汪 磊，高 尚，张 路

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)



滁州市某垃圾填埋厂对地下水的污染预测

汪 磊，高 尚，张 路

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

以滁州市某固体垃圾填埋场项目为研究对象，根据地质及水文地质条件，运用Visual Modflow建立地下水水流和溶质运移的三维耦合数值模型，模拟填埋场在水平及垂直防渗层均发生破坏时，渗滤液中的Cr6+在地下水中的运移过程及范围。结果表明：在防渗层破坏的情况下，渗滤液中Cr6+运移的范围较小，对地下水造成的污染程度较弱。从模拟结果得出污染物的浓度值在模拟期结束后仍能达到《地下水质量标准》的III类标准。由此提出在安徽滁州地区对固体废物进行填埋处理的可行性，为垃圾填埋处理提供了相关理论依据。

地下水数值模型；渗滤液；垃圾填埋

城市固体垃圾填埋场在其填埋阶段及封场后都会产生渗滤液，一旦发生渗漏，渗滤液就会通过包气带进入地下水，其中所含的污染物势必会造成对区域地下水的污染[1][2]。因此，研究渗滤液中的污染物在地下水中的运移规律及过程，对于评价其对地下水环境的污染程度有着重要意义[3][4]。本文即以滁州市沙河镇超越固体废物焚烧处置填埋场工程为例，基于Modflow软件建立了地下水流和溶质运移的三维耦合数值模型，在水平防渗及垂直防渗层均破坏的条件下模拟填埋场渗滤液污染物的运移情况，评价其对地下水环境的影响程度[5]。

1 工程概况

填埋场工程位于滁州市城区以北，滁州市主要河流为清流河，为滁河境内最大支流，全长92.5 km，流经滁州市、来安县等地，其功能主要是农田灌溉、航运和工业用水等。该项目分二期进行建设，一期建设60.5亩，填埋量为27.1万 m3，服务期5.2 a；二期建设39.6亩，填埋量为40.8万 m3，服务期6.8 a。项目全部建成后，服务期12 a。该垃圾填埋场为固体废弃物的焚烧填埋场，主要污染因子为Cr6+、Pb 、Cu、Zn、As、Cr、Ni以及Hg。

根据工程勘察资料，该项目场地勘探深度内地层可分为四层，具体情况如下：

第①层填土(Q4ml)：杂色，较松散，主要由粘性土组成。该层全场分布，层厚0.20～2.50 m。

第②层粉质粘土(Q4al+pl)：该层仅在远期填埋场及围堤东侧分布，层厚4.10～7.60 m。

第③层粘土(Q4al)：该层全场分布，局部地段未揭穿，层厚0.60～7.70 m。

第④层片岩：灰黄色，风化强烈，层上部已风化成碎块状、砂状，含有云母片，下部为块状，密实状。该层全场分布，层厚2.80～3.70 m。

本区域属沿江丘陵平原水文地质区，可分为变质岩基岩裂隙含水岩组、碎屑岩基岩裂隙含水岩组、碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组及松散岩类孔隙含水岩组四个含水岩组。在中部的岗地与河谷平地大面积分布有新生界松散岩类孔隙含水层组，水位埋深2～6 m，单孔涌水量一般为小于10 m3/d。区内多年平均降水量为1 031.2 mm，降水多集中在6—8月，占年降水量的48%左右。区内地下水补给来源主要是大气降水，天然状态下项目区地下水径流方向总体为自西向东，其排泄方式主要为潜水蒸发。

2 数值模型

目前，Modflow是世界范围内被广泛使用的可视化地下水渗流模型软件包[6]，基于它的数值法已被成功应用于地下水资源评价中，也是目前世界范围内被广泛使用的可视化地下水渗流模型软件，且已有很多学者在这方面开展了较深入的分析和研究。为突出分析重点，本文仅对数值模型中的水文地质概念模型和相应的数学模型进行简单介绍。

2.1 水文地质概念模型

综合考虑填埋场所在区的补给、径流、排泄条件，计算范围以填埋场所在区附近各乡镇行政区域为界，由于研究区地势较为平坦，且所选模拟区域四周均分布有水塘，因此将模拟边界均概化为定水头边界。各含水层之间均发生水力联系，概化为非均质各向异性。模拟区顶部接受大气降雨及农业灌溉入渗的补给，概化为补给边界，同时地下水又通过其蒸发，概化为排泄边界，底部分布有较厚的粘性土层，透水性较弱，将其概化为隔水边界。根据评价区内的水文地质条件，模拟区范围的划定如图1所示，计算面积为3.6万 m2。模拟区剖面自上而下分为：(1)松散层弱透水层(组)，由全新统丰乐镇组(Q4)、上更新统下蜀组(Q3) 上段地层组成，层厚4.8～12.6 m；(2)承压含水层(组)，主要由中元古界张八岭群绢云石英片岩等变质岩系组成，该层控制厚度在9 m左右。

由于模拟区地下水开采规模小，地下水流场基本处于天然状态，水流各要素随时间发生变化，渗流基本符合达西定律，将模拟区地下水流概化为非均质各向同性非稳定三维地下水流系统[7]。

图1 模拟区边界图

2.2 数学模型

依据模拟区概化的水文地质模型，建立相应的数学模型：

式中：Ω为地下水渗流区，H为地下水水头(m)；S1为狄利克雷边界；S2为第二类型边界；kxx，kyy和kzz分别为x，y，z主方向的渗透系数(m/d)； w为源汇项，包括降水入渗补给，河流入渗补给，泵输出补给等(m3/d)；μs为贮水率(1/m)；H0(x，y，z)是初始扬程(m)；H1(x，y，z)是狄利克雷边界的初始水头(m)，和q(x，y，z)是第二类边界单位面积流量函数(m3/d)；n为边界S2上的外法线方向[8]。

本次建立的地下水溶质运移数学模型：

式中：C为地下水中组分的溶解相浓度，ml-3；θ为地层介质的孔隙度，无量纲；t为时间，T；xi为沿直角坐标系轴向的距离，L；Dij为水动力弥散系数张量，L2T-1；Vi为孔隙水平均实际流速，LT-1；qs为单位体积含水层流量，代表源和汇，L3T-1；Cs为源或汇水流中组分的浓度，ml-3；∑Rn为化学反应项，ml-3T-1。

1)初始条件。补给浓度边界处的初始浓度定为C0，其余地方均为0 mg/L，表达式如下：

2)边界条件。含水层各个边界作为第二类边界条件，且各层不发生穿越，也即

(Γ2，t>0)

式中：Г2为Neumann边界。

2.2.1 模型识别

1)地下水水位拟合。对模型求解后得到了地下水位的时空分布(见图2)。另外由于参数分区和参数初值的选取较客观的反映了模拟区的实际水文地质条件，经过反复调参，模型识别取得了较为理想的效果。

图2 地下水位的时空分布

2)水文地质参数

为了较准确地刻画评价区水文地质条件，本模型依据水文地质图及钻孔材料成果对模拟区进行了参数分区，最终得到了含水层参数。

再依据据模拟区的钻孔资料及其水文地质条件，得到模拟区的参数取值情况，如表1所示。

表1 模拟区参数取值

2.2.2 模型条件的概化

本次模拟将污染物以面源形式设定浓度边界，污染物位置按实际设计概化，重点模拟对流及弥散作用下的污染物扩散。

为了分析厂区内渗滤液中污染物随地下水的运移对周边地下水环境造成的影响，利用校正过的水流模型，选取该填埋场中对水质影响较大，且可能导致饮水安全问题的污染因子Cr6+作为代表污染物，在水平及垂直防渗层均破坏的情况下，对污染物进入地下水的过程进行预测。

即填埋场底部水平防渗层破坏，破坏面无防渗、无检漏，面源渗漏Cr6+；

模拟预测时间设定为最长20 a(包括服务期12 a，服务期满后8 a)，模拟得出污染物浓度时空变化过程，从而确定本区地下水环境的影响范围和程度。在预测计算的过程中，重点考虑污染物迁移对下游的影响，即考虑污染物对下游的污染范围和污染程度，采用污染物的时空分布形式表达。初始浓度值的确定参照前期填埋场取样的水质监测结果确定。

图3 水平方向12年末污染因子Cr6+浓度分布图

图4 水平方向20年末污染因子Cr6+浓度分布图

图5 垂直方向12年末污染因子Cr6+浓度分布图

图6 垂直方向20年末污染因子Cr6+浓度分布图

3 模型计算

该垃圾填埋场，具有水平和垂直防渗层。复合衬垫采用厚度为1.0 mm，渗透系数k≤1×10-7cm/s的高密度聚乙烯防渗膜；填埋场底部利用自然粉质粘土作为水平防渗层；垂直防渗层采用一层高密度聚乙烯薄膜，其厚度为600mm，渗透系数k≤1×10-7cm/s再加一层膨润土防水毯(GCL)延伸下方至粘土层下3 m。垂直防渗层面积约23 000 m2。本次假定填埋场发生泄漏，位置在最危险、最可能对下游其他用水户产生影响的厂区东侧。Cr6+污染物作为面源污染随地下水发生迁移。根据工程分析报告，Cr6+污染物上边界的浓度通量为3 mg/L。

使用Modflow软件，联合运行水流和溶质模型，得到Cr6+污染物运移的预测结果。该填埋场运营期为12 a，污染物泄漏第12 a以及第20 a末运移情况分别见图3～图6。

12年末水平方向上污染因子Cr6+最大运移距离为30.2 m，垂直方向最大运移距离为8.3 m，中心点浓度为5 mg/L。

20年末水平方向上污染因子Cr6+最大运移距离为41.1 m，垂直方向最大运移距离为10.2 m，中心点浓度为3 mg/L。

4 结语

(1)填埋场渗滤液泄漏后主要在弱透水层中由弥散作用向四周扩散，其次缓慢向下渗漏。在防渗层破坏的情况下，由于填埋场底部粘土层的防污性能为中等，泄漏后污染物会缓慢渗入岩溶含水层，但模拟结果表明污染物的浓度值在模拟期结束后仍能达到《地下水质量标准》的III类标准[10]。

(2)填埋场在服务期满后其渗滤液污染物的水平运移范围仍较小，且未超出厂区远期规划范围。

(3)本次模拟计算的相关参数取值较保守，并没有考虑土壤阻滞、生化降解等因素。因此，预测的结果理论上均偏大。尽管如此，在防渗层均破坏的情况下，渗滤液污染物水平及垂直运移范围均较小。由此，该填埋场所产生的渗滤液对当地地下水环境的影响较小。

[1]马志飞, 安达, 姜永海,等. 某危险废物填埋场地下水污染预测及控制模拟[J].环境科学.2012, 33(1):64-70.

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[3]李建萍, 李绪谦, 王存政,等. 垃圾填埋场对地下水污染的模拟研究[J].环境工程学报.2004, 5(11):60-64.

[4]Huang Juan, 黄娟, Wang Huizhong,等. 垃圾填埋场渗滤液处理技术及示范工程研究[C]// 江苏省环境科学研究院青年科技论坛. 2008.

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Pollution Prediction of Groundwater in a Landfill in Chuzhou City

WANG Lei, GAO Shang, ZHANG Lu

(College of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 23009, China)

Based on geological and hydrogeological conditions, a three-dimensional coupled numerical model of groundwater flow and solute transport was established by using Visual Modflow in a solid waste landfill project in Chuzhou City. The effects of landfill on horizontal and vertical impervious layer The migration process and range of Cr6+in the leachate during the destruction occurred in groundwater. The results show that the range of Cr6+migration in the leachate is small and the degree of pollution caused by groundwater is weak. standard of 《groundwater quality standard》after the end of the simulation period. The feasibility of landfill disposal in Chuzhou area of Anhui Province is put forward, which provides the relevant theoretical basis for landfill disposal.

groundwater numerical model; leachate; landfill

2017-01-16

汪磊(1991-)，男，安徽安庆人，在读硕士研究生，主攻方向：水文水资源。

X523

B

1004-1184(2017)03-0069-03