许真,张明山,张雄,王红娜

(1.四川省天晟源环保股份有限公司,四川 成都 610722;2.成都酉辰绿蓝环保科技有限公司,四川 成都 610722)

近年来,我国社会经济的高速发展,伴随而来的有地下水环境的压力,同时也导致地下水污染问题。且与地表水相比,地下水环境污染问题有很强的隐蔽性,一般红层地区地下水运移速度比较缓慢,一旦受污染,地下水的治理、恢复的难度都将极大[1]。

垃圾填埋场由于长期堆积,可能导致前期防渗措施存在破损,另外垃圾渗滤液处理设施如若不全面,渗滤液随地下径流进入周围地下水体,会对周边的地下水环境污染。此外垃圾填埋场形成的渗滤液成分复杂,一般情况下其氨氮、化学需氧量浓度较高,对区域地下水环境的影响非常大[2]。

本次研究对象为红层地区某历史生活垃圾填埋场,在充分研究其水文地质条件的基础上,运用解析法模型预测地下水环境状况。在设定的事故工况下,对垃圾填埋场渗滤液收集池进行污染物溶质运移的解析解模拟,研究污染物在地下水环境中的迁移转化规律。

1 研究区概况

1.1 垃圾填埋场基本情况

本次研究垃圾填埋场于1996年开始建成投用,2010年停用并封场,研究垃圾填埋场占地30亩,库容约30万m3,堆存垃圾量约40万t。本次调查的红层区生活垃圾填埋场属于非标准垃圾填埋场,根据现场调查可知本次垃圾填埋场底部防渗不到位、其渗滤液收集后未规范化处理。

1.2 地质环境背景条件

1.2.1 地层岩性

研究区内出露的地层为侏罗系蓬莱镇组(J3p)、白垩系下统苍溪组(K1c)、白龙组(K1b)、七曲寺组(K1q)和第四系残坡积物、崩坡积物(Q4dl+e1)[3]。

现由老到新简述如下:

1)侏罗系蓬莱镇组(J3p):为紫色的泥岩、粉砂岩夹浅灰色的页岩,由泥岩、砂岩形成韵律层。该组底部是块状的厚层石英砂岩。该组下部是红色的长石砂岩,部分层位夹有透镜体。

2)白垩系下统苍溪组(K1c):青灰色块状中细粒长石石英砂岩夹砖红色泥岩、粉砂质泥岩,砂岩占比为30%～40%,局部层位还存在钙质胶结,单层厚度一般在12～38 m,自上而下砂岩层的厚度呈现由薄变厚的规律,其厚度一般大于280 m。

3)白垩系下统白龙组(K1b):青灰色厚层细粒长石石英砂岩与砖红色泥岩互层。该组下部的砂岩层厚较厚。

4)白垩系下统七曲寺组(K1q):紫色泥岩、砂质泥岩夹砖红色厚层状细粒岩屑砂岩,该组底部是青灰色块状的长石石英砂岩,出露厚度大于100 m。

5)第四系残坡积层(Q4el+dl):以黄褐色粘土为主,夹大量页岩、砂岩碎屑及碎块,厚0～1.0 m。主要分布于山麓平缓斜坡、凹地及沟谷地带。

1.2.2 地质构造

研究区域位于四川盆地东北边缘,地处东经105°43′～106°28′,北纬31°37′～32°10′。研究区内无断裂构造,以北东或北东东向的宽缓褶皱为主,主要有:新场向斜、新观背斜、苍溪向斜。从区域角度分析,并用苍溪向斜作为边界,其西北为川西褶皱带,其东南为川中褶皱带。区域内褶皱平缓,北部以倾向南东的单斜形态为构造特征,岩层倾角自北而南逐渐减缓[4],由6°～11°渐变过渡为2°～4°。本次垃圾填埋场所在地处在苍溪向斜南璇,区域构造秘定性良好。

1.2.3 地貌特征

研究区地处嘉陵江左岸、严家河沟左岸,总体地势东南侧高西北侧低,场地内最高点位于垃圾场外侧山脊,海拔标高400 m,最低点位于垃圾场外西北侧沟谷,海拔标高330 m,相对高差约70 m,地形坡度一般5°～30°,局部较陡。

1.3 水文地质条件

1.3.1 地下水类型

研究区地下水按赋存空间、埋藏条件可划分第四系松散岩类孔隙潜水,侏罗系、白垩系碎屑岩类裂隙水两类[3]。

第四系松散岩类孔隙潜水埋藏浅,一般0.6～3.4 m,水量中等,主要赋存于河流两侧的阶地中,单井涌水量100～500 m3/d。主要接受大气降水补给,除洪水期外,地下水一般补给河水。主要以民井或泉的形式排泄。径流途径短,具有就近补给和就近排泄的特点。

研究区大部分地区构造微弱,侏罗系、白垩系碎屑岩类岩层缓倾,角度在3°～7°,在长期的地质作用中形成了较为稳定的风化带,风化带内较发育的裂隙系统为地下水提供了储集空间,而下部未风化的岩体又起到了相对隔水的作用,地下水赋存条件较好。风化带含水层底界深度一般在20～25 m,风化带以下含水性微弱。侏罗系、白垩系碎屑岩类裂隙水主要分布在研究区东部、东南部区域,岩层裂隙发育一般,透水性差,出水量一般<50 m3/d,富水性弱。

1.3.2 含水岩组

1)第四系松散岩类孔隙含水岩组。在研究区内主要分布在区域西北部坳沟处,呈零星分布态,富水性较贫乏,含水层厚度较薄,厚度一般在2.4～8.9 m,主要岩性为粉土、粉质粘土,结构密实,透水性弱,富水性弱,含水贫乏,渗透系数K一般为0.15 m/d,单井涌水量10～20 m3/d。含水层厚度和粒度的变化控制其富水性。

2)红层裂隙含水岩组。该岩组研究区内广泛出露,局部分布于第四系地层之下,主要岩性为红色、暗紫红色泥质砂岩、砂质泥岩,水量贫乏的(小于100 m3/d),渗透系数K为0.017 m/d,水位埋深7.3～23.8 m。泥岩柔性大塑性强,构造裂隙常不发育,由于其抗风化能力弱,具失水开裂特征,利于形成浅表风化裂隙,虽然裂隙微细短小,但互相穿插切割形成密集网状裂隙带,构成风化裂隙含水层。含水层的厚度与风化带发育深度有关,而风化带的发育深度又与地层岩性、地质构造、地形地貌等因素有关。沟谷区因上部覆盖有残坡积、洪积物,风化带保存较好,厚度较大;而谷坡区易被侵蚀,风化带则较薄。

1.3.3 地下水补径排条件

研究区内地下水主要补给来源有为大气降水入渗,大气降水的降水方式、强度及年内、年际变化对地下水补给量具有重大影响。地下水补给与地形地貌密切相关。研究区地形起伏较大,大气降水部分形成地表径流汇入严家沟河中,另一部分入渗补给地下水。

第四系松散岩类孔隙水:主要分布在研究区西北部,呈窄条状分布,地表多为粉质粘土、碎石土,垂向渗透性一般,主要接受大气降水及田水补给,以隐渗形式排泄地表。

红层碎屑岩类裂隙孔隙水:分布于研究区东部及东南部,岩性由红色、暗紫红色泥质砂岩、砂质泥岩组成,表部孔隙度较小,易受风化,地下水交替作用缓慢。地下水经大气降水补给后,在一定深度范围内呈顺坡或水平运动,以散流或泉的形式排泄于溪沟部位。浅层基岩裂隙水在水文地质单元内接受大气降水补给,顺地势向沟谷径流,由各短沟径流至严家沟。

排泄方式主要包括河流排泄、人工开采、侧向径流等,以河流排泄为主。

1.3.4 地下水水化学特征

研究区内浅层地下水pH值变化范围在6.74～8.6,地下水水化学类型主要以HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca型为主,溶解性总固体在0.37～1.13 g/L。

1.3.5 地下水流场及动态特征

1.3.5.1 地下水流场特征

研究区位于低山丘陵山间沟谷,地下水类型主要包括第四系孔隙水和基岩裂隙水,地下水径流主要受地形地貌控制,流向与地形总体坡向基本一致,总体地下水流场方向自南东向北西,第四系孔隙水地下水埋深约为0.3～1.7 m,基岩裂隙含水层地下水水位平均埋深3～7 m,渗透系数K为0.045 3 m/d,弥散系数2.75×10-4cm2/s。

1.3.5.2 动态特征

本次研究区地下水动态与灌溉、地表水、降雨有密切联系。主要受前述补给、径流和排泄条件的控制,在不同地貌部位,不同岩性结构地段,地下水动态变化的主导因素亦有不同。地下水交替作用强烈,地下水水位埋藏较浅,其动态变化受季节、降雨的控制明显,水位年变幅在1.2～2.7 m,地下水近似垂直河流运动,水力坡度0.14。

1.3.6 水文地质试验

1.3.6.1 注水试验

现场通过4组钻孔注水试验,求取了区内覆盖层和砂质泥岩的渗透系数,渗透系数统计表如表1所示。

表1 钻孔注水试验计算渗透系数统计表

钻孔注水试验测得第四系粉土渗透系数K为0.109～ 0.172 m/d,平均0.142 m/d,厚度一般0.5～2 m,包气带防污性能一般,该地层的渗透系数建议值为0.15 m/d。

1.3.6.2 压水试验

钻进过程中压水试验随钻孔深度自上而下用单栓塞分段隔离进行,由于试验段深度一般小于20 m,压力表最大压力P3取0.3 MPa,本次试验每段长度小于5 m,求取了区内下伏岩层的渗透系数,渗透系数统计表见表2。

表2 压水试验成果统计表

根据本次压(注)水试验和类比相似场地,砂质泥岩的渗透系数建议值为0.016 m/d。

1.3.6.3 抽水试验

本次研究在监测井钻孔中进行的抽水试验均为单孔稳定流抽水试验。由于研究区浅层含水层富水性较差,单井出水量小,因此,使用1.5 m3/h的水泵,采用1次降深进行稳定流抽水试验,抽水稳定时间按规范要求稳定24 h,水位、水量同步进行观测,并根据试验结果进行了稳定流水文地质参数计算,确定了试验区含水层的水文地质参数K值。潜水层抽水试验成果统计表见表3。潜水非完整井:

表3 潜水层抽水试验成果统计表

式中:K—含水层渗透系数(m/d);R—影响半径(m);S—抽水孔降深值(m);Q—抽水井涌水量(m3/d);H—潜水含水层厚度(m);l—有效进水长度(m);rw—抽水孔半径(m)。

1.4 地下水环境现状

本次地下水环境现状调查共设置地下水水质监测点位3个,地下水水位监测点位8个。

地下水监测指标主要包括:pH值、总硬度、溶解性总固体、挥发性酚类、耗氧量、氨氮、氯化物、硫酸盐、硝酸盐(以N计)、亚硝酸盐(以N计)、汞、镉、铁、砷、铜、锌、锰等共计16项。

监测结果显示研究区内1#地下水监测井和2#地下水监测井所测指标中,挥发性酚类、耗氧量均出现超标情况,以挥发性酚类最为严重,最大超标倍数为9.6;3#地下水监测井所测指标中氯化物、氨氮、挥发酚、耗氧量、溶解性总固体等指标均出现超标现象,挥发性酚类的最大超标倍数为18.75。

2 地下水环境影响预测

目前垃圾填埋场已简易封场,项目在后期运行过程中出现非正常情况时,渗滤液收集池污水会下渗流入含水层。垃圾填埋场所在区域水文地质单元界线明显,垃圾填埋场东侧、南侧及西侧以地下水分水岭为界,北侧以严家沟河流为界,地下水环境影响评价范围约0.11 km2。

2.1 解析法预测模型

2.1.1 模型选择

地下水预测分析主要进行饱和带污染物迁移预测,本次垃圾填埋场地处红层丘陵区,地下水沿轴向西北径流至严家沟河水系,而溶质随地下水流进行运动。渗滤液收集池发生渗漏的情形下,可视为平面连续点源的一维稳定流动二维水动力弥散[5]。本次渗滤液收集池废水渗漏对区域地下水预测的模型,视地下水平行方向流动为x轴的正方向,则垃圾填埋场渗滤液收集池周边地下水污染物浓度分布模型如下:

2.1.2 水文地质条件的概化

根据研究区水文地质情况和解析模型的适用条件,本次将该模型的水文地质条件概化为:含水层厚度均一,水平方向为均质各向同性,含水层水平均匀展布,向四周无限延伸。

2.1.3 污染源概化

根据污染源的排放形式和排放规律可以将其概化为连续恒定排放的点源污染源。在预测评价中考虑最不利的工程状况,含水层的各项水文地质参数选取较不利的情况,不考虑包气带的截留,以便于对垃圾填埋场渗滤液收集池渗漏的污染做出最大化的评估预测。

2.2 模型参数选取

1)含水层平均有效孔隙度n:研究区地下水含水层主要为白垩系下统苍溪组砂岩、砂泥岩组,岩性为灰～青灰砂岩、紫红色砂质泥岩,考虑含水层岩性特征,本次综合有效孔隙度约0.12。

2)渗透系数K:根据对研究区内典型钻孔进行的水文地质抽水试验数据,本文取K=0.045 m/d。

3)地下水流速u:渗透系数取0.045 m/d,水力坡度约0.14,根据地下水流速V=KI,则水流速度实际流速u=v/ne=0.05 m/d。

4)弥散系数取DL=0.32 m2/d,横向y方向的弥散系数DT,根据经验一般DT/DL=0.1,因此DT=0.03 m2/d。

解析法地下水预测所需参数见表4。

表4 解析法地下水预测所需参数

2.3 预测结果

2.3.1 CODMn

CODMn随时间变化的浓度分布如图1所示。

图1 泄漏后CODMn污染物浓度分布图

事故状态下渗滤液收集池内污水发生下渗时,CODMn随地下水流扩散运移,CODMn在下渗迁移100 d时,最远超标距离32 m,超标面积范围达到475 m2; CODMn在下渗迁移365 d时最远超标距离63 m(已经运移至严家沟河排泄点),超标面积范围达到1 525 m2;CODMn在下渗迁移1 000 d时最远超标距离63 m,超标面积范围达到1 835 m2。

2.3.2 氨氮

氨氮随时间变化的浓度分布如图2所示。

事故状态下渗滤液收集池内污水发生下渗时,氨氮随地下水流扩散运移,氨氮在下渗迁移100 d时,最远超标距离42 m,超标面积范围达到775 m2;氨氮在下渗迁移365 d时最远超标距离63 m(已经运移至严家沟河排泄点),超标面积范围达到1 690 m2;氨氮在下渗迁移1 000 d时最远超标距离63 m,超标面积范围达到2 395 m2。

3 结语

基于解析法建立的垃圾填埋场渗滤液收集池地下水环境影响预测模型,并合理选取预测模型参数,对其非正常工况下的地下水环境进行了预测。结果表明,CODMn、氨氮在发生渗漏后呈先增大后减小的趋势,一旦发生渗滤液渗漏,一年之内其超标范围将运移至填埋场外严家沟处。为防治垃圾填埋场发生渗漏事故,造成地下水环境污染,主管部门应从源头对污染源进行控制,并在地下水流向上下游布设地下水监测井进行监控。