某填埋場風險條件下淋濾液泄漏對地下水環境的影響研究
——基于Visualmodflow的數值模擬分析

王穎，邵思慧，陳社明，李紅超，尚將為

1.河北省地質環境監測院;2.中國地質調查局天津地質調查中心

城市生活垃圾處理方式中的焚燒法是垃圾減量化最有效的方式，并且可通過垃圾焚燒廠回收能源[1]。垃圾焚燒處理后產生的飛灰因含有毒性較高的重金屬、二噁英，被國家規定為危險廢物[2]。現今全國每年飛灰產生量超過400萬噸[3]。飛灰穩定-固化處理在環境中的穩定性差，高毒性的重金屬、二噁英容易進入淋濾液中，若滲出進入地下土壤和地下水中，將對人類健康、環境帶來巨大危害。20世紀90年代，日本某垃圾飛灰填埋場曾發生泄漏事故，滲漏液中高濃度的氯苯、汞等重金屬污染物導致地下水和土壤嚴重污染[4]。我國北方大部分地區生產、生活的主要水源為地下水，一旦填埋場發生泄漏，地下水受到污染后，將嚴重影響周邊群眾的生命健康，造成不可逆轉的生態環境破壞。

本次研究以河南省東部某縣某飛灰填埋場為研究對象，通過對研究區地形地貌、水文地質條件進行分析，利用數值模擬技術，分析風險條件下填埋場淋濾液泄漏后特征污染物的遷移特征。

一、研究區概況

（一）地形地貌特征

研究區位于河南東部某縣，年平均降水量738.6mm。地處黃河沖積扇南緣與淮河沖積平原北緣的相交地帶，地勢低平，地形起伏不大，西北部略高，海拔43.0m，東南部較低，海拔35.5m[5]。該縣屬淮河流域，水系主要有沙潁河、蝸河、西肥河、汝河四大水系。

（二）水文地質特征

研究區地下水多為松散巖類孔隙水，含水層在縱向上分為淺層、中層和深層三個含水巖層[6]。淺層地下水主要賦存于地表以下50～70m深度內的全新統和上更新統砂層、粉土層。地下水類型多為潛水，部分為微承壓水，富水性相對較差，地下水埋深2.84～5.07m。中層地下水賦存于中更新統上段的粉土、泥質粉細砂中，底板埋深100～110m，為承壓水，富水性較差，水質也較差，無開采價值。深層地下水賦存于中更新統下段和下更新統的粉細砂、中細砂中，底板深埋300～400m，為承壓水，富水性強。深層地下水與中-淺層地下水之間有較大厚度（一般60～100m）的相對隔水層，水力聯系非常微弱。

（三）地下水補徑排條件

研究區地表巖性以粉質黏土、粉土為主，淺層水的主要補給來源為大氣降水、灌溉水入滲補給，地下水排泄途徑主要為蒸發和人工開采，其次為地下水側向徑流和向沙潁河排泄。地下水為西北向東南方向徑流，水平運動較為遲緩。

（四）垃圾填埋場特征

垃圾填埋場處理的垃圾為該城市域內生活垃圾焚燒后產生的飛灰固化物。飛灰固化物需在生活垃圾焚燒廠內經預處理，檢測合格，滿足標準要求后分批進入填埋場進行填埋。填埋場處理方式是使用螯合劑（水泥）進行固化。填埋場的有效庫容17.01萬m3，固化后的飛灰入場量為60噸/日，服務期限10年。填埋區面積為21530m2，底部覆蓋有200mm厚的壓實黏土和1.5mm厚HDPE土工膜。填埋區滲出系數為0.5。中間覆蓋面積26870m2，中間覆蓋單元滲出系數為0.3。填埋場底部滲瀝液主要通過降水淋濾產生。研究區日平均降雨量以2.07mm/d計，得到填埋場滲瀝液平均產生量為39m3/d。

二、水文地質概念模型構建

（一）模擬范圍

依據研究區地下水流向以及周邊水文地質條件，為分析垃圾填埋場污染物泄漏后在地下水中的遷移特征，選取填埋場所處水文地質單元邊界確定模擬區。西部以吳樓村-趙樓村為界，北部以胡樓-鄧王莊村為界，西南側以沙潁河為界，東南側以孫營-杜營村東側為界，東側以常勝溝渠為界，總面積為15.82km2（見圖1）。

圖1 模擬區范圍圖

（二）含水層概化

根據模擬區調查資料，淺層含水層深度是地表以下50米左右，無壓或微承壓，巖性多為粉細層和粉土層。評價區淺層含水層與深層含水層之間有較大厚度（一般60～100m）的相對隔水層，水力聯系非常微弱，因此可將底部邊界概化為隔水邊界。本次模擬以淺層地下水為模擬目的層，將模擬目的層概化為非均質各向同性含水層。地下水流概化為非穩定流。

（三）邊界條件

（1）側向邊界：模擬區淺層地下水的總體流向為自西北往東南流動，因此西部邊界為地下水流入邊界，概化為補給邊界；東側常勝溝渠為地下水流出邊界，改為排泄邊界；南側沙潁河，河水與地下水聯系較為密切，可概化為給定水頭邊界；北側與東南側概化為隔水邊界。

（2）垂向邊界：模擬區上部邊界概化為水量交換邊界，有人工開采、降水入滲等；模擬區的底部邊界為黏土層構成的隔水層，概化為隔水邊界。

三、地下水數值模型的建立

（一）地下水流數學模型

根據研究區的水文地質概念模型，可由以下數學模型描述評價區水文地質概念模型和邊界條件的概化結果見公式（1）。

公式（1）中：H——含水層水頭（m）；H0(x,y)——含水層的初始水頭（m）；Zb——含水層底板高程（m）；K——含水層滲透系數（m/d）；μ——含水層給水度；W——含水層垂向補給強度（包括降水等滲漏補給）（m/d）；E——地下水蒸發排泄強度（m/d）；P——含水層開采強度（m/d）；Γ2——已知流量邊界；q(x,y,t)，f1(x，y，z，t)——含水層側向單寬補排量（m2/d），流入時取正，流出時取負，隔水邊界時取0；n→——邊界上的外法線方向；D——計算區范圍；

（二）水文地質參數分區

參與地下水模型計算的水文地質參數主要有重力給水度(μ)，含水層滲透系數(K)，降雨入滲系數(α)等。

1.大氣降水入滲補給系數

調查評價區為第四系覆蓋區，參考河南省周口市農田供水勘察報告以及地下水埋深情況，確定區內降水入滲系數為0.21。

2.給水度和滲透系數

滲透系數和給水度初始值取經驗值，滲透為6.5m/d，給水度依據經驗值取0.09（見表1）。

表1 含水層參數初始值一覽表

3.彌散度

在模型預測中，采用經驗值進行賦值，彌散系數為10。

（三）模擬期及初始條件設置

模型的識別驗證期為2020年7月20日到2020年8月20日，2020年7月20日測量的調查評價區監測水位作為模擬區的初始流場（見圖2）。

圖2 模擬區初始流場

根據掌握的地下水水位動態數據，對流量邊界的水力梯度按時段分別進行賦值。沙潁河水位根據地表水監測數據賦值。入滲補給等源匯項依照不同時段分別計算賦值。各項均換算分配到相應單元格。

（四）模擬軟件及模擬區剖分

本次模擬采用三維地下水流及污染物運移模擬軟件VisaulModflow 4.2。垂向上劃分為1個模擬目的層。模擬區單元網格按網格間距50m進行剖分，針對填埋場范圍進行加密，網格間距25m。模擬區剖分為98列，107行，垂向剖分為1層，共計10486個單元網格，其中有效單元格為8709個（見圖3）。

圖3 模擬區網格剖分平面圖及剖面圖

（五）模型的識別與驗證

本次研究模型的識別與驗證期為2020年7月20日到2020年8月20日。

1.識別期和驗證期源匯項

研究區識別與驗證期主要存在的源匯項如下：補給項主要為降水入滲、側向流入、河流滲漏補給；排泄項主要為地下水開采、地下水側向流出。

2.模型的識別與驗證結果

選取2020年10月的地下實測流場作為識別期末刻流場，將模擬結果與實測結果進行擬合，調整參數使誤差最小。通過細致調參，兩者達到最優擬合，最大絕對偏差小于0.1m（圖4）。識別與驗證結果可靠，滿足精度要求。調整后的模型參數見表2。識別和驗證期模擬區水量均衡結果見表3，調查評價區在識別期補給量小于排泄量，為負均衡。該均衡計算結果與調查結果一致。

圖4 2020年10月識別驗證期末刻模擬區地下水流場擬合圖

表2 含水層參數識別與驗證結果一覽表

表3 識別與驗證期模擬區水量均衡表（單位：萬m3）

四、地下水污染模擬預測

（一）溶質運移數學模型

地下水中溶質運移的數學模型可表示為：

式中：αijmn—含水層的彌散度；Vm,Vn—m和n方向上的速度分量；|v|—速度模；C—模擬污染質的濃度；ne—有效孔隙度；C’—模擬污染質的源匯濃度；W—源匯單位面積上的通量；Vi—滲流速度；C’—源匯的污染質濃度。

聯合求解水流方程和溶質運移方程即可獲得污染物空間分布關系。

（二）污染情景假設與源強分析

本次模擬主要針對填埋場淋濾液對地下水水質可能造成的直接影響進行分析和預測。考慮填埋場污水產生、貯存以及處理過程，預測的風險情景為填埋庫區底部防滲層老化，發生泄漏，引起地下水污染。滲瀝液平均產生量為39m3/d，考慮底部防滲層不會全部區域老化，滲漏量按產生量10%確定，則滲漏量為3.9m3/d，取整后為4m3/d。滲漏時間為持續釋放。

飛灰經穩定化、固化后，淋濾液污染物主要為重金屬。依據淋濾液濃度分析結果（表4），氨氮和鎳分別作為常規組分及重金屬污染物超標最大組分，選取預測因子進行預測（表5）。

表4 項目淋濾液濃度分析表

表5 淋濾液污染源強一覽表

（三）地下水污染預測與分析

風險條件下，填埋場庫區底部防滲層老化，發生泄漏作為污染源進行預測。廢水泄漏后，引起地下水污染物運移的預測結果見圖5、圖6。由預測圖可以發現，兩種污染物遷移特征一致，污染物均在1000d后出現超標。預測結果表明，污染物主要向下游遷移，形成污染暈，但在水力坡度小的地區，也會向上游遷移。滲漏發生100天后，含水層中重金屬鎳的影響范圍76250m2，影響最大運移距離為22m（由填埋庫區邊界計算），未超標；氨氮的影響范圍87140m2，影響最大運移距離為26m，未超標；滲漏發生1000天后及7300天后，污染物的影響及超標范圍見下表。7300天（20年）后兩種污染物在地下水中均有超標區，最大遷移距離分別為81m與90m，但超標及影響范圍未達到下游村莊敏感點（見表6）。

圖5 淋濾液泄漏后鎳污染物運移狀況

圖6 淋濾液泄漏后氨氮污染物運移狀況

表6 填埋場庫區滲漏污染物運移特征表

五、結論及建議

（1）滲漏發生100天后，含水層中重金屬鎳和氨氮的濃度均未超標，但達到影響值，兩者的最大運移距離為22m和26m；滲漏7300天（20年）后兩種污染物在地下水中均有超標區，最大遷移距離分別為81m與90m，但超標及影響范圍未達到下游村莊敏感點。

（2）在地下水水力坡度較小的條件下，填埋場淋濾液一旦滲漏引起地下水污染，污染物向下游遷移的同時，會向上游遷移。需要對上游距離較近村莊的地下水污染狀況進行監測。

（3）填埋場底部防滲層老化造成泄漏條件下，淋濾液會持續釋放，引起填埋場下部污染物濃度持續增加。建議在下游填埋場邊設立地下水質監測井，定期監測，發現淋濾液泄漏后及時處置切斷污染源。