固體危險廢物填埋場地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬與評價

摘要：本文以東營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(xù)泄露條件下固體危險廢物填埋場滲濾液中Cd在地下水中的遷移規(guī)律。一旦發(fā)生事故，滲濾液將會通過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(yù)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(xù)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，可見隨著深度的增加，受污染物影響逐漸減小。

關(guān)鍵詞：危險廢物；地下水；數(shù)值模擬

近年來隨著國家環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)構(gòu)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(yī)藥、電子等行業(yè)。這些行業(yè)在帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時，在生產(chǎn)過程中不可避免地會產(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。但填埋階段會產(chǎn)生滲濾液,而一旦發(fā)生滲漏,會對當(dāng)?shù)氐叵滤a(chǎn)生污染風(fēng)險。本文以東營某固體危險廢物處置中心項目為例，分析項目建設(shè)對當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 項目概況

本次論文的研究依托于東營市固體危險廢物處置中心項目，該項位于東營市東南部。本項目整個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(tǒng)；安全填埋處置系統(tǒng)。通過對項目工藝流程的分析，該項目可能對周圍地下水環(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(jù)項目區(qū)巖土工程勘察報告，從工程地質(zhì)的角度將場區(qū)勘察深度范圍內(nèi)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。場區(qū)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。相近粉砂，局部夾薄層粉砂或粉質(zhì)黏土。場區(qū)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。相近粉砂，局部夾薄層粉砂或粉質(zhì)黏土。僅在北地塊場區(qū)普遍分布，南地塊場地缺失該層，厚度：2.80～5.60m，平均4.07m；④4層粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：黃褐色，可塑。場區(qū)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。相近粉砂，局部夾粉砂。場區(qū)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。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，成分以石英、長石為主，夾于第6層粉土中，分布無規(guī)律。

1.2.2 水文地質(zhì)

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

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

按《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）的要求，采用地下水?dāng)?shù)值法進(jìn)行地下水評價。首先建立地下水系統(tǒng)的概念模型。在地下水系統(tǒng)概念模型的基礎(chǔ)上再建立地下水流、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，最終建立數(shù)值模型。本次利用數(shù)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，評價區(qū)含水層巖性主要為粉土，局部夾粉砂。粉質(zhì)粘土層構(gòu)成相對弱透水層。依據(jù)地層巖性，將評價區(qū)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(yù)測與評價模擬的目標(biāo)。

2.1.2 邊界條件

水文地質(zhì)概念模型邊界條件由評價區(qū)具體的水文地質(zhì)條件確定。評價區(qū)位于沖積平原，區(qū)域地下水由陸地向沿海呈北北東方向徑流，水力坡度小。評價區(qū)邊界主要依據(jù)區(qū)域地下水流場劃定。評價區(qū)南邊界與北邊界均由地下水等水位線確定，為給定水頭邊界；西邊界為垂直于等水位線邊界，為零流量邊界；東邊界北部及南端為垂直于等水位線的零流量邊界，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(jù)評價區(qū)實際水文地質(zhì)條件概化，見圖1。評價區(qū)補給項主要為大氣降水入滲補給、地下水側(cè)向徑流補給，排泄項主要為側(cè)向徑流排泄、蒸發(fā)排泄。

①降水入滲補給：評價區(qū)孔隙水接受降水入滲補給。降水量分布在時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(shù)，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(qū)概化處理，全區(qū)概化為幾個降水入滲強度不同的小區(qū)，各小區(qū)的入滲補給強度，根據(jù)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(diào)試識別后確定；②側(cè)向徑流補給：評價區(qū)南邊界側(cè)向徑流補給強度依據(jù)給定水頭邊界，通過模型含水層滲透系數(shù)、地下水水力坡度等計算初始值，最終經(jīng)模型調(diào)參識別后確定補給量；③側(cè)向徑流排泄：評價區(qū)北邊界側(cè)向徑流排泄強度依據(jù)給定水頭邊界，通過模型含水層滲透系數(shù)、地下水水力坡度等計算初始值，經(jīng)模型調(diào)參識別后確定排泄量；④蒸發(fā)排泄：在評價區(qū)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(jù)工程分析部分給出的濃度確定。

2.1.4 水文地質(zhì)參數(shù)

評價區(qū)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(shù)（K、μ）分區(qū)概化處理。根據(jù)本次巖土工程勘察報告的推薦值給定各水文地質(zhì)參數(shù)初始值，依據(jù)調(diào)查得到的水位觀測值與地下水流場進(jìn)行調(diào)參，直至水流模型模擬的結(jié)果與實際情況相符。主要水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)參結(jié)果為：

含水層：水平滲透系數(shù)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(shù)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(chǔ)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(qū)的范圍、含水層結(jié)構(gòu)、邊界類型劃分、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(shù)。

2.2 地下水流數(shù)值模擬

2.2.1 模型網(wǎng)格剖分

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

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

模型參數(shù)識別、驗證過程并不僅僅是相對獨立的過程，整個過程是一個有機的統(tǒng)一整體。通過多次模型參數(shù)識別、驗證，才能正確掌握評價區(qū)的水文地質(zhì)條件。模型參數(shù)識別以地下水流場為基礎(chǔ)，參考本次實際野外工作獲取的水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行Pest自動調(diào)參及人工識別，依據(jù)實際水文地質(zhì)條件進(jìn)行檢驗。

評價區(qū)實測與模型模擬的地下水流場見圖2。由圖可見，模擬的地下水流場與實測地下水位流場基本一致，擬合效果好。模型識別的結(jié)果符合評價區(qū)的實際水文地質(zhì)條件，可用于評價區(qū)的地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價。

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(yù)測的污染源，為項目廢水滲漏可能發(fā)生且會帶來嚴(yán)重污染的填埋場滲濾液。評價的污染源位置為危險廢物填埋場，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(shè)置

本項目地下水污染物泄漏模式持續(xù)泄漏模式，設(shè)置泄漏發(fā)生在填埋場，依據(jù)本項目工程分析，填埋場滲濾液的流量為45 m3/d，設(shè)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程主要是污染物持續(xù)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(dǎo)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(shè)定為流量與濃度邊界，污染源位置按設(shè)計概化。

由于污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜，包括擴散吸附、化學(xué)與生物降解等作用。本次預(yù)測本著風(fēng)險最大原則，在模擬污染物擴散時不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點了地下水的對流彌散作用。

2.3.4 溶質(zhì)運移模擬預(yù)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，滲漏點設(shè)為定濃度補給邊界，通過Specified Conc.功能來實現(xiàn)。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(yù)測結(jié)果[4]。導(dǎo)則規(guī)定地下水環(huán)境影響預(yù)測時段應(yīng)選取可能產(chǎn)生地下水污染的關(guān)鍵時段，為能反映特征因子遷移規(guī)律的重要時間節(jié)點，其中應(yīng)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(yù)測時間點主要為污染物滲漏后的第100d、1000d，另依據(jù)各污染物在地下水中的具體污染濃度變化情況，相應(yīng)延長預(yù)測時間。

圖4 弱透水層Cd污染運移分布圖

地下水環(huán)境影響預(yù)測主要按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-2017）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)等，Cd的標(biāo)準(zhǔn)限值為0.005mg/L。

填埋場持續(xù)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0.005 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 潛水含水層Cd污染運移分布圖

Cd在各典型預(yù)測時段的污染分布中心濃度、污染中心遷移距離及超Ⅲ類污染面積見表1、表2。由表及圖可見，對于第一及第二模擬層，持續(xù)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(yù)測統(tǒng)計表

表2 弱透水層Cd污染預(yù)測統(tǒng)計表

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

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬得出持續(xù)泄露100d第一模擬層潛水含水層中心濃度為0.436mg/l，超Ⅲ類污染面積1078m2，持續(xù)泄露1000d潛水含水層中心濃度為0.597mg/l，超Ⅲ類污染面積5740m2.；100d第二模擬層弱透水層中心濃度為0.021mg/l，超Ⅲ類污染面積78m2，持續(xù)泄露1000d潛水含水層中心濃度為0.215mg/l，超Ⅲ類污染面積2640m2.。持續(xù)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。同時隨著深度的增加，受污染物影響逐漸減小。