基于敏感性分析的危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)工程和地質(zhì)屏障參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

方志強(qiáng)

（朔州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 朔州 036002）

截至2020年，我國(guó)危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生量高達(dá)9 000 萬(wàn)t。填埋是固廢物處置的主要手段，其成本低，操作便捷，但是在填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)期間會(huì)出現(xiàn)滲濾液滲漏的問(wèn)題，這是一種危險(xiǎn)廢物在化學(xué)或生物反應(yīng)下形成的高污染液體，一旦滲入地下水，將會(huì)給土壤與地下水造成污染。所以，有必要對(duì)填埋場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇各項(xiàng)參數(shù)，判斷其中的敏感性，確保泄漏風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

1 危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)工程地下水概況

以地下水環(huán)境保護(hù)為目標(biāo)，確定工程地下水環(huán)境的大致情況，以此滿(mǎn)足滲濾液滲漏預(yù)測(cè)模型的建立要求。研究區(qū)以等水位線、地下水流線為界，東部邊界按照等水位線進(jìn)行劃定，西部按照河流邊界來(lái)劃定，其他的邊界按照地下水流線來(lái)劃定，最終可確定危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)區(qū)域面積共計(jì)53.89 km2。危險(xiǎn)廢物無(wú)害化處理的始終是解決全球性環(huán)境問(wèn)題的重點(diǎn)，各國(guó)家多數(shù)會(huì)采用填埋的處理手段，以此降低危險(xiǎn)廢物泄漏風(fēng)險(xiǎn)，但是填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，機(jī)械性損壞與化學(xué)老化會(huì)造成土工膜的性能逐漸退化，因此泄漏事故與污染問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。有必要對(duì)填埋場(chǎng)的工程地質(zhì)屏障進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［1］。

2 模型與方法

2.1 構(gòu)建代表性場(chǎng)景

為了有效控制滲濾液向地下水的滲漏風(fēng)險(xiǎn)，各國(guó)紛紛對(duì)填埋場(chǎng)地質(zhì)屏障提出了強(qiáng)制性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，比如美國(guó)與中國(guó)要求導(dǎo)排層的坡度不能低于0.02，滲透系數(shù)必須在1.0×10-1cm/s以上，因此，本文決定選擇過(guò)程模擬方法，以參數(shù)的敏感性分析為前提，對(duì)填埋場(chǎng)工程和地質(zhì)屏障的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取與設(shè)計(jì)，從中選出最佳取值［2］。

構(gòu)建代表性場(chǎng)景，識(shí)別不同參數(shù)的敏感性程度，模擬出真實(shí)情況下滲濾液向地下水和土壤內(nèi)滲漏的場(chǎng)景與地下水污染場(chǎng)景，按照相關(guān)污染控制標(biāo)準(zhǔn)，從上至下進(jìn)行幾部分的劃分，具體情況如下：（1）封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)，其中的分層主要包含覆蓋層，材質(zhì)為細(xì)砂壤土，厚度0.6 m；雨水導(dǎo)排系統(tǒng)，材質(zhì)為粗砂，厚度0.2 m；防滲系統(tǒng)上層材質(zhì)為HDPE膜，厚度0.001 m，下層材質(zhì)為黏土，厚度0.3 m。（2）危險(xiǎn)廢物層，該部分的厚度為7 m。（3）主滲濾液防滲與導(dǎo)排系統(tǒng)，其中包含導(dǎo)排層、系統(tǒng)上層與下層三部分。導(dǎo)排層選用卵石材料，厚度為0.3 m；系統(tǒng)上層材質(zhì)為黏土，厚度0.6 m；系統(tǒng)下層材質(zhì)為HDPE膜，厚度0.001 m。（4）次滲濾液防滲與導(dǎo)排系統(tǒng)，其中包含導(dǎo)排介質(zhì)、系統(tǒng)上層與下層三部分。導(dǎo)排介質(zhì)主要為排水網(wǎng)材料，厚度0.006 m；系統(tǒng)上層選用HDPE膜，厚度0.001 m；系統(tǒng)下層為黏土材料，厚度為0.99 m。

2.2 基于過(guò)程模擬的滲濾液滲漏與污染預(yù)測(cè)

2.2.1 滲濾液滲漏預(yù)測(cè)模型

在填埋場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)雨水防滲、滲濾液導(dǎo)排防滲系統(tǒng)，可有效降低滲漏液帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，但污染問(wèn)題依然存在，這是因?yàn)镠DPE膜在安裝和后期使用期間會(huì)出現(xiàn)不同程度的破損，滲濾液會(huì)經(jīng)過(guò)破損的地方逐漸滲漏與擴(kuò)散。

經(jīng)過(guò)室內(nèi)滲漏模擬實(shí)驗(yàn)與仿真分析［3］，確立滲漏速率計(jì)算公式，再結(jié)合我國(guó)填埋場(chǎng)內(nèi)“兩層HDPE膜+一層CCL壓實(shí)黏土襯層”的結(jié)構(gòu)，滲濾液的滲漏速率計(jì)算公式如下：

上述公式當(dāng)中，Q指的是滲濾液向地下水與土壤內(nèi)的滲漏速率，單位為m3/s；a為HDPE膜的破損面積，單位為m2；ks是CCL水力傳導(dǎo)率，單位為m/s；Ls為CCL厚度，單位為m；hw指的是HDPE膜上滲濾液的高度，單位為m；N是膜上的破洞密度，單位為holes/（104m2），通常針眼孔的尺寸為1 mm，破洞密度為2.5～5.4 holes/（104m2），小孔的尺寸在10～25.5 mm左右，破洞密度為2.5～22 holes/（104 m2）；S指的是填埋場(chǎng)底部面積，單位為104 m2；βc為HDPE和CCL襯層的接觸系數(shù)，良好狀態(tài)下取值0.21，非良好狀態(tài)下取值1.15。

2.2.2 滲濾液濃度衰變模型

填埋場(chǎng)內(nèi)的滲濾液是廢物堆放與填埋期間，在廢物壓實(shí)與雨水滲流的共同作用下產(chǎn)生的高濃度液體，這類(lèi)液體具有有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種成分。隨著自然降雨在填埋場(chǎng)淋溶，廢棄物內(nèi)部的有害組分會(huì)產(chǎn)生不同程度的耗損，同時(shí)滲濾液污染物濃度下降，這一期間可采用源項(xiàng)衰減模型來(lái)描述滲濾液濃度的衰變過(guò)程，具體如下：

公式當(dāng)中，Ct指的是在t時(shí)滲濾液內(nèi)有害物的濃度，單位為mg/L；C0指的是滲濾液有害物質(zhì)初始濃度，單位為mg/L；λ指的是有害物濃度變化系數(shù)，單位為10-7m-3a-1；t指的是時(shí)間，單位為a；i是滲濾液的滲透速率，單位為mm/a；Wd和Wfe分別指的是廢物深度與現(xiàn)場(chǎng)容量，單位分別為m和104m3。

2.2.3 滲濾液與危害組分在土壤—地下水中遷移轉(zhuǎn)化預(yù)測(cè)

當(dāng)污染物在包氣帶與地下水介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行前移與分布期間，會(huì)同時(shí)受到水流稀釋與衰減效應(yīng)的影響，這里提到的衰減效應(yīng)就是指降解與吸附，在土壤—水系統(tǒng)內(nèi)，水流稀釋效應(yīng)和衰減效應(yīng)能夠通過(guò)以下工程來(lái)表述：

上述公式當(dāng)中，x指的是沿著滲濾液流動(dòng)方向的路徑距離，單位為m；c指的是距離在x、時(shí)間在t的情況下污染物實(shí)際濃度，單位為mg/L；v指的是地下水的流速，單位為m/s；n指的是有效孔隙度；R和γ分別為衰減因子和一階衰減率，單位s-1；DL指的是流體動(dòng)力學(xué)的縱向彌散系數(shù)，單位為m2/s，最小值為0.012 m2/s，此時(shí)含水層厚度2.7 m，地下水的流速為10 m/a。最大值為12 m2/s，此時(shí)含水層厚度43.2 m，地下水的流速為150 m/a；a指的是介質(zhì)的分散度，單位為m；Dm指的是分子的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/s。

當(dāng)邊界條件不同時(shí)，對(duì)流與擴(kuò)散方程的解析式也會(huì)有所差異，針對(duì)滲濾液的滲漏邊界條件，假設(shè)污染物的濃度按照上述公式中的規(guī)律進(jìn)行衰減，那么經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換之后，解析過(guò)程大致如下：

上述公式當(dāng)中，c(x,t)指的是模擬污染物的遷移初始濃度，單位為mg/L；cd為模擬污染物遷移之后的濃度，單位為mg/L；μ為特征根。以上兩個(gè)公式適用于滲漏條件內(nèi)，填埋場(chǎng)的防滲層下方污染物遷移時(shí)根據(jù)公式計(jì)算得出包氣帶底部和地下水內(nèi)的污染物濃度，各項(xiàng)參數(shù)的取值大致如下：Ks=1×10-7m/s；LS=0.6 m；S=3 ha；i=78 mm/a；Wd=20 m，Wfe=0.5 104m3。

3 模擬參數(shù)對(duì)污染物濃度的影響

3.1 導(dǎo)排支管間距

了解導(dǎo)排支管間距在不同的情況下污染物濃度的大致空間分布情況，隨著間距增加，污染物濃度也會(huì)隨之增加。比如間距為240 m的時(shí)候，支管間距從5 m上升到10～100 m，此時(shí)污染物濃度也從最初的4×10-6mg/L上漲到了1.65×10-5g/L。出現(xiàn)這一情況的原因是導(dǎo)排支管間距增加，導(dǎo)致滲濾液滲流的途徑延長(zhǎng)。所以，防滲膜上的滲濾液飽和水位上升，同時(shí)水頭壓也會(huì)上升。按照“達(dá)西滲流定律”得知當(dāng)滲流量增加的時(shí)候，地下水受到滲濾液污染的程度也會(huì)明顯加劇。

3.2 導(dǎo)排層坡度

導(dǎo)排層的厚度在增加的過(guò)程中，井內(nèi)污染物的濃度逐漸縮小。比如在240 m位置，導(dǎo)排層的坡度從最初的0.01提高到0.16，而污染物的濃度也從5.67×10-6mg/L下降到1.36×10-5mg/L。出現(xiàn)這一變化的原因主要是導(dǎo)排層坡度加大，而介質(zhì)內(nèi)水力坡度也會(huì)增加，這就會(huì)使導(dǎo)排層側(cè)向的導(dǎo)排能力提高，而防滲膜處滲濾液的飽和水位降低，此時(shí)滲漏量也會(huì)因此而減少。

3.3 導(dǎo)排層滲透系數(shù)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求填埋場(chǎng)內(nèi)導(dǎo)排層滲透系數(shù)不能低于0.1 cm/s，但是滲濾液內(nèi)會(huì)存在懸浮顆粒與鈣鎂離子，這些物質(zhì)的存在會(huì)造成淤堵現(xiàn)象，有時(shí)導(dǎo)排層的滲透系數(shù)會(huì)因此降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。導(dǎo)排層滲透系數(shù)降低，污染物濃度上升，在含水層內(nèi)其他區(qū)域的污染物濃度增加。這是因?yàn)闈B透系數(shù)在減小的同時(shí)，導(dǎo)排層的側(cè)向排水能力有所減弱，所以滲濾液的飽和水位與滲漏量都有所增加。

4 地質(zhì)屏障參數(shù)優(yōu)化

4.1 參數(shù)的敏感性分析

計(jì)算得出為敏感性的分析結(jié)果，可知導(dǎo)排支管間距在從5 m提高到100 m的時(shí)候，污染物的濃度增加到了1.17×10-5mg/L，增加速率達(dá)到了1.23×10-7mg/（L·m）。間距會(huì)對(duì)滲濾液導(dǎo)排途徑長(zhǎng)度造成影響。如果填埋場(chǎng)的面積相同，間距越大，導(dǎo)排途徑就越長(zhǎng)，此時(shí)滲濾液的最高水位就會(huì)增加，同時(shí)水壓也會(huì)加大，這就會(huì)導(dǎo)致填埋場(chǎng)內(nèi)面臨著嚴(yán)峻的滲漏風(fēng)險(xiǎn)［4］。

導(dǎo)排層的坡度從0.01提高到0.04，污染物濃度也降低到了6.31×10-6mg/L。導(dǎo)排層的滲透系數(shù)從最初的0.000 1 cm/s提高到了0.01 cm/s，此時(shí)污染物的濃度會(huì)以0.2（mg·s）/（L·cm）的速度下降到1.96×10-4mg/L。滲透系數(shù)如果進(jìn)一步加大，這一變化會(huì)對(duì)污染物濃度產(chǎn)生較小的影響，甚至可以忽略不計(jì)。經(jīng)過(guò)研究得知，導(dǎo)排層的坡度與滲透系數(shù)在增加期間，滲濾液導(dǎo)排效率明顯提高，滲濾液的飽和液位降低，這會(huì)讓污染物濃度有所減少［5］。

天然襯層的滲透系數(shù)增加到1.0×10-6cm/s，污染物的濃度也增加到3.3×10-5mg/L，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得知增加速度是33.74（mg·s）/（L·cm）。滲透系數(shù)從1.0×10-6cm/s增加到5.0×10-5cm/s時(shí)，此時(shí)增加速率降低，只有11.75（mg·s）/（L·cm）。這就說(shuō)明天然襯層的滲透系數(shù)對(duì)于滲濾液向地下水內(nèi)與土壤內(nèi)的滲漏風(fēng)險(xiǎn)有著一定的控制作用，會(huì)對(duì)滲漏于地下水內(nèi)的穿透時(shí)間產(chǎn)生影響。

含水層厚度提高到5.4 m，污染物濃度降低到1.55×10-5mg/L，減小速率5.74×10-6mg/（L·m）。地下水的流速增加時(shí)，污染物濃度下降，減小速度為4.03×10-7（mg·a）/（L·m）。

在敏感性指數(shù)方面，導(dǎo)排支管間距的敏感性指數(shù)為0.865；導(dǎo)排層坡度的敏感性指數(shù)為-0.418；導(dǎo)排層滲透系數(shù)的敏感性指數(shù)為-0.378；天然襯層坡度的敏感性指數(shù)為-0.401；含水層厚度的敏感性指數(shù)為-0.563；地下水流速的敏感性指數(shù)為-0.267。其中導(dǎo)排支管間距敏感性最大，其次是含水層的厚度與導(dǎo)排層坡度。

4.2 參數(shù)的敏感區(qū)間和推薦取值

在敏感區(qū)間內(nèi)選擇合適的參數(shù)值，這是控制污染的關(guān)鍵。要求導(dǎo)排支管間距取值為10-25 m，坡度取值為0.02～0.03，滲透系數(shù)取值0.000 5～0.001 cm/s。天然襯層的滲透系數(shù)取值為5.0×10-7～1.0×10-6cm/s，含水層厚度取值為2.7～5.44 m，地下水的流速取值為20～50 m/a。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程逐步加快，人們對(duì)自然資源的消耗量日益增加，而危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生量也是以萬(wàn)噸級(jí)的速度增長(zhǎng)。各項(xiàng)參數(shù)對(duì)于污染風(fēng)險(xiǎn)有著不同的敏感性，經(jīng)過(guò)研究得知，敏感性最大的是導(dǎo)排支管的間距，最小的是地下水流速，隨后可采用指標(biāo)體系方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，以此最終判斷填埋場(chǎng)工程內(nèi)地下水的風(fēng)險(xiǎn)情況。