危險廢物填埋場地下水污染污染物遷移模擬研究

陳曉娟　孫欣陽

摘要：危險廢物填埋場地下水污染污染物的遷移具有不確定性，難以進行精準模擬，因此提出危險廢物填埋場地下水污染污染物遷移模擬方法。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)和水文條件，劃定地下水數(shù)值模擬范圍，并根據(jù)其構(gòu)建非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)數(shù)學模型實現(xiàn)邊界與含水層概化處理。結(jié)合概化結(jié)果實施網(wǎng)格剖分并生成研究區(qū)的三維網(wǎng)格模型，并以三維網(wǎng)格模型和Visual Modflow為基礎(chǔ)，模擬了鉻、鉛的遷移過程，實現(xiàn)危險廢物填埋場地下水污染污染物遷移模擬。實驗結(jié)果表明：該方法能夠準確模擬1000天、1460天、7300天后鉻、鉛的遷移過程，可以為危險廢物處理提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：危險廢物填埋場；模擬范圍；地下水污染；邊界概化；含水層概化

中圖分類號：X523 文獻標志碼：A

前言

隨著人口密度和城市化水平的增加，地下水成為了重點開發(fā)對象，并引起了廣泛關(guān)注。地下水的質(zhì)量和數(shù)量經(jīng)常受到人類活動的影響，尤其是危險廢物填埋場可能對地下水造成污染，進而影響其他地區(qū)。隨著城鎮(zhèn)化水平的提高，垃圾處理成為一個難題，人們開始采用衛(wèi)生填埋的方式來處理垃圾，但這也可能對地下水質(zhì)量造成影響。因此，需要加強對地下水質(zhì)量和危險廢物填埋場的監(jiān)測和研究?；谶@一背景，對危險廢物填埋場地下水污染和污染物遷移模擬進行研究，以保障地下水資源的安全和可持續(xù)利用。

針對填埋場地下水污染遷移模擬問題，由于地下水污染遷移問題已經(jīng)逐漸受到人們的關(guān)注，因此對該問題的研究也逐漸豐富起來。文獻[3]中提出了一種垃圾填埋場滲濾液變密度地下水溶質(zhì)運移模擬方法。該方法主要應(yīng)用MODFLOW中的SEAWA工模塊搭建了變密度地下水溶質(zhì)運移模擬模型，并與其他模型進行了對比。文獻[4]提出了一種基于Visual Modf-low的填埋場地下水污染遷移研究方法。該方法搭建了溶質(zhì)遷移與地下水水流模擬模型，并通過模型對保定地區(qū)某填埋場污染物遷移擴散情況實施預測?，F(xiàn)總結(jié)并借鑒以上研究成果，對危險廢物填埋場地下水污染污染物遷移模擬問題進行深入研究。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為涉鉻化工企業(yè)專用的危險廢物填埋場。該填埋場東側(cè)、西側(cè)、南側(cè)三面圍山，危險廢物均填埋于溝谷中，并在其北側(cè)修筑了壩體作為攔渣壩。壩體總高度為49.5m，頂部高程為212.6m，底部高程為152.5m，外壩坡度為36°。修筑了一個護壩，高程為175m，長62m，寬36m，以加固外壩。

填埋場的海拔約200m，溝寬達500m，深度為150m，填埋容量可達2800萬立方米。在渣場下游，修筑了滲濾液池，容積為12000立方米，用于同收主壩滲濾液，在必要時還可以將其作為事故應(yīng)急池。在下游兩百米處，修筑了不透性攔水壩，用于防止長江同水浸泡護壩與主壩的壩基。

該危險廢物填埋場已建造超過十年，場地內(nèi)泥巖層厚度在5.5-22.5m之間，屬弱透水層，滲透系數(shù)為4.1×10-8cm/s，未進行人工防滲。研究區(qū)附近有一條較大規(guī)模的河流，內(nèi)部邊界處有一個季節(jié)性沖溝，整體水量較小，作為排水渠使用。內(nèi)部東側(cè)有一個小規(guī)模河流穿過，流量約為0.6-1.2萬立方米／天，豐水期與枯水期流量差異較大。

1.2 地下水數(shù)值模擬

1.2.1 模型模擬范圍

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)和水文條件，劃定地下水數(shù)值模擬范圍，選取包含研究區(qū)的一個獨立水文地質(zhì)單元。所劃定的模擬范圍總面積為4.68km2，東西向兩側(cè)的距離為2055m，南北向兩側(cè)的距離為2380m。在劃定的數(shù)值模擬范圍上，疊加1：10000的水文地質(zhì)圖，并在疊加后的底圖上進行賦值、模擬和預測。

1.2.2 地下水數(shù)學模型構(gòu)建

以模擬范圍的基礎(chǔ)滲流方程和水文地質(zhì)概念模型為基礎(chǔ)，結(jié)合水文地質(zhì)參數(shù)、地下水動態(tài)變化狀態(tài)、地下水補給排放關(guān)系、地下水類型以及危險廢物填埋場的邊界條件，將模擬范圍概化為一個空間三維、非均質(zhì)各向異性的非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。用式（1）來表示其地下水數(shù)學模型：

式（1）中，ζ表示水力坡度；E表示地下水滲流地區(qū)；F表示水位標高；laa表示x方向上對應(yīng)的滲透系數(shù)分量；a表示坐標軸x方向上地下水的坐標；γs表示貯水率；T表示時間；lbb表示y方向上對應(yīng)的滲透系數(shù)分量；F（a，6，c，T）T=0表示水頭初始時刻函數(shù)；b表示坐標軸y方向上地下水的坐標；g表示單位體積流量，也就是源匯項；lcc表示z方向上對應(yīng)的滲透系數(shù)分量；c表示坐標軸。方向上地下水坐標。

就此完成模擬范圍地下水數(shù)學模型的搭建。

1.2.3 確定模擬期

選定模擬時長為20年，對輸出模型步長實施調(diào)整，并嚴格控制各次運算中的迭代誤差。

1.2.4 邊界概化與含水層概化

為實現(xiàn)更加準確的模擬范圍水文地質(zhì)條件概化，在確定模型邊界時需要遵循自然邊界原則。研究區(qū)附近的大規(guī)模河流被定義為定水頭邊界，研究區(qū)內(nèi)的小規(guī)模河流被定義為河流邊界，南側(cè)的連綿丘包被定義為零通量邊界。這三個邊界與北側(cè)的山構(gòu)成了一個獨立的排、徑、補系統(tǒng)的水文地質(zhì)單元，具體見圖1。

就此完成邊界條件概化工作。模擬范圍以砂泥巖互層（含少量砂巖）為主，靠近定水頭邊界的區(qū)域小范圍覆蓋第四系土層，第四系土層下為砂泥巖互層（以泥巖為主）。由于第四系土層的覆蓋范圍小，因此在綜合考慮后，忽略該部分。按照砂泥巖互層（含少量砂巖）的風化程度，對模擬范圍內(nèi)含水層的垂向進行概化，共概化為三層結(jié)構(gòu)，分別為潛水含水層、弱透水層和相對隔水層。這樣，模擬范圍就被概化為各向異性、非均質(zhì)的含水介質(zhì)。

1.2.5 網(wǎng)格剖分

以正東方為x軸，正上方為z軸，正北方為y軸，構(gòu)建模擬范圍的三維直角坐標系統(tǒng)。根據(jù)含水層概化結(jié)果，將模擬范圍模型縱向劃分為三層，第一層、第二層和第三層的模擬高程差分別為30m、50m、50m。在平面上，對每層進行剖分，使其被剖分為60×60的網(wǎng)格，各網(wǎng)格的面積為47m×41m。

以模擬范圍的水文地質(zhì)勘查圖為依據(jù)，通過ArcCIS提取模擬范圍的高程，并在visual MODF-LOW中導入高程數(shù)據(jù)，使用距離反比法空間插值法在地下水數(shù)學模型中導人高程數(shù)據(jù)，生成研究區(qū)域的三維網(wǎng)格模型，見圖2。

生成模型后，還需要細化加密研究區(qū)及周邊區(qū)域網(wǎng)格，將各網(wǎng)格橫向、縱向細化為原網(wǎng)格的五分之一，各網(wǎng)格的面積變?yōu)?m×8m，最終模型縱向剖分列數(shù)為184列，橫向剖分行數(shù)為123行，離散單元格數(shù)為63254個。

完成模擬范圍三維網(wǎng)格模型的構(gòu)建后，依據(jù)其水文地質(zhì)條件實施水文地質(zhì)條件的賦值。其中主要水文地質(zhì)參數(shù)的獲取是通過水文地質(zhì)試驗來實現(xiàn)的。選擇研究區(qū)內(nèi)的一口監(jiān)測井作為室外抽水試驗井，實施單孔穩(wěn)定流抽水試驗，并通過計算監(jiān)測井各參數(shù)獲取上部含水層對應(yīng)水文地質(zhì)參數(shù)，具體如下：含水層頂板埋深7.62m，含水層底板埋深52.30m，含水層厚度42.68m，水位降深14.86m，涌水量81.54m3/d，單位涌水量0.052L/s．m，滲透系數(shù)0.586m/d，影響半徑152.63m，給水度0.0032，水的極限埋藏深度5.2m。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，將大氣降水入滲系數(shù)取值定為0.27。同時，通過保守性參數(shù)對模擬范圍實施彌散度賦值，也就是選取最大值對危險廢物填埋場下游范圍污染情況進行預測。賦值結(jié)果如下：橫向彌散系數(shù)1.2m2/d，縱向彌散系數(shù)12m2/d，橫向／縱向彌散系數(shù)比率0.1。就此完成水文地質(zhì)條件的賦值。

1.3 污染物遷移模擬

通過三維溶質(zhì)運移模擬，描述危險廢物填埋場地下水污染物的遷移情況。依據(jù)現(xiàn)有資料獲得遷移中的溶質(zhì)濃度數(shù)據(jù)。

首先通過數(shù)學模型描述溶質(zhì)在三維空間中的遷移過程，其遷移過程基于三維水動力彌散方程，具體如式（2）：

式（2）中，ai表示沿直角坐標系橫軸向的距離；η表示地層介質(zhì)孔隙度；V表示地下水組分的對應(yīng)溶解相濃度；aj表示沿直角坐標系縱軸向的距離；Rij表示水動力彌散系數(shù)張量；Ps表示單位體積含水層流量；ui表示孔隙平均水流速；Vs表示源或匯水流內(nèi)的組分濃度；∑Lm表示化學反應(yīng)項。

將研究區(qū)作為污染源，其他區(qū)域不產(chǎn)生污染物補給，將研究區(qū)補給濃度值用V0來表示。模擬范圍的污染物遷移模擬初始條件具體如式（3）：

式（3）中，（xa，yb，zc，0）表示研究區(qū)坐標；（x，y，z，0）表示其他地方坐標。

將模擬區(qū)域邊界的彌散通量定為0。

考慮在最不利情況下，即滲濾液池池底防滲膜有一定破損或填埋場防滲膜失效后，污染物在地下水中的遷移情況。分別測試此時鉻、鉛在滲濾液進水水質(zhì)中的濃度，具體結(jié)果如下：鉻在滲濾液進水水質(zhì)中的濃度為0.001mg/L-0.008mg/L，鉛在滲濾液進水水質(zhì)中的濃度為0.006mg/L-0.015mg/L。鉻、鉛在危險廢物填埋場地下水污染中的普遍存在，具有潛在危害性和遷移特性，對地下水環(huán)境安全構(gòu)成潛在威脅，因此選擇鉻、鉛作為模擬指標。

在賦值后的三維網(wǎng)格模型下，使用Visual mud-flow中的MT3D模塊實施鉻、鉛的遷移模擬。將求解方式設(shè)置為GCG隱式求解，并將1000天、1460天（4年）、7300天（20年）這三個時間段作為模擬輸出時間。選擇1000天、1460天和7300天作為模擬輸出時間，是為了觀察鉻和鉛在地下水中的長期遷移過程。首先，通過1000天的模擬可以觀察到污染物的較早期遷移情況，以便及時采取必要的控制和干預措施。其次，在選擇1460天（4年）作為模擬輸出時間后，可以評估鉻和鉛對地下水環(huán)境長期的影響，包括遷移速率、擴散范圍等因素的演變情況。最后，選擇7300天（20年）作為第三個時間點，則能夠更全面地觀察到鉻和鉛在地下水中的遷移情況，為長期污染治理與管理提供科學依據(jù)。綜合這些不同時間點的觀察，能夠更全面地了解污染物的遷移過程，為危險廢物填埋場地下水污染的治理提供科學依據(jù)，并且?guī)椭贫ㄏ鄳?yīng)的管理策略和措施。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與影響探究

2.1 鉻遷移模擬結(jié)果

在最不利條件下，1000天、1460天、7300天后的鉻遷移模擬結(jié)果見圖3。

其中顏色越深表明鉻的濃度越高，顏色越淺表明鉻的濃度越低。根據(jù)圖4的鉻遷移模擬結(jié)果，1000天后鉻逐漸向西南方即定頭水邊界方向擴散，1460天后鉻的擴散范圍變大，7300天后擴散程度向西南方大幅擴展。

2.2 鉛遷移模擬結(jié)果

在最不利條件下，1000天、1460天、7300天后的鉛遷移模擬結(jié)果見圖4。

圖4的鉛遷移模擬結(jié)果表明，1000天后鉛同樣逐漸向西南方擴散，1460天后鉛的遷移范圍變大，7300天后鉛的遷移范圍向西南方大幅擴展。而相比鉻，可以看出鉛的遷移范圍在東西方向上明顯更小，在南北方向上則比較接近。

3 結(jié)束語

危險廢物填埋場是一種潛在的污染源，對其污染物的遷移情況實施科學地模擬，以合理預測污染物的遷移范圍及其污染物對周圍環(huán)境的影響是非常有必要的。文章根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)和水文條件，確定地下水數(shù)值模擬的范圍，并建立了非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括邊界和含水層的概化處理。之后根據(jù)概化結(jié)果進行了網(wǎng)格剖分，生成了研究區(qū)的三維網(wǎng)格模型。利用該模型和Visual Modflow軟件，模擬了鉻和鉛的遷移過程，實現(xiàn)對危險廢物填埋場地下水污染和污染物遷移的模擬。應(yīng)用文章方法對某危險廢物填埋場地下水中的鉻和鉛的遷移情況進行模擬，獲取了鉻、鉛的遷移范圍和影響范圍，取得了一定研究成果。這些研究成果對于填埋場的環(huán)境保護和治理具有重要的意義。