垃圾填埋壩滲濾液遷移數值模擬研究

張 燕，張卉芬，張云峰

(1.淮安市淮陰區竹絡壩灌區水利管理所，江蘇 淮安 223300；2.淮安市淮陰區水利局，江蘇 淮安 223300)

隨著我國經濟建設的發展，越來越多的人口遷移到大中城市，導致城市固廢垃圾日益增多。對于城市固廢，大多數都以填埋的方式處理，但是在微生物的作用下垃圾會發生復雜的生化反應，產生大量含有高濃度污染物的滲濾液和以甲烷和二氧化碳為主要成分的填埋氣，對周邊環境造成巨大污染隱患[1- 2]。滲濾液中的污染物種類繁多，其中的重金屬和其他含重金屬離子材料沒有充分地被回收利用，對周圍地表水以及地下水均會造成嚴重污染。據美國環保局對本國超過60000個城市生活垃圾填埋場的調查顯示，約有40%的填埋場對周邊的地下水和土體產生威脅[3- 4]。

國內外專家學者對重金屬離子對地下水的污染進行了大量的研究。劉兆鵬[5]對降雨作用下磷酸鹽固化穩定化重金屬污染土土柱的滲流及重金屬運移特性進行數值模擬研究。田金鳳[6]采用改進的差分進化算法對地下水污染物溶質運移方程進行求解并分析變動滲透系數對地下水污染物溶質運移不確定性影響。張寧[7]收集丹東市不同監測站點的水質指標資料，篩選5個公共指標，實現對遼寧省丹東市城區淺層地下水污染源的識別和管理。秦鵬飛[8]借鑒灰色聚類法和DRASTIC模型對垃圾場所在地的地下水受到污染的風險進行分析評估。龔慧[9]研究了不同硝酸鹽濃度對地下水管網系統腐蝕速率和對水中葉片生物量及葉片酶活性的影響。王浩銘[10]、胡超[11]、詹良通[12]等也對地下水污染物溶質運移做了一些研究。

本文以東南沿海地區某一垃圾填埋場為工程背景，利用巖土工程軟件GeoStudio中的seep/w和ctran/w模塊對填埋場里滲濾液的滲流特性以及重金屬污染物的遷移規律進行數值模擬分析，為類似工程提供參考。

1 數值模擬

1.1 飽和-非飽和滲流原理

填埋場內的滲濾液隨著時間的推移逐漸堆積，在水頭差的作用下，滲濾液在土體中的移動滿足達西定律，二維的飽和-非飽和的滲流控制方程如下[13]：

(1)

式中，kx，ky—土體在水平方向和豎直方向的滲透系數；Q—施加的邊界流量；ρw—水的密度；mw—比水容重；t—時間。

1.2 污染物遷移原理

不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發、生物化學反應，污染物遷移的微分控制方程和邊界條件為[14]：

(2)

式中，θ—介質體積含水率；C—溶質濃度；t—時間；Dij，Dii—不同方向的水動力彌散系數分量；qi—達西速度第i個分量；c0(x，z)—(x，z)點處的初始濃度；c(x，z)—邊界上點(x，z)的已知濃度；Γ1—濃度邊界；Γ2—逸出面邊界。

1.3 計算模型與邊界條件

本次計算模型以東南沿海地區某一垃圾填埋場為工程背景。該填埋場修建于1990年，填埋場被垃圾壩包圍，垃圾壩坡體高度約10m，上下游坡度均為1∶2。由于修建時間久遠，下游壩坡有滑坡風險，因此對下游壩坡進行過加固。壩體上游設有土工膜，并在壩體中心設置防滲墻，組成壩體的防滲系統。壩體上游為垃圾填埋區，由于降雨以及生活垃圾中的滲濾液不斷堆積，經勘測可知，區內水位大約為2.5m，其中含有Pb2+、Zn2+、Cd2+等重金屬離子。垃圾壩的橫剖面如圖1所示，網格剖分圖如圖2所示，共剖分2427個單元，2558個節點。

圖1 垃圾壩橫剖面圖

圖2 模型網格剖分圖

邊界條件：AB、BC和CD為不透水邊界；EF為潛在滲流邊界，地面高程為0m，滲濾液水位保持不變，為2.5m。

1.4 材料參數

根據《某填埋場垃圾壩可行性研究報告》中的設計參數確定壩體、壩基、排水棱體、防滲墻等材料的水文地質參數，根據《某填埋場垃圾壩水文地質勘察報告》中室內試驗、抽水試驗和彌散實驗的實測數據，確定中風化層、強風化層的水文地質參數，模型中介質的水文地質參數見表1。本文采用Fredlund-Xing模型，根據飽和滲透系數和土水特征曲線對滲透系數函數進行預測，各土層的土水特征曲線以及滲透系數函數曲線如圖3、圖4所示。本文重點關注Pb2+重金屬離子的遷移規律，Pb2+的初始濃度為203.5g/m3。

表1 各土體介質水文地質參數

圖3 體積含水量函數曲線

圖4 滲透系數函數曲線

采用GeoStudio軟件進行土壤中重金屬運移模擬時，首先需要使用seep/w滲流分析模塊中的穩態分析來計算土體中水的滲流速度、土體體積含水率等，然后采用ctran/w模塊模擬重金屬的運移。

2 計算結果分析

2.1 孔隙水壓力分析

當垃圾壩上游滲濾液的水位為2.5m時，在水頭差作用下，滲濾液將會在垃圾壩中發生滲流，滲流穩定后垃圾壩區的滲流場如圖5所示。由圖5可知，由于上游面鋪設了土工膜，所以滲濾液的滲流路徑變長，在土工膜和防滲墻與土層接觸部位的水頭坡降都比較大，流動矢量箭頭較其他箭頭大，滲濾液最終在排水棱體處滲出。由此可以看出，當壩體的防滲措施布置得當時，壩體的滲漏量控制在合理范圍之內。

圖5 穩定滲流下壩體滲流壓力分布圖

2.2 重金屬離子Pb2+的遷移規律分析

本節研究了鋪設土工膜和不鋪設土工膜兩種工況下Pb2+在壩區的遷移規律。本次污染物遷移模擬時間設為10年，圖6為第1、第3、第7和第10年時，Pb2+濃度的分布區域圖。由圖6可知，當壩體上游鋪設了土工膜后，大部分的Pb2+都被限制在填埋場內，由于Pb2+無法或者需要大量時間才能穿過土工膜，所以Pb2+從距離上游壩腳較遠處穿過土層，順著滲流水遷移。相比較而言，在理想情況下，隨著時間的推移，Pb2+的遷移區域并沒有發生太大的變化，第1年與第10年的遷移區域都只局限在上游處，遷移深度越深，該處的離子濃度越低。遷移區域深度都沒有超過強風化層的厚度，說明Pb2+對地下水的影響不大。

圖6 鋪設土工膜工況下Pb2+的遷移分布圖

圖7為未鋪設土工膜時第1、第3、第7和第10年時，Pb2+濃度的遷移區域圖。由圖7可知，在未鋪設土工膜的工況下，1年后填埋區內的Pb2+開始往壩體下游方向擴散遷移，與滲濾液接觸的土層均存在Pb2+，但是遷移深度并不大。由第3、第7和第10年時的重金屬遷移分布可知，在保持滲濾液水頭不變的情況下，Pb2+不斷向土層深層擴散，但是遷移深度都不大，不大于中風化層的厚度。由此可知，雖然壩體上游面并未鋪設土工膜，但是重金屬離子的擴散范圍小，并未對地下水造成重大污染。經分析，這是因為壩體的壓實度高，各土層的滲透系數都在10-7～10-6之間，重金屬離子未能迅速擴散。

圖7 未鋪設土工膜工況下Pb2+的遷移分布圖

3 結論

(1)在上游滲濾液水頭保持不變的情況下，當滲流場穩定時，滲濾液從上游向下游流動，滲流場分布符合一般規律。滲流路徑受到防滲設施的阻擋，在土工膜和防滲墻的接觸部位發生較大的水頭損失，滲濾液最終會在下游排水棱體處排出。

(2)當上游鋪設土工膜后，重金屬離子的遷移擴散區較未鋪設土工膜下大，但是也局限在一定范圍內，重金屬離子的遷移受到一定的約束。

(3)鋪設土工膜并保證土工膜完整性對于防止滲濾液滲漏具有重要意義。

由于本文未考慮多種重金屬離子共同作用對地下水污染影響，還需進一步研究。