某填埋场风险条件下淋滤液泄漏对地下水环境的影响研究
——基于Visualmodflow的数值模拟分析

王颖，邵思慧，陈社明，李红超，尚将为

1.河北省地质环境监测院;2.中国地质调查局天津地质调查中心

城市生活垃圾处理方式中的焚烧法是垃圾减量化最有效的方式，并且可通过垃圾焚烧厂回收能源[1]。垃圾焚烧处理后产生的飞灰因含有毒性较高的重金属、二噁英，被国家规定为危险废物[2]。现今全国每年飞灰产生量超过400万吨[3]。飞灰稳定-固化处理在环境中的稳定性差，高毒性的重金属、二噁英容易进入淋滤液中，若渗出进入地下土壤和地下水中，将对人类健康、环境带来巨大危害。20世纪90年代，日本某垃圾飞灰填埋场曾发生泄漏事故，渗漏液中高浓度的氯苯、汞等重金属污染物导致地下水和土壤严重污染[4]。我国北方大部分地区生产、生活的主要水源为地下水，一旦填埋场发生泄漏，地下水受到污染后，将严重影响周边群众的生命健康，造成不可逆转的生态环境破坏。

本次研究以河南省东部某县某飞灰填埋场为研究对象，通过对研究区地形地貌、水文地质条件进行分析，利用数值模拟技术，分析风险条件下填埋场淋滤液泄漏后特征污染物的迁移特征。

一、研究区概况

（一）地形地貌特征

研究区位于河南东部某县，年平均降水量738.6mm。地处黄河冲积扇南缘与淮河冲积平原北缘的相交地带，地势低平，地形起伏不大，西北部略高，海拔43.0m，东南部较低，海拔35.5m[5]。该县属淮河流域，水系主要有沙颍河、蜗河、西肥河、汝河四大水系。

（二）水文地质特征

研究区地下水多为松散岩类孔隙水，含水层在纵向上分为浅层、中层和深层三个含水岩层[6]。浅层地下水主要赋存于地表以下50～70m深度内的全新统和上更新统砂层、粉土层。地下水类型多为潜水，部分为微承压水，富水性相对较差，地下水埋深2.84～5.07m。中层地下水赋存于中更新统上段的粉土、泥质粉细砂中，底板埋深100～110m，为承压水，富水性较差，水质也较差，无开采价值。深层地下水赋存于中更新统下段和下更新统的粉细砂、中细砂中，底板深埋300～400m，为承压水，富水性强。深层地下水与中-浅层地下水之间有较大厚度（一般60～100m）的相对隔水层，水力联系非常微弱。

（三）地下水补径排条件

研究区地表岩性以粉质黏土、粉土为主，浅层水的主要补给来源为大气降水、灌溉水入渗补给，地下水排泄途径主要为蒸发和人工开采，其次为地下水侧向径流和向沙颍河排泄。地下水为西北向东南方向径流，水平运动较为迟缓。

（四）垃圾填埋场特征

垃圾填埋场处理的垃圾为该城市域内生活垃圾焚烧后产生的飞灰固化物。飞灰固化物需在生活垃圾焚烧厂内经预处理，检测合格，满足标准要求后分批进入填埋场进行填埋。填埋场处理方式是使用螯合剂（水泥）进行固化。填埋场的有效库容17.01万m3，固化后的飞灰入场量为60吨/日，服务期限10年。填埋区面积为21530m2，底部覆盖有200mm厚的压实黏土和1.5mm厚HDPE土工膜。填埋区渗出系数为0.5。中间覆盖面积26870m2，中间覆盖单元渗出系数为0.3。填埋场底部渗沥液主要通过降水淋滤产生。研究区日平均降雨量以2.07mm/d计，得到填埋场渗沥液平均产生量为39m3/d。

二、水文地质概念模型构建

（一）模拟范围

依据研究区地下水流向以及周边水文地质条件，为分析垃圾填埋场污染物泄漏后在地下水中的迁移特征，选取填埋场所处水文地质单元边界确定模拟区。西部以吴楼村-赵楼村为界，北部以胡楼-邓王庄村为界，西南侧以沙颍河为界，东南侧以孙营-杜营村东侧为界，东侧以常胜沟渠为界，总面积为15.82km2（见图1）。

图1 模拟区范围图

（二）含水层概化

根据模拟区调查资料，浅层含水层深度是地表以下50米左右，无压或微承压，岩性多为粉细层和粉土层。评价区浅层含水层与深层含水层之间有较大厚度（一般60～100m）的相对隔水层，水力联系非常微弱，因此可将底部边界概化为隔水边界。本次模拟以浅层地下水为模拟目的层，将模拟目的层概化为非均质各向同性含水层。地下水流概化为非稳定流。

（三）边界条件

（1）侧向边界：模拟区浅层地下水的总体流向为自西北往东南流动，因此西部边界为地下水流入边界，概化为补给边界；东侧常胜沟渠为地下水流出边界，改为排泄边界；南侧沙颍河，河水与地下水联系较为密切，可概化为给定水头边界；北侧与东南侧概化为隔水边界。

（2）垂向边界：模拟区上部边界概化为水量交换边界，有人工开采、降水入渗等；模拟区的底部边界为黏土层构成的隔水层，概化为隔水边界。

三、地下水数值模型的建立

（一）地下水流数学模型

根据研究区的水文地质概念模型，可由以下数学模型描述评价区水文地质概念模型和边界条件的概化结果见公式（1）。

公式（1）中：H——含水层水头（m）；H0(x,y)——含水层的初始水头（m）；Zb——含水层底板高程（m）；K——含水层渗透系数（m/d）；μ——含水层给水度；W——含水层垂向补给强度（包括降水等渗漏补给）（m/d）；E——地下水蒸发排泄强度（m/d）；P——含水层开采强度（m/d）；Γ2——已知流量边界；q(x,y,t)，f1(x，y，z，t)——含水层侧向单宽补排量（m2/d），流入时取正，流出时取负，隔水边界时取0；n→——边界上的外法线方向；D——计算区范围；

（二）水文地质参数分区

参与地下水模型计算的水文地质参数主要有重力给水度(μ)，含水层渗透系数(K)，降雨入渗系数(α)等。

1.大气降水入渗补给系数

调查评价区为第四系覆盖区，参考河南省周口市农田供水勘察报告以及地下水埋深情况，确定区内降水入渗系数为0.21。

2.给水度和渗透系数

渗透系数和给水度初始值取经验值，渗透为6.5m/d，给水度依据经验值取0.09（见表1）。

表1 含水层参数初始值一览表

3.弥散度

在模型预测中，采用经验值进行赋值，弥散系数为10。

（三）模拟期及初始条件设置

模型的识别验证期为2020年7月20日到2020年8月20日，2020年7月20日测量的调查评价区监测水位作为模拟区的初始流场（见图2）。

图2 模拟区初始流场

根据掌握的地下水水位动态数据，对流量边界的水力梯度按时段分别进行赋值。沙颍河水位根据地表水监测数据赋值。入渗补给等源汇项依照不同时段分别计算赋值。各项均换算分配到相应单元格。

（四）模拟软件及模拟区剖分

本次模拟采用三维地下水流及污染物运移模拟软件VisaulModflow 4.2。垂向上划分为1个模拟目的层。模拟区单元网格按网格间距50m进行剖分，针对填埋场范围进行加密，网格间距25m。模拟区剖分为98列，107行，垂向剖分为1层，共计10486个单元网格，其中有效单元格为8709个（见图3）。

图3 模拟区网格剖分平面图及剖面图

（五）模型的识别与验证

本次研究模型的识别与验证期为2020年7月20日到2020年8月20日。

1.识别期和验证期源汇项

研究区识别与验证期主要存在的源汇项如下：补给项主要为降水入渗、侧向流入、河流渗漏补给；排泄项主要为地下水开采、地下水侧向流出。

2.模型的识别与验证结果

选取2020年10月的地下实测流场作为识别期末刻流场，将模拟结果与实测结果进行拟合，调整参数使误差最小。通过细致调参，两者达到最优拟合，最大绝对偏差小于0.1m（图4）。识别与验证结果可靠，满足精度要求。调整后的模型参数见表2。识别和验证期模拟区水量均衡结果见表3，调查评价区在识别期补给量小于排泄量，为负均衡。该均衡计算结果与调查结果一致。

图4 2020年10月识别验证期末刻模拟区地下水流场拟合图

表2 含水层参数识别与验证结果一览表

表3 识别与验证期模拟区水量均衡表（单位：万m³）

四、地下水污染模拟预测

（一）溶质运移数学模型

地下水中溶质运移的数学模型可表示为：

式中：αijmn—含水层的弥散度；Vm,Vn—m和n方向上的速度分量；|v|—速度模；C—模拟污染质的浓度；ne—有效孔隙度；C’—模拟污染质的源汇浓度；W—源汇单位面积上的通量；Vi—渗流速度；C’—源汇的污染质浓度。

联合求解水流方程和溶质运移方程即可获得污染物空间分布关系。

（二）污染情景假设与源强分析

本次模拟主要针对填埋场淋滤液对地下水水质可能造成的直接影响进行分析和预测。考虑填埋场污水产生、贮存以及处理过程，预测的风险情景为填埋库区底部防渗层老化，发生泄漏，引起地下水污染。渗沥液平均产生量为39m3/d，考虑底部防渗层不会全部区域老化，渗漏量按产生量10%确定，则渗漏量为3.9m3/d，取整后为4m3/d。渗漏时间为持续释放。

飞灰经稳定化、固化后，淋滤液污染物主要为重金属。依据淋滤液浓度分析结果（表4），氨氮和镍分别作为常规组分及重金属污染物超标最大组分，选取预测因子进行预测（表5）。

表4 项目淋滤液浓度分析表

表5 淋滤液污染源强一览表

（三）地下水污染预测与分析

风险条件下，填埋场库区底部防渗层老化，发生泄漏作为污染源进行预测。废水泄漏后，引起地下水污染物运移的预测结果见图5、图6。由预测图可以发现，两种污染物迁移特征一致，污染物均在1000d后出现超标。预测结果表明，污染物主要向下游迁移，形成污染晕，但在水力坡度小的地区，也会向上游迁移。渗漏发生100天后，含水层中重金属镍的影响范围76250m2，影响最大运移距离为22m（由填埋库区边界计算），未超标；氨氮的影响范围87140m2，影响最大运移距离为26m，未超标；渗漏发生1000天后及7300天后，污染物的影响及超标范围见下表。7300天（20年）后两种污染物在地下水中均有超标区，最大迁移距离分别为81m与90m，但超标及影响范围未达到下游村庄敏感点（见表6）。

图5 淋滤液泄漏后镍污染物运移状况

图6 淋滤液泄漏后氨氮污染物运移状况

表6 填埋场库区渗漏污染物运移特征表

五、结论及建议

（1）渗漏发生100天后，含水层中重金属镍和氨氮的浓度均未超标，但达到影响值，两者的最大运移距离为22m和26m；渗漏7300天（20年）后两种污染物在地下水中均有超标区，最大迁移距离分别为81m与90m，但超标及影响范围未达到下游村庄敏感点。

（2）在地下水水力坡度较小的条件下，填埋场淋滤液一旦渗漏引起地下水污染，污染物向下游迁移的同时，会向上游迁移。需要对上游距离较近村庄的地下水污染状况进行监测。

（3）填埋场底部防渗层老化造成泄漏条件下，淋滤液会持续释放，引起填埋场下部污染物浓度持续增加。建议在下游填埋场边设立地下水质监测井，定期监测，发现淋滤液泄漏后及时处置切断污染源。