固體危險廢物填埋場(chǎng)地下水環(huán)境影響數值模擬與評價(jià)

摘要：本文以東營(yíng)某固體危險廢物處置中心項目為例，分析了非正常工況持續泄露條件下固體危險廢物填埋場(chǎng)滲濾液中Cd在地下水中的遷移規律。一旦發(fā)生事故，滲濾液將會(huì )通過(guò)第包氣帶滲入至地下水中，從而造成地下水污染，使地下水水質(zhì)惡化。經(jīng)預測事故狀態(tài)下，對孔隙水影響有一定影響，影響范圍較小。從水平方向看對于第一及第二模擬層，持續泄漏發(fā)生后，地下水污染中心濃度均逐步升高，污染面積逐步擴大。從垂直方向看第一及第二模擬層受污染物影響較大，第三模擬層未受到污染物影響，可見(jiàn)隨著(zhù)深度的增加，受污染物影響逐漸減小。

關(guān)鍵詞：危險廢物；地下水；數值模擬

近年來(lái)隨著(zhù)國家環(huán)渤海經(jīng)濟區構架的建立與發(fā)展，渤海沿岸各城市大力發(fā)展新材化工、醫藥、電子等行業(yè)。這些行業(yè)在帶動(dòng)當地經(jīng)濟高速發(fā)展的同時(shí)，在生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì )產(chǎn)生大量的危險廢物。目前填埋是處理這些廢物主要方式之一。但填埋階段會(huì )產(chǎn)生滲濾液,而一旦發(fā)生滲漏,會(huì )對當地地下水產(chǎn)生污染風(fēng)險。本文以東營(yíng)某固體危險廢物處置中心項目為例，分析項目建設對當地地下水環(huán)境的影響。

1 研究區概況

1.1 項目概況

本次論文的研究依托于東營(yíng)市固體危險廢物處置中心項目，該項位于東營(yíng)市東南部。本項目整個(gè)工藝流程包括了本項目包括廢物收集、運輸、計量、貯存；物化處置系統；安全填埋處置系統。通過(guò)對項目工藝流程的分析，該項目可能對周?chē)叵滤h(huán)境造成影響的污染物為填埋產(chǎn)生滲濾液。

1.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)

1.2.1 地層巖性

根據項目區巖土工程勘察報告，從工程地質(zhì)的角度將場(chǎng)區勘察深度范圍內的地基土自上而下分為7層。分別為：

①1層素填土（Q4ml）：黃褐色，以粉土為主，濕，松散。場(chǎng)區普遍分布，厚度：0.40～0.70m，平均0.53m；②2層粉土（Q4al+pl）：黃褐色或褐黃色，濕，中密-密實(shí)。相近粉砂，局部夾薄層粉砂或粉質(zhì)黏土。場(chǎng)區普遍分布，厚度：2.50～5.20m，平均3.63m；③3層粉土（Q4al+pl）：黃褐色或灰褐色，濕，中密-密實(shí)。相近粉砂，局部夾薄層粉砂或粉質(zhì)黏土。僅在北地塊場(chǎng)區普遍分布，南地塊場(chǎng)地缺失該層，厚度：2.80～5.60m，平均4.07m；④4層粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色，可塑。場(chǎng)區普遍分布，厚度：7.10～12.20m，平均10.09m；⑤5層粉土（Q4al+pl）：黃褐色或灰褐色，濕，密實(shí)。相近粉砂，局部夾粉砂。場(chǎng)區普遍分布，厚度：2.40～7.50m，平均4.79m；⑥6層粉土（Q4al+pl）：黃褐色或灰褐色，濕，密實(shí)。近粉質(zhì)黏土，局部夾薄層粉質(zhì)黏土和6-1層粉砂透鏡體，揭露厚度6.80m；⑦6-1層粉砂（Q4al+pl）：黃褐色，飽和，中密～密實(shí)，成分以石英、長(cháng)石為主，夾于第6層粉土中，分布無(wú)規律。

1.2.2 水文地質(zhì)

工作區位于清南區沖海積平原咸水水文地質(zhì)亞區中的“上咸下淡”孔隙水水文地質(zhì)小區I5-1小區。區域地下水類(lèi)型主要有第四系松散巖類(lèi)孔隙水。根據埋藏條件分為淺層地下水和深層地下水。

2 地下水數值模擬

按《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）的要求，采用地下水數值法進(jìn)行地下水評價(jià)。首先建立地下水系統的概念模型。在地下水系統概念模型的基礎上再建立地下水流、水質(zhì)數學(xué)模型，最終建立數值模型。本次利用數值模擬分析，借用GMS計算求解模型。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 含水層概化

地層分析可知，評價(jià)區含水層巖性主要為粉土，局部夾粉砂。粉質(zhì)粘土層構成相對弱透水層。依據地層巖性，將評價(jià)區地層概化為3層。第1層為潛水含水層，包括工程地質(zhì)分層的1層素填土、2層與3層粉土；第2層為粉質(zhì)黏土相對弱透水層；第3層為承壓水含水層，包括工程地質(zhì)分層的5層、6層粉土與6-1層粉砂。第四系孔隙水是地下水環(huán)境影響預測與評價(jià)模擬的目標。

2.1.2 邊界條件

水文地質(zhì)概念模型邊界條件由評價(jià)區具體的水文地質(zhì)條件確定。評價(jià)區位于沖積平原，區域地下水由陸地向沿海呈北北東方向徑流，水力坡度小。評價(jià)區邊界主要依據區域地下水流場(chǎng)劃定。評價(jià)區南邊界與北邊界均由地下水等水位線(xiàn)確定，為給定水頭邊界；西邊界為垂直于等水位線(xiàn)邊界，為零流量邊界；東邊界北部及南端為垂直于等水位線(xiàn)的零流量邊界，東邊界南部主要為水庫邊界，水庫常年有水，為給定水頭邊界（圖1）。

圖1 水文地質(zhì)概念模型邊界條件及源匯項概化

2.1.3 源匯項

模型源匯項根據評價(jià)區實(shí)際水文地質(zhì)條件概化，見(jiàn)圖1。評價(jià)區補給項主要為大氣降水入滲補給、地下水側向徑流補給，排泄項主要為側向徑流排泄、蒸發(fā)排泄。

①降水入滲補給：評價(jià)區孔隙水接受降水入滲補給。降水量分布在時(shí)間上有相對的不均一性，即年際差異，而多年平均降水量則相對恒定，采用多年平均降水量乘以降水入滲補給系數，得到模型降水入滲補給量。降水入滲補給分布的空間不均勻性用降水入滲分區概化處理，全區概化為幾個(gè)降水入滲強度不同的小區，各小區的入滲補給強度，根據包氣帶巖性、潛水位埋深、地形、植被等給出估計初值，經(jīng)模型調試識別后確定；②側向徑流補給：評價(jià)區南邊界側向徑流補給強度依據給定水頭邊界，通過(guò)模型含水層滲透系數、地下水水力坡度等計算初始值，最終經(jīng)模型調參識別后確定補給量；③側向徑流排泄：評價(jià)區北邊界側向徑流排泄強度依據給定水頭邊界，通過(guò)模型含水層滲透系數、地下水水力坡度等計算初始值，經(jīng)模型調參識別后確定排泄量；④蒸發(fā)排泄：在評價(jià)區地下水位埋深小于6m的地段存在蒸發(fā)排泄，由模型模擬模塊確定蒸發(fā)量；⑤溶質(zhì)運移污染物：本次溶質(zhì)運移模擬以特征污染物Cd為模擬運移物質(zhì)；⑥污染源：污染源水量按其可能進(jìn)入含水層的水量確定，污染物濃度根據工程分析部分給出的濃度確定。

2.1.4 水文地質(zhì)參數

評價(jià)區孔隙含水層的巖性在空間分布上有一定差異，為非均質(zhì)層，其非均質(zhì)性用參數（K、μ）分區概化處理。根據本次巖土工程勘察報告的推薦值給定各水文地質(zhì)參數初始值，依據調查得到的水位觀(guān)測值與地下水流場(chǎng)進(jìn)行調參，直至水流模型模擬的結果與實(shí)際情況相符。主要水文地質(zhì)參數的調參結果為：

含水層：水平滲透系數K：0.7～1.5 m/d；縱向彌散度：7～10 m；有效孔隙度：0.25～0.27。

弱透水層：水平滲透系數K：0.1～0.3 m/d；縱向彌散度：4～8 m；有效孔隙度：0.15～0.20。

溶質(zhì)模型是以水流模型為基礎建立的，溶質(zhì)模型水文地質(zhì)條件的概化與所建立的水流模型一致。本次溶質(zhì)運移模型模擬區的范圍、含水層結構、邊界類(lèi)型劃分、源匯項的概化等均與水流模型一致，流體概化為不可壓縮的均質(zhì)流體，粘度和密度均為常數。

2.2 地下水流數值模擬

2.2.1 模型網(wǎng)格剖分

評價(jià)區剖分采用5×5m網(wǎng)格。模型共剖分1124行，1206列，共計3層，活動(dòng)單元格總計2888432個(gè)。

2.2.2 模擬程序包

模型降水入滲面狀補給采用Recharge子程序包、水頭邊界采用Specified Head子程序包、地下水蒸發(fā)采用ETS子程序包、污染源水量采用Well子程序包、污染源濃度采用Specified Conc. 子程序包。

2.2.3 模型識別與驗證

模型的識別和驗證主要遵循以下原則：

①模擬的地下水流場(chǎng)符合實(shí)際地下水流場(chǎng)情況；②從均衡的角度出發(fā)，模擬的地下水均衡變化與客觀(guān)條件基本相符；③識別的水文地質(zhì)參數符合客觀(guān)水文地質(zhì)條件。

模型參數識別、驗證過(guò)程并不僅僅是相對獨立的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)有機的統一整體。通過(guò)多次模型參數識別、驗證，才能正確掌握評價(jià)區的水文地質(zhì)條件。模型參數識別以地下水流場(chǎng)為基礎，參考本次實(shí)際野外工作獲取的水文地質(zhì)參數，進(jìn)行Pest自動(dòng)調參及人工識別，依據實(shí)際水文地質(zhì)條件進(jìn)行檢驗。

評價(jià)區實(shí)測與模型模擬的地下水流場(chǎng)見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，模擬的地下水流場(chǎng)與實(shí)測地下水位流場(chǎng)基本一致，擬合效果好。模型識別的結果符合評價(jià)區的實(shí)際水文地質(zhì)條件，可用于評價(jià)區的地下水環(huán)境影響預測與評價(jià)。

2.3 地下水溶質(zhì)運移模擬

2.3.1 污染源分析

本次固體廢物處置中心項目污染預測的污染源，為項目廢水滲漏可能發(fā)生且會(huì )帶來(lái)嚴重污染的填埋場(chǎng)滲濾液。評價(jià)的污染源位置為危險廢物填埋場(chǎng)，污染物為Cd，污染物Cd濃度為0.64（mg/L）。

2.3.2 污染物泄漏情景設置

本項目地下水污染物泄漏模式持續泄漏模式，設置泄漏發(fā)生在填埋場(chǎng)，依據本項目工程分析，填埋場(chǎng)滲濾液的流量為45 m3/d，設置滲濾液流量的5%發(fā)生泄漏進(jìn)入潛水含水層，即泄漏流量為2.25 m3/d。本項目地下水的污染過(guò)程主要是污染物持續泄漏，泄漏的污染物在重力作用下進(jìn)入地下水，造成局部的地下水環(huán)境受到污染，并隨地下水徑流擴散，導致地下水污染范圍擴大。

2.3.3 模擬條件概化

本次模擬將污染源設定為流量與濃度邊界，污染源位置按設計概化。

由于污染物在地下水系統中的遷移轉化過(guò)程十分復雜，包括擴散吸附、化學(xué)與生物降解等作用。本次預測本著(zhù)風(fēng)險最大原則，在模擬污染物擴散時(shí)不考慮吸附作用、化學(xué)反應等因素，重點(diǎn)了地下水的對流彌散作用。

2.3.4 溶質(zhì)運移模擬預測

非正常工況下，項目滲濾液部分進(jìn)入含水層。假定全部滲濾液瞬時(shí)進(jìn)入潛水含水層地下水，不考慮松散巖層包氣帶的阻滯作用。

在溶質(zhì)運移模型中，滲漏點(diǎn)設為定濃度補給邊界，通過(guò)Specified Conc.功能來(lái)實(shí)現。利用MODFLOW和MT3DMS軟件包，聯(lián)合運行水流和溶質(zhì)模型得到各污染物擴散預測結果[4]。導則規定地下水環(huán)境影響預測時(shí)段應選取可能產(chǎn)生地下水污染的關(guān)鍵時(shí)段，為能反映特征因子遷移規律的重要時(shí)間節點(diǎn)，其中應包括滲漏發(fā)生后的100d、1000d。分析本次非正常工況下，污染物在地下水中的濃度分布及變化情況，確定本次預測時(shí)間點(diǎn)主要為污染物滲漏后的第100d、1000d，另依據各污染物在地下水中的具體污染濃度變化情況，相應延長(cháng)預測時(shí)間。

圖4 弱透水層Cd污染運移分布圖

地下水環(huán)境影響預測主要按《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848-2017）中Ⅲ類(lèi)標準等，Cd的標準限值為0.005mg/L。

填埋場(chǎng)持續泄漏情況下，第一模擬層潛水含水層與第二模擬層弱透水層Cd第100d、1000d污染平面運移狀況見(jiàn)圖3、圖4。第三模擬層承壓水含水層在第100 d、1000 d均未超過(guò)0.005 mg/L的標準。

圖3 潛水含水層Cd污染運移分布圖

Cd在各典型預測時(shí)段的污染分布中心濃度、污染中心遷移距離及超Ⅲ類(lèi)污染面積見(jiàn)表1、表2。由表及圖可見(jiàn)，對于第一及第二模擬層，持續泄漏發(fā)生后，地下水污染中心濃度均逐步升高，污染面積逐步擴大。

表1 潛水含水層Cd污染預測統計表

表2 弱透水層Cd污染預測統計表

泄漏發(fā)生100 d、1000 d后，泄漏點(diǎn)南北方向的Cd污染運移剖面圖見(jiàn)圖5。

3 結論

通過(guò)數值模擬得出持續泄露100d第一模擬層潛水含水層中心濃度為0.436mg/l，超Ⅲ類(lèi)污染面積1078m2，持續泄露1000d潛水含水層中心濃度為0.597mg/l，超Ⅲ類(lèi)污染面積5740m2.；100d第二模擬層弱透水層中心濃度為0.021mg/l，超Ⅲ類(lèi)污染面積78m2，持續泄露1000d潛水含水層中心濃度為0.215mg/l，超Ⅲ類(lèi)污染面積2640m2.。持續泄漏發(fā)生后，地下水污染中心濃度均逐步升高，污染面積逐步擴大。同時(shí)隨著(zhù)深度的增加，受污染物影響逐漸減小。