生活垃圾填埋場對地下水的影響研究

劉 濤，張 珂

（河南省地礦局第一地質環境調查院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著人們對環境問題重視程度的提高， 偏遠地區及農村生活垃圾治理將成為一項重要的工作。 在交通不便或距離大型生活垃圾集中處理點較遠的地區，為了有效改善生活垃圾處理問題，建設小型集中式生活垃圾填埋場就成為一個有效而可行的方法。 但生活垃圾填埋場對環境的影響也必須得到足夠的重視。 從可能的污染范圍及治理難度來看， 生活垃圾填埋場對地下水的影響最為重要。 筆者以青海省某生活垃圾填埋場為例，利用解析法對非正常狀況條件下發生的污染溶質運移進行了模擬，計算出其影響范圍，以期為類似項目的建設提供參考。

1 工程概況

青海省某生活垃圾填埋場總庫容（包括覆蓋土、封場土）約為4.4×104m3，建成后可滿足所在區域至2035 年累計垃圾產生量1.981×104t 的填埋要求，填埋年限達17 年。 2035 年垃圾場日處理能力為3.47 t／d。 填埋場區包括填埋庫區、垃圾壩、截洪溝、滲瀝液調節池；管理區包括管理間、設備間、清水池、污泥池等設施。填埋庫區位于場區東部，滲瀝液調節池位于填埋庫區的西部。

本工程運營期，主要廢水來源為滲瀝液。 填埋場產生的滲瀝液通過滲瀝液導排系統及時加以收集，并通過滲瀝液排水管迅速排至場外的滲瀝液池內。 在正常情況下，該工程不會對地下水產生較大影響。 在非正常狀況下， 滲瀝液可通過防滲層、壩體、壩基等滲入地下水系統，對地下水環境產生影響。 本項目特征因子為CODcr、BOD5、SS、NH3-N，設計滲瀝液水質參照與本工程垃圾特性、氣候等條件相近的垃圾填埋場滲瀝液水質參數，水質參數如表1 所示。

表1 滲瀝液水質參數表Tab.1 Water quality parameter of leachate

為了預測本工程對地下水的影響， 專門進行了水文地質勘查工作，主要包括地球物理勘探、水文孔鉆探、抽水試驗、滲水試驗、水質取樣及測試等，并在此基礎上確定了調查評價范圍。 根據工程所在區域地下水流向， 劃定以場區向東約500 m 作為調查區上游邊界，以場區向南、向北各1 000 m 作為側向邊界，以場區向西3 525 m 作為下游邊界，調查評價區面積約為8.05 km2。

2 地質環境條件

2.1 地形地貌及地層概況

評價區地勢總體東高西低， 地貌類型屬山間、山前沖洪積平原，海拔在3 265～3 320 m 之間。評價區內地層自上而下分別為第四系地層及新近系地層。項目場區附近無區域性斷裂、全新活動斷裂構造通過［1］。

2.2 水文地質條件

2.2.1 包氣帶特征

圖1 項目區水文地質剖面圖Fig.1 Hydrogeological section of the project area

根據巖土工程勘查及水文孔施工鉆孔編錄資料，場區包氣帶厚為43.5～46.7 m，巖性從上到下依次為耕土層、粉沙層、沙卵礫石。耕土層呈淺黃色，含大量植物根系，全場均有分布，厚度為0.8～0.9 m；粉沙層呈雜色，母巖以石英和長石為主，稍密，稍濕，平均厚度為15.17 m；沙卵礫石層厚度約30 m［2-3］。項目區水文地質剖面如圖1 所示。

在水文地質勘查過程中， 選用雙環法對場區內包氣帶的滲透性進行研究， 滲水試驗結果如表2 所示。 由表2 可知， 場區包氣帶平均垂向滲透系數為7.7×10-3cm／s。 包氣帶厚度為43.5～49.87 m。 結合天然包氣帶防滲性能分級參照表（如表3 所示），廠區防污性能為弱［4］。

表2 場區滲水試驗成果表Tab.2 Result of field seepage experiment

表3 天然包氣帶防污性能分級參照表Tab.3 Reference of anti-polluting performance classification of natural aeration zone

2.2.2 地下水含水層特征

評價區內地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水及承壓水。 第四系松散巖類孔隙潛水主要分布于評價區東部，含水層主要集中在43～56 m，含水層巖性主要為沙礫卵石，水位埋深約為43 m，單井涌水量大于5 000 m3／d。 評價區內潛水含水層平均滲透系數為7.05 m／d。 第四系松散巖類孔隙承壓水主要分布在評價區西部，含水層巖性為含礫粗沙、含礫中粗沙及中粗沙等， 第一承壓水頂板埋深50～100 m，單井涌水量小于100 m3／d， 相對隔水層為粉沙質亞沙土， 上部潛水含水層巖性主要為含礫粗沙夾細沙及亞沙土，單井涌水量大于5 000 m3／d。

2.3 地下水補給、徑流、排泄條件

評價區屬于山前沖洪積傾斜平原區， 第四系孔隙潛水主要補給來源是東側山區溝谷中地表水出山后的垂直滲漏，其次為基巖裂隙水的側向補給。因年蒸發量遠大于降雨量，加之地下水埋深大，大氣降水不能直接入滲補給地下水。 第四系孔隙潛水自東向西流向湖區，水力坡度約為1%。

2.4 地下水開發利用現狀

根據現場調查， 評價區內無集中式地下水飲用水水源地保護區、無分散式地下水開采井，評價區及周邊有牧民季節性放牧， 但牧民及牲畜飲水都以地表水為水源。

2.5 地下水環境現狀

為了全面反映評價區地下水環境質量， 結合項目選址及其周圍環境敏感點、地下水污染源、主要環境水文地質問題現狀以及對于確定邊界條件有控制意義的地點， 在水文地質勘查工作中共設計施工6個水位及水質監測點，監測點信息如表4 所示。

表4 地下水水位及水質監測點信息Tab.4 Information of groundwater level and water quality monitoring point

根據項目特點， 確定本次地下水水質監測因子為：K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、pH 值、色度、懸浮物、氨氮、總硬度、溶解性總固體、高錳酸鹽指數、硝酸鹽（以氮計）、亞硝酸鹽（以氮計）、揮發酚（以苯酚計）、氰化物、氟化物、砷、汞、鐵、錳、鉛、鎘、六價鉻、總鉻、CODcr、BOD5、總磷、總氮，共檢測32 項。

經檢測分析，評價區地下水水質滿足《地下水質量標準》（GB／T14848-2017）中的Ⅲ類水質標準要求［5］。

3 地下水環境影響預測

3.1 預測情景及因子

3.1.1 預測場景

根據地下水環境影響識別結果， 項目建設期生活污水和施工廢水產生量較小，且污染物類型簡單，在采取相應環保措施的情況下， 對周邊地下水環境影響很小。因此，本次重點評價項目運營期非正常狀況下對周邊地下水環境的影響。

在非正常狀況下， 工藝設備或地下水環境保護措施因系統老化、 腐蝕等原因不能正常運行或保護效果達不到設計要求，使防滲層功能降低，導致污染物進入含水層中，污染地下水。 本次預測評價主要選取填埋場場區及滲瀝液池作為污染源，預測范圍為整個地下水評價范圍， 預測時間段為100 d、1 000 d、3 650 d（10 a）、6 205 d（17 a）。

3.1.2 預測因子

根據評價區地下水環境質量現狀， 確定以各預測因子的地下水質量標準（GB／T14848-2017）中的Ⅲ類標準為超標影響限值， 以各預測因子的檢測方法檢出限作為影響限值，CODcr、 氨氮的超標及影響范圍限值如表5 所示。

表5 超標及影響范圍限值統計表（單位：mg／L）Tab.5 Statistics of exceeding and limit of influence range （Unit： mg／L）

3.2 預測模型選取

按照 《環境影響評價技術導則 地下水環境》（HJ610-2016）要求，采用解析法進行污染物的運移預測。 將污染物的運移概化為一維穩定流動水動力彌散問題，不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發、生物化學反應，同時考慮物料持續泄露在一段時間后停止。 基于連續線性非恒定濃度點源的解析法疊加運算， 本項目地下水中溶質運移的模型如式（1）所示。

式中：C（x，t）為t 時刻，沿地下水水流方向距泄露點x 距離處的濃度，mg／L；C0為泄露點處特征因子的初始濃度，mg／L；C1為t＞T1時泄露點處特征因子的濃度，這里為0；x 為距泄露源的距離，m；T 為時間，d；DL為縱向彌散系數，m2／d；u 為地下水實際流速，m／d；T1為物料持續泄露時間，d；erfc（）為余誤差函數。

受資料限制， 本次污染溶質運移模擬計算未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發、生物化學反應，模型中各項參數予以保守性考慮。 模型中各計算參數經由水文地質勘查及收集資料整理計算求取。

3.3 預測評價

3.3.1 滲瀝液調節池滲漏運移預測

當防滲系統老化或腐蝕破損時，廢水將通過失效后的防滲系統泄漏至地下水環境，即通過包氣帶進入到地下水中。在不考慮包氣帶對污染物的阻滯、降解、吸附等作用的情況下，廢水滲漏量可按式（2）計算。

式中：Q 為廢污水滲漏量，m3／d；K 為包氣帶垂向滲透系數，m／d；I 為水力梯度；A 為防滲失效面積，m2；h 為池中液體的深度，m；d 為包氣帶厚度，m。

經計算， 非正常狀況下廢水滲漏量Q=7.02 m3／d。根據工程分析，CODcr濃度為7 500 mg／L，NH3-N 濃度為2 000 mg／L。 根據滲瀝液收集池距下游監測井的距離（約10 m）和發現滲漏及采取有效措施制止滲漏的時間（大約為28 d），計算出進入含水層的污染物滲漏量為：mt-COD=1 474.2 kg，mt-氨氮=393.12 kg。

基于以上水文地質參數及污染源源強， 對非正常狀況下污染物CODcr、NH3-N 對地下水的影響進行了定量的評價，預測結果如表6 和表7 所示。

表6 非正常狀況下滲濾液收集池滲漏污染物CODcr 運移預測結果Tab.6 Under abnormal conditions， prediction result of leakage pollutant CODcr transportation of leachate collection tank

表7 非正常狀況下滲濾液收集池滲漏污染物NH3-N 運移預測結果Tab.7 Under abnormal conditions, prediction result of leakage pollutant NH3-N transportation of leachate collection tank

3.3.2 填埋場庫區滲漏運移預測

當土工膜下覆黏土層滲透系數小于10-4cm／s 時，通過一個小孔的滲漏量qv可用經驗公式（3）計算。

式中：a 為破損小孔面積，m2；h 為土工膜上積水厚度，m；Kc為膜下0.3 m 厚壓實黏土層的滲透系數，m／s。

基于中國環境科學研究院的調查數據， 在正常狀況下，雙人工襯層1 hm2土工膜按存在10 個破損小孔計；在非正常狀況下，土工膜漏洞面積約為正常狀況下土工膜漏洞面積的25 倍。 填埋區面積為2.14 hm2，經計算，填埋場庫區在非正常狀況下的滲漏量為1.57 m3／d。根據工程分析，CODcr的濃度為7 500 mg／L，NH3-N 的濃度為2 000 mg／L。填埋場底部滲漏屬于持續源， 則填埋期間進入含水層的污染物滲漏量為：mt-COD=73 063.88 kg，mt-氨氮=19 483.7 kg。

基于以上水文地質參數及污染源源強， 預測評價了非正常狀況下污染物CODcr、NH3-H 對地下水的影響，結果如表8 和表9 所示。

表8 非正常狀況下填埋場滲漏污染物CODcr 運移預測結果Tab.8 Under abnormal conditions, prediction result of leakage pollutant CODcr transportation in landfills

表9 非正常狀況下填埋場滲漏污染物NH3-N 運移預測結果Tab.9 Under abnormal conditions， prediction result of leakage pollutant NH3-N transportation in landfills

4 結語

綜上所述， 青海省某生活垃圾填埋場在出現泄露事故后， 可能對工程所在地的地下水環境造成一定影響，滲濾液中的CODcr、NH3-N 會沿著地下水遷移，但滲漏17 年后，污染物不會到達評價區下游邊界。

雖然垃圾填埋場對地下水的污染影響范圍可控，但是為了實現對評價區地下水含水層的保護，還是需要做好防滲措施， 配套建成工程施工地下水監測井。特別是在工程選址及前期論證階段，最好進行專業的水文地質勘查工作， 摸清項目所在地水文地質條件，將生活垃圾填埋場工程設置于小型飲用水水源地、農田灌溉井等地下水敏感目標區。