基于MODFLOW的某垃圾場滲濾液污染模擬研究

沈碧哲

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110007)

某垃圾填埋場位于遼寧東部低山丘陵區，運行中產生的滲濾液對周圍環境造成一定影響。王海龍等在研究基巖裂隙水時，發現基巖裂隙流屬于復雜地下水流，和地表孔隙介質的地下水流有一定的差異，但孔隙介質流動模型研究有很多成熟的經驗，而裂隙介質流動本身涉及的影響因素又很復雜，利用兩者的相似點，將山區裂隙流等效多孔介質方法來研究有很好的效果。周振江等探究地下水污染防治時，認為研究地下水環境保護時，應著重研究如何高效地處理水污染問題。

有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)等地下水模擬方法現階段應用十分廣泛。本文選用Visual MODFLOW FLEX采取有限差分法對新舊2個垃圾填埋場滲濾液在地下水中的遷移范圍進行模擬預測評估。在設定情景下，預測污染物COD、氨氮超標范圍，及與1#支洞和2#支洞之間隧洞的防護范圍的位置關系。

1 研究方法

1.1 研究區概況

垃圾場附近輸水工程位于遼寧東部，由水庫取水，經主輸水隧洞、分支輸水洞及管道自流到城市各需水企業。該段現已貫通。該隧洞2#支洞控制段上游上方為新舊2個垃圾處理廠，施工期間發現垃圾場向洞內滴滲污水，為保證將來隧洞內輸水水質不受污染，設計已經采取必要確保安全的防護措施，防護段范圍在1#支洞和2#支洞之間。

工程區處于山區，山體走向主要呈NE向，總體地勢南東高西北低，區內地形起伏較大，山頂高程多在300～500m之間。地貌成因上以侵蝕構造地形—侵蝕斷褶低山-尖頂狀低山為主，基巖大部分裸露，植被發育；區內溝谷發育，多為寬緩開闊的“U”形谷。工程區出露的地層主要為頁巖，并于隧洞出口處有少量分布有第四系(Q4)坡洪積物及沖洪積物等。

依據水文地質條件及垃圾場滲濾液在地下水環境中的遷移范圍，在滿足環境影響預測的前提下，確定本次模擬區范圍，總面積約5km2，如圖1所示。

圖1 模擬計算區范圍示意圖

1.2 邊界條件

模擬區沒有天然水頭邊界，將分水嶺附近的北面邊界、垂直于地下水等水位線的西面和東面的邊界概化為零流量邊界。僅模擬區南面局部區域為流量邊界，利用斷面法計算流量。

該系統的上邊界為地下水含水層自由水面，僅有入滲補給垂向通過該邊界，將此段隧洞下部高程60m處作為此次模型的底板。

1.3 水文地質特征

(1)含水層

模擬區地層巖性單一，均為頁巖，層理發育，多以水平狀為主，與模擬區外部具有統一的水力聯系，所以把該區域概化成單層含水層進行模擬計算。

(2)地下水流動特征

該區地下水運動以自北向南方向水平徑流方式為主。根據地下水流動特點，忽略地下水流的垂向分量，進而概化為層流滲流。

1.4 地下水流數值模型的建立

(1)模型剖分及數字高程模型

本次地下水流數值模擬采用二維規則網格有限差分法進行模擬計算。計算節點在單元中心。研究區剖分為78行80列1層，對垃圾填埋場區域的有限差分網格細化2倍，水平網格大小為25m×25m，其他區域水平網格大小為50m×50m，模擬區剖分為無效矩形網格單元2020個，有效矩形網格單元4040個，合計6240個。

模型的地表高程和潛水含水層的底板用數字高程來表示。模型的頂面為地表，剔除異常高程數據，進一步采用Kriging插值法生成數字高程模型。模擬區地表數字高程模型如圖2所示。

圖2 模擬區地表數字高程模型

以1980年1月1日作為模型的初始流場，以月作為時間步長，并根據模型預測輸水工程附近的污染水平。模擬區潛水初始流場如圖3所示。

圖3 模擬區潛水初始流場

1.5 模型的識別與檢驗

為更準確地展現地下水的變化規律，反復識別、驗證模擬區的地下水系統，確保有較小的水位擬合誤差。參數值見表1。

表1 模型識別與驗證后參數取值表

通過擬合對比，模擬區的地下水系統的流場特征和實際水文地質條件通過該模型展示是合理可信的。

2 地下水污染模擬預測

2.1 地下水污染預測情景設定

原垃圾場于1980年投入運行，新建垃圾場于2011年竣工完成試運行。新建垃圾場設置了水平防滲和垂直防滲，不會對地下水造成新的污染；原有垃圾場已實施了封場，并采用有效措施使原有垃圾場滲瀝液不對地下水造成新的污染。因此，本項目主要污染源為原垃圾場在加強防護前所產生的滲瀝液。

源強計算：經調查分析，在1980—2010年期間，原有垃圾場滲瀝液產生量平均為70m3/d，2011年封場以后，滲瀝液產生量為18m3/d。分析工程最大風險情況，即滲瀝液全部滲入地下水含水層中。滲瀝液中COD、氨氮，GB 50869—2013參考《生活垃圾衛生填埋處理技術規范》中規定的國內典型填埋場不同時期滲瀝液水質范圍上限，詳見表2。

表2 評價因子及評價標準一覽表 單位：mg/L

模擬預測COD和氨氮2種污染物在不同時段的影響范圍，參照GB/T 14848—2017《地下水質量標準》中Ⅲ類水確定不同污染物的超標范圍，詳見表3。

表3 評價因子及評價標準一覽表 單位：mg/L

2.2 地下水污染預測

根據污染源位置和源強大小，設定的污染泄漏情景，利用地下水溶質運移模型，分別對不同時期的污染物COD、氨氮超標范圍進行預測，根據質量標準來確定超標范圍及隧洞方向超標長度。

(1)COD滲漏地下水污染預測

在設定情景條件下，COD的地下水污染模擬結果如圖4所示、見表4。

圖4 COD含水層影響范圍圖

表4 COD影響范圍統計表

從污染物COD預測計算結果可以看出，在極端泄露地非正常狀況情景下，泄露的COD在濃度降低的同時逐步向下游擴散，核部污染物濃度高的面積隨著時間增長越來越小但超標范圍和隧洞方向的影響長度均隨著時間的增加而增加。25550d以后，超標范圍和隧洞方向的影響長度達到最大，COD污染物超標面積為487.9萬m2。隧洞方向超標長度為2215m。極限條件下，超標范圍在支護范圍內，對隧洞影響不大。

(2)地下水中氨氮污染預測

在設定情景條件下，氨氮的地下水污染模擬結果如圖5所示、見表5。

圖5 氨氮含水層影響范圍圖

表5 氨氮影響范圍統計表

從污染物氨氮預測計算結果可以看出，在極端泄露地非正常狀況情景下，泄露的氨氮污染物在濃度降低的同時逐步向下游擴散，超標范圍和隧洞方向的影響長度均隨著時間的增加而增加，10950d以后，超標區域增速越來越緩慢。25550d以后，超標范圍和隧洞方向的影響長度達到最大，氨氮污染物超標面積為331.8萬m2。隧洞方向超標長度為1788m。氨氮的污染范圍要小于同期的COD污染范圍。極限條件下，超標范圍在支護范圍內，對隧洞影響不大。

3 結語

從模擬結果分析得出，由北向南，越靠近下游，污染物擴散速度越來越慢，同時其濃度也漸漸降低。隧洞上游1#支洞方向基本沒有受到垃圾場滲濾液的影響。

滲濾液所產生的污染物在濃度降低的同時向下游擴散。在預測時間內，污染物COD、氨氮超標范圍在1#支洞和2#支洞之間隧洞的防護范圍內。

本文通過有限差分法對場區污染物運移進行了數值模擬，具有借鑒意義，但仍存在以下不足：

(1)本文參數均取極端條件下，預測范圍可能比實際影響范圍大。

(2)如何將MODFLOW與其他有限元建模軟件(Midas等)結合使用，需做進一步研究。