固體危險廢物填埋場地下水環境影響數值模擬與評價

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律。一旦發生事故，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，使地下水水質惡化。經預測事故狀態下，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。

關鍵詞：危險廢物；地下水；數值模擬

近年來隨著國家環渤海經濟區構架的建立與發展，渤海沿岸各城市大力發展新材化工、醫藥、電子等行業。這些行業在帶動當地經濟高速發展的同時，在生產過程中不可避免地會產生大量的危險廢物。目前填埋是處理這些廢物主要方式之一。但填埋階段會產生滲濾液,而一旦發生滲漏,會對當地地下水產生污染風險。本文以東營某固體危險廢物處置中心項目為例，分析項目建設對當地地下水環境的影響。

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；安全填埋處置系統。通過對項目工藝流程的分析，該項目可能對周圍地下水環境造成影響的污染物為填埋產生滲濾液。

1.2 地質與水文地質

1.2.1 地層巖性

根據項目區巖土工程勘察報告，從工程地質的角度將場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。相近粉砂，局部夾薄層粉砂或粉質黏土。場區普遍分布，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。相近粉砂，局部夾薄層粉砂或粉質黏土。僅在北地塊場區普遍分布，南地塊場地缺失該層，厚度：2.80～5.60m，平均4.07m；④4層粉質黏土（Q4al+pl）：黃褐色，可塑。場區普遍分布，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。相近粉砂，局部夾粉砂。場區普遍分布，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。近粉質黏土，局部夾薄層粉質黏土和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，分布無規律。

1.2.2 水文地質

工作區位于清南區沖海積平原咸水水文地質亞區中的“上咸下淡”孔隙水水文地質小區I5-1小區。區域地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水。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《環境影響評價技術導則 地下水環境》（HJ 610-2016）的要求，采用地下水數值法進行地下水評價。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、水質數學模型，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 水文地質概念模型

2.1.1 含水層概化

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

2.1.2 邊界條件

水文地質概念模型邊界條件由評價區具體的水文地質條件確定。評價區位于沖積平原，區域地下水由陸地向沿海呈北北東方向徑流，水力坡度小。評價區邊界主要依據區域地下水流場劃定。評價區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區實際水文地質條件概化，見圖1。評價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、蒸發排泄。

①降水入滲補給：評價區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，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，經模型調試識別后確定；②側向徑流補給：評價區南邊界側向徑流補給強度依據給定水頭邊界，通過模型含水層滲透系數、地下水水力坡度等計算初始值，最終經模型調參識別后確定補給量；③側向徑流排泄：評價區北邊界側向徑流排泄強度依據給定水頭邊界，通過模型含水層滲透系數、地下水水力坡度等計算初始值，經模型調參識別后確定排泄量；④蒸發排泄：在評價區地下水位埋深小于6m的地段存在蒸發排泄，由模型模擬模塊確定蒸發量；⑤溶質運移污染物：本次溶質運移模擬以特征污染物Cd為模擬運移物質；⑥污染源：污染源水量按其可能進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 水文地質參數

評價區孔隙含水層的巖性在空間分布上有一定差異，為非均質層，其非均質性用參數（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參數初始值，依據調查得到的水位觀測值與地下水流場進行調參，直至水流模型模擬的結果與實際情況相符。主要水文地質參數的調參結果為：

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。

溶質模型是以水流模型為基礎建立的，溶質模型水文地質條件的概化與所建立的水流模型一致。本次溶質運移模型模擬區的范圍、含水層結構、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 模型網格剖分

評價區剖分采用5×5m網格。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，模擬的地下水均衡變化與客觀條件基本相符；③識別的水文地質參數符合客觀水文地質條件。

模型參數識別、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一整體。通過多次模型參數識別、驗證，才能正確掌握評價區的水文地質條件。模型參數識別以地下水流場為基礎，參考本次實際野外工作獲取的水文地質參數，進行Pest自動調參及人工識別，依據實際水文地質條件進行檢驗。

評價區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。模型識別的結果符合評價區的實際水文地質條件，可用于評價區的地下水環境影響預測與評價。

2.3 地下水溶質運移模擬

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生且會帶來嚴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，設置泄漏發生在填埋場，依據本項目工程分析，填埋場滲濾液的流量為45 m3/d，設置滲濾液流量的5%發生泄漏進入潛水含水層，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泄漏，泄漏的污染物在重力作用下進入地下水，造成局部的地下水環境受到污染，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程十分復雜，包括擴散吸附、化學與生物降解等作用。本次預測本著風險最大原則，在模擬污染物擴散時不考慮吸附作用、化學反應等因素，重點了地下水的對流彌散作用。

2.3.4 溶質運移模擬預測

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

在溶質運移模型中，滲漏點設為定濃度補給邊界，通過Specified Conc.功能來實現。利用MODFLOW和MT3DMS軟件包，聯合運行水流和溶質模型得到各污染物擴散預測結果[4]。導則規定地下水環境影響預測時段應選取可能產生地下水污染的關鍵時段，為能反映特征因子遷移規律的重要時間節點，其中應包括滲漏發生后的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，確定本次預測時間點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，相應延長預測時間。

圖4 弱透水層Cd污染運移分布圖

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

填埋場持續泄漏情況下，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的標準。

圖3 潛水含水層Cd污染運移分布圖

Cd在各典型預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，持續泄漏發生后，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 結論

通過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.。持續泄漏發生后，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。