基于GMS的某垃圾填埋場地下水環境影響預測研究

金 志

(安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究區概況

1.1 垃圾場基本情況

馬鞍山市向山生活垃圾填埋場位于向山鎮東約6 km處的原向山硫鐵礦的尾礦庫內，1984年設計，1985年啟用，采用簡易填埋法處理全市垃圾，項目總占地面積約19.8萬 m2，實際處理能力600 t/d，總庫容462.5萬 m3。該生活垃圾處理場南面為馬鋼南山鐵礦排土場，平均標高為100 m，東北和東南被山環繞，平均標高約70 m，屬于丘陵山谷型垃圾場。

2004年，由于庫容飽和及填埋工藝達不到衛生填埋技術標準，馬鞍山市環境衛生管理處對填埋場進行了擴建及達標整治。經有關部門踏勘及場址對比確定，繼續征用尾礦庫建其余庫區，做生活垃圾處理場使用，新征用場地按照建設部頒布的《城市生活垃圾衛生填埋技術規范》(CJJ17-2001)設計，使其達到衛生填埋的技術要求。擴建填埋場并新建防滲措施、滲濾液導排、填埋氣收集及滲濾液處理站等。對于新庫區，填埋場庫區底部水平防滲，防滲層之上鋪設有導流層和反濾層，通過滲濾液收集盲溝，最終匯集到滲濾液調節池進行處理，總投資7 903.33萬元。原有的垃圾填埋場，因沒有設置廠區周邊截排洪溝，填埋區地層防滲，垃圾污水處理等措施，對其封場，且設置垂直防滲。

1.2 地質環境背景條件

向山垃圾填埋場地貌單元屬于沿江丘陵平原區，地形略有起伏，地勢總體特征為南北部高，西部低，區域分布標高9.8～165.0 m；垃圾填埋場南靠馬鋼南山鐵礦排土場，西邊是原尾礦壩，三面環丘，一面靠壩，場內地面高程為65.0～105 m左右，微地貌類型為崗坡地和低丘。場區地層主要為第四系素填土、殘坡積土，基底為白堊系下統大王山組(K1d)火山角礫、火山集塊巖和火山熔巖。

1.3 水文地質條件

1.3.1 地下水類型

場區周邊地下水劃分為松散巖類孔隙水和巖漿巖類孔隙裂隙水。

1)松散巖類孔隙水

該含水巖組主要分布在現代河流沿岸及山區谷地平原中，巖性由第四系全新統蕪湖組(Qhwf)地層組成，巖性黃褐色、灰褐色粉質粘土、細、粉砂等，具鐵銹斑點及鐵錳結核，膠結松散，含孔隙潛水，水位埋深1～3 m，單井涌水量10～100 m3/d。地下水化學類型多為HCO3·Cl-Na·Ca型，溶解性總固體0.5～1.0 g/L。

2)巖漿巖類孔隙裂隙水

地下水賦存在凝灰巖、安山巖、粗面巖等火山熔巖及火山碎屑巖巖體中，含水介質為構造裂隙及巖體接觸帶裂隙。由于區內火山巖在空間、時間上的成因聯系，其含水介質、水動力特征及水化學成分等環境水文地質條件相似，故形成了統一的火山巖孔隙裂隙水含水巖組水文地質單元，后期，由于受構造作用或風化蝕變影響程度的不同，其內部的富水性、滲透性差異顯著，如構造破碎帶附近、巖體與火山巖、礦體與圍巖接觸帶處，裂隙發育，連通性強，并在巖石具碳酸鹽化處發育有開啟度較大的通暢裂隙，形成相對富水區，單孔涌水量約50～100 m3/d左右；但在泥化、強高嶺土化凝灰巖類分布區，因導水裂隙不發育，則形成局部的隔水體，如本建設工程項目所在場區出露的白堊系下統大王組(K1d)凝灰巖類，區域呈南北向延伸分布，與山體走向一致，則是該含水巖組在其東側的相對隔水邊界，單井涌水量小于10 m3/d。地下水類型主要為HCO3-Ca·Mg型，在硫化礦床附近為HCO3·SO4-Ca·Mg型，溶解性總固體約1.0 g/L左右，pH=7.1左右。

1.3.2 地下水補徑排條件

松散巖類孔隙水主要補給來源為大氣降水入滲，次為巖漿巖類孔隙裂隙水的越流補給；地下水總體按省界附近的山體為界，西側流向自東而西，東側自西向東，與地表徑流方向基本一致，但地下水徑流速度滯緩；地下水排泄方式以地面蒸發為主，次向地表水體排泄。

巖漿巖類孔隙裂隙水裸露區補給來源主要是大氣降水垂直入滲。大氣降水通過基巖露頭區的構造裂隙垂直入滲，隨地形坡降向構造破碎帶、巖體接觸帶附近裂隙發育處運移、匯聚，形成似帶狀或脈狀含水層或富水區。

2 垃圾填埋場對地下水環境的影響

本次在填埋場滲濾液池內采取1組滲濾液水樣進行監測(見表2)，主要監測pH、色度、BOD5、CODcr、總氮、氨氮、總磷、總汞、總鎘、六價鉻、總砷、總鉛、大腸桿菌群，參照《生活垃圾填埋場污染控制標準(GB16889-2008)》標準，填埋場滲濾液中，BOD5超標51.46倍、CODcr超標6.57倍、總氮超標1.67倍、氨氮超標1.88倍、總磷超標38.46倍、總汞超標5.26倍、總鎘超標2.31倍、六價鉻超標8.38倍、大腸桿菌群超標533.33倍，滲濾液是一種成分復雜的高濃度有機廢水，如果滲濾液處理站運營出現問題或處理過程中出現了泄漏現象，極有可能污染下游的地下水環境。

表1 向山生活垃圾填埋場滲濾液監測結果

項目對垃圾填埋場周邊地下水進行了監測，其中在填埋場周邊采取了8組地下水進行水質監測，分豐枯兩期，監測pH、渾濁度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、碳酸根、重碳酸根、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、揮發酚、總硬度、高錳酸鹽指數、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氟化物、氰化物、砷、汞、六價鉻、鉛、鎘、鐵、錳、總大腸桿群。

根據本次地下水水質監測結果，場區地下水枯水期超標項目包括溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度、高錳酸鹽指數、氨氮、硝酸鹽氮、氟化物、六價鉻、鉛、鎘、鐵、錳和總大腸桿菌群，超標井數最多的和倍數最高的監測項目為硫酸鹽、鐵、錳和總大腸桿菌群，鐵、錳超標率高達100%，總大腸桿菌群超標率為87.5%，硫酸鹽超標率為75%，其中硫酸鹽的超標倍數1.02～15.05倍，鐵的超標倍數4.16～24.78倍，錳超標倍數6.30～51.75倍，總大腸桿菌群超標倍數1.33～73.33倍；場區地下水豐水期超標項目包括pH、溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度、高錳酸鹽指數、氨氮、氯化物、氟化物、鉛、鎘、鐵、錳和總大腸桿菌群，超標井數最多的和倍數最高的監測項目為硫酸鹽、鐵、錳和總大腸桿菌群，鐵和錳超標率為88%，硫酸鹽超標率100%。其中硫酸鹽的超標倍數1.61～11.13倍，氨氮超標的倍數1.44～73.32倍，鉛超標1.18～7.84倍，鐵的超標倍數6.94～204.3倍，錳超標倍數5.59～2 006倍，鐵和錳超標率為100%，總大腸桿菌群超標倍數2.33～266倍。整體來看，場區周邊地下水水質一般，多項指標出現超標，其中鐵、錳離子超標與區域背景值超標有關，其它超標項考慮與人為活動有關，超標項目較多的主要為1號、2號、4號、5號、7號、15號井，其中2號井位于滲濾液處理站的東側，距離處理車間很近，超標最嚴重的15號井距離填埋場西北側的污水處理廠很近，一墻之隔，以上兩個監測井都距離污染源很近，而且向山垃圾填埋場建設在南山鐵礦排土場的北面，原向山硫鐵礦尾礦庫的東面，由于排土場廢石和尾礦庫中硫化物風化產生的酸性排水，堆積物中含有硫化物的巖體發生溶濾作用，從而使得溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度等指標相對增高，造成地下水水質污染。

3 地下水流數值模擬和污染物溶質運移數值模擬

3.1 水文地質概念模型

3.1.1 評價區概況

評價區地下水類型主要為巖漿巖類孔隙裂隙水，地表覆蓋較薄的第四系黏土層(<6.6 m)，含水層巖性主要為全-強風化安山質凝灰巖，為本次評價的目的含水層。向山垃圾填埋場位置如圖1所示，主要污染源位于老庫區及滲濾液處理站位置，模型范圍依據地形等高線確定，并包括南山礦業的礦坑的范圍來進一步說明該礦坑對區域地下水流場的影響。

圖1 向山垃圾填埋場位置與模型范圍

3.1.2 三維地質模型

圖2 詳細模擬區三維地質模型

3.1.3 邊界條件概化

根據收集得到的地形以及水文地質資料，結合區域地下水流向與觀測井水位，將研究區南北概化為給定水頭邊界，東北部概化為隔水邊界。此外，南山礦坑以MODFLOW-2005內置的Lake子程序包處理，通過輸入礦坑底部高程與垂向降雨、蒸發交換量，以及底部巖層的滲透系數來表征與地下水系統的水力聯系。對于基巖裂隙水含水層，采用等效多孔介質方法模擬地下水系統。

3.2 建模過程

3.2.1 前期數據處理

本次建模首先基于前期收集的場地資料，在ArcGIS軟件中對地層數據、地表高程、河流等信息進行數據化處理，為構建水文地質概念模型提供條件。

3.2.2 構建三維地質模型

在GMS軟件中利用相應模塊處理的研究區鉆孔數據構建三維地質模型，合理概化主要含水層的空間分布特征。

3.2.3 網格剖分

模型的空間離散通過矩形網格對評價區進行剖分，在污染源區位置進行網格的局部加密，最小網格間距為5 m，最大網格間距達20 m，垂向上分為三層。網格剖分如圖3所示。

圖3 模型區網格剖分單元

3.2.4 源匯項設定

評價區地下水主要補給來源為大氣降水入滲補給，年均降雨量為1 060 mm/a。根據現場調查結果與結合經驗參數，評價區主要為裂隙基巖地下水，垂向水力聯系較弱。因此，結合年均降雨蒸發資料，初步確定評價區入滲補給系數為0.000 1 m/d，該參數綜合表征了含水系統垂向水量交換。

3.2.5 初始流場

本次模型的初始流場根據現場水井實測水位，結合地質參數分區進行穩定流模擬，反復調參后得到流場基本符合該場地大部分鉆孔水位后，將該流場作為模型的初始流場。

3.2.6 水文地質參數確定

根據《馬鞍山市生活垃圾焚燒發電項目環境影響評價項目水、地質調查報告》資料，參照相同巖性地區各參數經驗值，初步確定全中風化凝灰巖含水層滲透系數為0.5 m/d，孔隙度為0.1，縱向彌散度為25 m，橫向彌散度為2.5 m。由于評價區全覆蓋風化的凝灰巖層，參數在全區取相同數值。包氣帶巖性主要為黏土、粉質黏土與素填圖，其滲透系數在2.4×10-5～5.5×10-5cm/s之間。本次模擬通過與實地調查的地下水水位對比，識別主要水文地質參數，擬合獲取參數的空間分布。

3.3 模型識別與驗證

本次選取研究區14個觀測孔的水位作為實測值，同時輸出模型模擬的水位，通過調參不斷提升兩者的擬合精度。模型區枯水期和豐水期的地下水流場如圖4，如圖中所示，枯水期14個觀測孔水位計算值與實測值誤差小于2 m，豐水期13個觀測孔水位計算值與實測值誤差小于2 m，表明該模型可以較準確地反映區域地下水流系統，其地下水流方向基本上由東南向西北。

圖4 模型區地下水流場及校正結果

3.4 地下水環境影響評價

選用GMS界面下的MT3DMS軟件進行三維溶質運移模擬，本著風險最大化原則，在模擬污染物運移擴散時不考慮吸附作用、溶解、化學反應等因素，重點考慮對流、彌散、源匯項作用。污染指標均采用污染源超標嚴重的典型污染物，進一步分析填埋場可能對地下水環境造成的影響。本次地下水環境影響預測主要考慮兩種工況：正常狀況和非正常狀況下的地下水環境影響。

3.4.1 模擬因子選擇

根據各污染源特點，本次預測選取COD作為模擬因子，模擬并評價各污染物在地下水中的遷移距離及范圍，分析該填埋場項目可能對地下水環境造成的影響程度。根據實地采樣后分析的滲濾液各組分濃度，預測因子的初始濃度確定為657.08 mg/L。

3.4.2 預測方案

1)正常狀況

擬建工程填埋場潛在污染源均按要求進行防滲，場區內垃圾滲濾液和污水處理站廢水經過處理后需全部回收利用。因此，在正常狀況下，各種污染物不易進入地下水系統，對地下水環境的影響較小。本次防滲措施標準設置垂向滲透系數為1×10-6m/d。

2)非正常狀況

根據建設項目的規劃，滲濾液處理站或污水處理站在生產過程中出現建筑物破損、防滲措施失效、廢水出現泄漏，均可能造成地下水的污染。一般有兩種污染形式，其一為長期滲漏，污染類型為長期的連續入滲污染，排放規律為連續恒定排放，其二為間斷性入滲污染和溢出，排放規律為非連續恒定排放。根據各污廢水的污染物，選取有代表性的污染物作為特征因子進行預測。

將場區內潛在污染源概化為為面狀污染源，考慮到非正常狀況下，廠區內水池多為半埋式，泄露點位于地下，污染物泄漏不易發現，污染擴散至周邊監測井有一定的距離，具有一定隱蔽性，一時難以發現，可將其看作長期的滲漏，，將污染源設定為長期滲漏，連續恒定排放，考慮到防滲措施不會大面積破壞，污染物滲漏點的入滲系數較小，取0.000 1 m/d，特征污染源指示劑為COD。

本次地下水預測按照最不利的情況，非正常狀況下，假定泄漏面積為地下調節池基底面積的5%，調節池滲濾液持續泄漏滲入地下水中。調節池防滲面積為6 920 m2，平面尺寸為40 m×173 m。假設最長模擬期為30 a，分別取預測時長為5 a，10 a，20 a，30 a后的污染羽分布情況。

(a)5年 (b)10年 (c)20年 (d)30年

3.5 預測結果

3.5.1 正常狀況

正常狀況下，污染源的污染物泄漏后，其特征污染指標COD遷移5 a、10 a、20 a和30 a后污染羽分布，見圖5，其最小濃度為檢出限。

從圖5中可以看出，在模擬期范圍內COD的污染羽范圍均滿足地下水質量標準III類水，即COD污染羽中心最大濃度為1.23 mg/L，小于3.0 mg/L。

3.5.2 非正常狀況

非正常狀況下，污染源污染物泄漏后，其特征污染指標COD遷移5 a、10 a、20 a和30 a后污染羽分布，見圖6。

非正常狀況下，污染物進入地下水，污染物沿污染中心向四周濃度逐漸減小，濃度梯度較大；污染物在含水層中會沿地下水流方向呈近似橢圓形狀運移，污染物在5 a、10 a、20 a與30 a后，運移距離與遷移范圍逐年增加，評價區內COD最大超標范圍達125 423.1 m2，最大運移距離達640.3 m；表明事故條件下，污染物的泄露對地下水環境造成了不利的影響。

(a)5年 (b)10年 (c)20年 (d)30年

4 結語

(1)運用GMS 軟件建立向山生活垃圾填埋場地下水三維數值模型，經過模型的識別和驗證，模型模擬效果較好。預測結果表明: 在設定的正常狀況下，即防滲措施達到一定級別后，污染物滲漏量較小，污染物在地下水系統中的濃度均滿足地下水質量標準III類，即對地下水環境影響十分有限；非正常狀況下，污染物進入地下水，含水層中污染物濃度逐漸升高，劣質水面積增大，污染范圍不斷擴大，將對場地地下水水質產生污染。

(2)建議在項目的建設與營運過程中，在垃圾填埋場周圍共需設置5座監測井，本底井1座、污染擴散井2座、污染監視井2座，定期監控水質的變化情況并采取相應的控制措施，使處理后的廢水達到排放標準，并建立風險事故應急響應。