單井抽水量由500 m3/d增加到900m3/d的過程中，沒有出現在上文中單純使用4井抽水系統時出現的含水層疏干的情況，原因是zs1的注水對區域地下水的補充使得抽水系統正常運行，而繼續增加抽水量則會出現疏干現象。

然后，在四抽一注系統的基礎上，若增加zs1井兩側的備用注水井zs2和zs3，控制污染羽向兩側的逸散，并將抽水井單井抽水量逐漸下調，試算四抽三注系統的修復效果，其模擬結果見圖8。由圖8可以看出：在增加了兩側的注水井之后，并減小抽水量，到單井抽水量為880m3/d甚至890m3/d時的修復效果才能達到四抽一注系統的最佳修復效果，這樣對抽水量的節約十分有限，而且又增加了兩口新建井，并增加了建設費用，因此與四抽三注系統相比，四抽一注系統更優。

圖7 不同抽注水量下四抽一注系統的修復效果Fig.7 Remediation effects of four－pumping－one－injection well system at different pumpages

圖8 不同單井抽水量情況下四抽三注系統的修復效果Fig.8 Remediation effects of four－pumping－three－injection well system at different pumpages

此外，其他抽注水系統的模擬計算結果顯示：

（1）用最佳5井抽水系統增加zs1組成五抽一注系統，其在單井抽水量為600m3/d時就能到達4井抽水系統的修復效果，節約的水量基數較大，綜合而言更為優化；五抽三注系統與五抽一注系統相比，控制污染羽的收縮非常有限，污染羽的分布狀況幾乎一致，因此沒有必要再增加兩個側向注水井。

（2）在最佳6井抽水系統中增加zs1組成六抽一注系統，其在單井抽水量為350m3/d時的修復效果已與五抽一注系統最佳修復效果無異，而且在此情況下，總抽水量控制在2 100m3/d，比五抽一注系統的總抽水量又有顯著降低；而對比六井三注系統，多增加了兩個注水井非但沒有優勢，還帶來了意外的污染羽逃逸，因此增加兩側注水井沒有必要且有弊端。

（3）將7井抽水加注水系統的總抽水量設定為六抽一注系統的最佳總抽水量2 100m3/d，即單井抽水量為300m3/d，其修復效果并沒有六抽一注系統好，因此沒有必要再增加一口抽水井。

對比兩種不同的井群系統，最佳抽、注水方案為六抽一注，多了bc1和zs1兩口井，雖然會增加一次性建井費用和一定的運行費用，但單純的5井抽水系統只能將污染羽限制在bc2井點位以內，而六抽一注系統可將污染羽收縮至mj1井點位以內，其污染修復的效果有明顯優勢，可滿足預期的修復要求；此外，注水井的設置，可將抽水井抽出的受污染地下水經過處理之后回灌到含水層中，不僅解決了污水處理之后的出路問題，還可以均衡區域地下水資源，防止水資源浪費，同時又可以避免含水層水位降深過大甚至局部疏干帶來的一些負面效應。綜合比較，六抽一注系統比單純的5井抽水系統方案更優。

4 結 論

通過對某擬建危險廢物填埋場主要污染物Ni建立其在地下水中的運移擴散模型，并對采取的水力截獲修復技術最優方案進行研究，可以得出以下結論：

（1）污染物Ni在發生滲漏故障第1d即開始擴散；第30d開始超越截污壩，對地下水開始產生影響；第365d污染羽已擴散至擬建工程外，至地下水水流下游約200m處；第730d污染羽已接近BS水庫，距其大約只有150m左右，嚴重影響周邊居民用水；第1 000d，污染羽已到達BS水庫。

（2）采用水力截獲技術對污染羽進行控制，對比不同的井群布設系統，采用現有井zk12、zk16、zk20、mj1與備選的抽水井bc1、bc2和備選的注水井zs1聯合組成的六抽一注系統是地下水污染修復的最優化方案，能夠達到預期的修復目的。

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