某沿海填埋場對地下水環境影響預測分析

王 澤，周海燕

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 引言

填埋場在運營過程中由于填埋物所含的水份、微生物的分解、降雨等因素，會產生較多的滲濾液；滲濾液中污染物氨氮、COD及重金屬含量較多，水質復雜[1]，對周圍的影響很大。填埋物的下滲是地下水氮污染的主要途徑，由于物理、化學及生物作用，主要以無機氮的形式存在[2]；當滲濾液泄露，進入到地下水造成污染，對土壤和植物也造成污染[3]，影響區域的生態環境。本文以某沿海填埋場所在區域作為分析對象，量化評估區域水文地質及污染物滲漏進入周邊地下水的情況，預測分析地下水中污染物的運移規律，通過數值模擬[4，5]，對填埋場非正常情景狀況進行預測，確定非正常情景下污染物泄露對周圍環境的影響程度，為填埋場的實施運營提出建議。

2 項目區域概況

某填埋場位于沿海區域，場區地勢平坦開闊，場區地勢西北高東南低，潛水含水層補給來源主要是大氣降水的側向補給及垂直補給，沿地勢自西北向東南徑流，主要以泉或片流形式排于溝谷、低洼處或直接排入海中。項目區域勘探深度內地下水主要為火山巖裂隙孔洞潛水，賦存于強風化玄武巖和中風化玄武巖基巖裂隙中。場地水文鉆孔深度20.3～46.5 m，尚未揭露隔水底板，含水層厚度大，厚度隨潛水面季節性升降而變化，雨季水位上升，含水層變厚，旱季水位下降，含水層變薄，富水性不均，透水能力中等；潛水含水層與承壓水含水層之間均有第四系下更新統粘性土層存在，層厚在37.0 m左右，且分布連續穩定，塑性狀態基本為硬塑～堅硬，部分呈半膠結狀，導水性能微弱，構成了場區潛水與承壓水含水層之間的良好隔水層(圖1)。

圖1 初始流場

3 水文地質參數

根據水文地質勘查成果，場區包氣帶巖性主要為粉質粘土，厚度2.8～7.2 m，滲透系數介于值3.4×10-6～5.8×10-6cm/s，天然包氣帶防污性能為“中等”，場區潛水含水層厚度13.00～41.00 m，地層巖性主要為強風化玄武巖、中風化玄武巖；通過抽水試驗，得到潛水含水層滲透系數為4.57×10-3～8.51×10-3cm/s；通過土工實驗，得到巖土孔隙度0.494～0.560。

4 地下水環境影響預測

4.1 水文地質概念模型

本次模擬的對象為第四紀火山巖裂隙孔洞(隙)潛水含水層和松散-半固結巖類孔隙承壓水含水層。通過將預測區域一個相對獨立的水文地質單元中含水層的邊界性質、介質結構、水力特征和補徑排等條件概化，建立水文地質概念模型，以便于進行數學與物理模擬；根據場地周邊的地形地貌、水文地質條件等因素綜合確定模擬區范圍面積約11.4 km2。

(1)邊界條件概化。在預測模擬區西北側為山脊線，為隔水邊界，潛水含水層補給來源主要是大氣降水的側向補給及垂直補給，可概化為定水頭邊界；在預測模擬區東南側為海域，為地下水的排泄邊界。東北側及西南側邊界以流線劃分，即A1概化為第二類流線邊界；西北側以等水頭線劃分，即A3概化為定水頭邊界；東南側以海岸線劃分，即A4概化為定水頭邊界，邊界條件概化見圖2。對于模擬區頂部邊界，在該處主要發生著大氣降水入滲補給等，可概化為潛水面邊界；對于預測模擬區底部邊界，由于分布有一層結構較完整、透水性較差的隔水層，可概化為隔水底板。

圖2 邊界條件概化示意

(2)含水層結構概化。含水層主要為火山巖裂隙孔洞(隙)潛水含水層和松散-半固結巖類孔隙承壓水含水層兩大類，根據各地層巖性、抽水試驗、滲水試驗等結果，結合模型預測的便利，將地層分為3個層進行模擬預測，滲透介質概化為多孔介質，假設是非均質各向異性介質。

4.2 地下水流模型

(1)模型劃分。在水平面上采用邊長為25 m正方體單元對模擬預測區域進行剖分，將模擬區剖分為139行、135列，平面上共剖分活動單元格9964個、非活動單元格8801個，計算區域水平面上網格剖分情況見圖3；垂向上考慮到實際地層滲透性差異較大，將模型剖分為3個大的模型層。

圖3 模擬區網格剖分

(2)模型高程確定。采用數字高程模型表示地面標高；對于模型層底面標高，根據勘探鉆孔資料，并結合出露情況來獲取地層標高，并進行插值而得到底面標高數據，再以克里格空間插值的形式輸入到模型。

(3)源匯項設置。模擬區源匯項比較簡單，補給主要為大氣降水補給，大氣降水量取項目地多年平均降水量，當地降雨入滲系數取0.1～0.2。模擬區排泄項主要是蒸發及側向流出，根據氣象條件、土壤植被、水位埋深情況，蒸發量取1761 mm，側向流出量由達西定律計算得到。

(4)模型識別。選用觀測孔實測水位作為識別數據，通過調整水文地質參數，擬合流場，識別水文地質參數、邊界值和其它均衡項，以取得較好的擬合效果，使建立的模型更加符合區域水文地質條件。擬合情況見圖4，計算水位與實測水位基本相符，驗證了邊界條件的準確性。

圖4 地下水水位擬合結果

4.3 溶質運移數學模型

本次影響預測是通過聯合求解水流方程和溶質運移方程，進而得到氨氮和COD污染物非穩定運移的趨勢。在水文地質概念模型和地下水流模型的基礎上，對不同的水文地質分區進行給水度、有效孔隙率、縱向彌散度等參數賦值，建立不同時間條件下填埋場污染物泄露后的遷移運動趨勢模型。本次溶質運移數學模型以風險最大的原則進行預測分析，假設預測污染物氨氮和COD不在含水層中進行物理、生物、化學等反應，只考慮地下水對流、彌散對污染物擴撒的作用。

模擬預測需要的參數主要是彌散系數、有效孔隙度和巖土密度。在水文地質勘察中可以通過實測確定有效孔隙度和巖土密度。水動力彌散尺度效應使得彌散系數的確定相對比較困難[6]，進行野外或室內彌散試驗也難以獲得準確的彌散系數，結合以往研究成果，根據水文地質勘察及場地實際情況，參考《水文地質手冊》[7]選取，本次模擬取彌散度參數值為20 m。

4.4 預測場景及源強

正常狀況下，填埋場產生滲濾液進行處理，場區進行分區防滲，可以從源頭上減少污染物滲漏進入地下水含水層的量，項目對地下水環境影響較小。本次預測模擬主要考慮填埋場滲瀝液收集池因為老化等原因發生滲漏對地下水可能造成的影響。污染物在下滲過程中，雖然經過包氣帶的過濾及吸附，仍然會有部分污染物進入潛水含水層，污染潛水；隨地下水的流動和在彌散作用下，在含水層中擴散遷移；含水層顆粒愈粗，透水性愈好，則污水在含水層中的擴散遷移能力就愈強，其危害就愈大。本次選取氨氮和COD作為預測因子，非正常狀況情景設置為滲瀝液收集池持續滲漏，預測時段分別取100 d、365 d、1000 d、1825 d、3650 d。

4.5 預測結果分析

非正常狀況情景下，滲瀝液污染物持續滲漏，不同時間段氨氮和COD的影響范圍、超標范圍和最大運移距離預測結果如表1所示，污染物運移情況剖面見圖5～8。

表1 非正常狀況情景下不同時間的預測結果

圖5 氨氮泄露1年后污染物濃度

圖6 氨氮泄露10年后污染物濃度

圖7 COD泄露1年后污染物濃度

圖8 COD泄露10年后污染物濃度

從預測結果可以看出，在非正常狀況情景下，地下水中氨氮濃度在3650 d后超出《地下水質量標準》[8]Ⅲ類標準的影響范圍為1349431 m2，最大運移距離為1784 m，濃度大于0.01 mg/L影響范圍為1565312 m2；地下水中COD濃度在3650 d后超出Ⅲ類標準的影響范圍為988958 m2，最大運移距離為1653 m，濃度大于0.3 mg/L的影響范圍為1289426 m2，氨氮超標范圍整體大于COD超標范圍。根據預測結果，非正常狀況情景下，滲瀝液發生持續性泄露，對地下水環境一定造成影響，隨著時間推移，氨氮和COD濃度不斷升高，影響范圍不斷擴大。

5 結論

(1)預測分析涉及的場區及周邊含水層主要為火山巖裂隙孔洞(隙)潛水含水層和松散-半固結巖類孔隙承壓水含水層兩大類；由于存在連續穩定的粘性土層，潛水含水層與承壓水含水層之間界限明晰，隔水效果較好，即使污染物泄露進入潛水層，也難以滲透進入承壓水層；根據模擬結果，污染物主要在潛水含水層擴散運移。

(2)正常狀況情景下，滲濾液處理設施運轉正常、地下防滲措施完好，污水不會滲漏進入地下，對地下水基本不會造成污染。非正常狀況情景下，氨氮和COD下滲進入潛水含水層中，形成超標污染暈，受水動力場控制向東南遷移，污染范圍持續擴大；COD超標污染暈在3650 d后遷移距離達到1653 m，影響范圍為988958 m2；氨氮超標污染暈在3650 d后遷移距離達到1784 m，影響范圍為1349431 m2。

(3)在非正常狀況情景下，超標污染暈將擴散至下游，需采取嚴格的防滲措施以及制定完善的管理制度和跟蹤監測計劃，最大程度地避免發生污染物泄露，最短時間發現污染物泄露并處置好，減小污染物對周邊地下水環境造成的影響；同時避免在場區及周邊布設揭穿承壓含水層頂板的深孔，以防止非正常狀況情景下污染物串層污染深層承壓水，造成較大影響。