固体危险废物填埋场地下水环境影响数值模拟与评价

摘要：本文以东营某固体危险废物处置中心项目为例，分析了非正常工况持续泄露条件下固体危险废物填埋场渗滤液中Cd在地下水中的迁移规律。一旦发生事故，渗滤液将会通过第包气带渗入至地下水中，从而造成地下水污染，使地下水水质恶化。经预测事故状态下，对孔隙水影响有一定影响，影响范围较小。从水平方向看对于第一及第二模拟层，持续泄漏发生后，地下水污染中心浓度均逐步升高，污染面积逐步扩大。从垂直方向看第一及第二模拟层受污染物影响较大，第三模拟层未受到污染物影响，可见随着深度的增加，受污染物影响逐渐减小。

关键词：危险废物；地下水；数值模拟

近年来随着国家环渤海经济区构架的建立与发展，渤海沿岸各城市大力发展新材化工、医药、电子等行业。这些行业在带动当地经济高速发展的同时，在生产过程中不可避免地会产生大量的危险废物。目前填埋是处理这些废物主要方式之一。但填埋阶段会产生渗滤液,而一旦发生渗漏,会对当地地下水产生污染风险。本文以东营某固体危险废物处置中心项目为例，分析项目建设对当地地下水环境的影响。

1 研究区概况

1.1 项目概况

本次论文的研究依托于东营市固体危险废物处置中心项目，该项位于东营市东南部。本项目整个工艺流程包括了本项目包括废物收集、运输、计量、贮存；物化处置系统；安全填埋处置系统。通过对项目工艺流程的分析，该项目可能对周围地下水环境造成影响的污染物为填埋产生渗滤液。

1.2 地质与水文地质

1.2.1 地层岩性

根据项目区岩土工程勘察报告，从工程地质的角度将场区勘察深度范围内的地基土自上而下分为7层。分别为：

①1层素填土（Q4ml）：黄褐色，以粉土为主，湿，松散。场区普遍分布，厚度：0.40～0.70m，平均0.53m；②2层粉土（Q4al+pl）：黄褐色或褐黄色，湿，中密-密实。相近粉砂，局部夹薄层粉砂或粉质黏土。场区普遍分布，厚度：2.50～5.20m，平均3.63m；③3层粉土（Q4al+pl）：黄褐色或灰褐色，湿，中密-密实。相近粉砂，局部夹薄层粉砂或粉质黏土。仅在北地块场区普遍分布，南地块场地缺失该层，厚度：2.80～5.60m，平均4.07m；④4层粉质黏土（Q4al+pl）：黄褐色，可塑。场区普遍分布，厚度：7.10～12.20m，平均10.09m；⑤5层粉土（Q4al+pl）：黄褐色或灰褐色，湿，密实。相近粉砂，局部夹粉砂。场区普遍分布，厚度：2.40～7.50m，平均4.79m；⑥6层粉土（Q4al+pl）：黄褐色或灰褐色，湿，密实。近粉质黏土，局部夹薄层粉质黏土和6-1层粉砂透镜体，揭露厚度6.80m；⑦6-1层粉砂（Q4al+pl）：黄褐色，饱和，中密～密实，成分以石英、长石为主，夹于第6层粉土中，分布无规律。

1.2.2 水文地质

工作区位于清南区冲海积平原咸水水文地质亚区中的“上咸下淡”孔隙水水文地质小区I5-1小区。区域地下水类型主要有第四系松散岩类孔隙水。根据埋藏条件分为浅层地下水和深层地下水。

2 地下水数值模拟

按《环境影响评价技术导则 地下水环境》（HJ 610-2016）的要求，采用地下水数值法进行地下水评价。首先建立地下水系统的概念模型。在地下水系统概念模型的基础上再建立地下水流、水质数学模型，最终建立数值模型。本次利用数值模拟分析，借用GMS计算求解模型。

2.1 水文地质概念模型

2.1.1 含水层概化

地层分析可知，评价区含水层岩性主要为粉土，局部夹粉砂。粉质粘土层构成相对弱透水层。依据地层岩性，将评价区地层概化为3层。第1层为潜水含水层，包括工程地质分层的1层素填土、2层与3层粉土；第2层为粉质黏土相对弱透水层；第3层为承压水含水层，包括工程地质分层的5层、6层粉土与6-1层粉砂。第四系孔隙水是地下水环境影响预测与评价模拟的目标。

2.1.2 边界条件

水文地质概念模型边界条件由评价区具体的水文地质条件确定。评价区位于冲积平原，区域地下水由陆地向沿海呈北北东方向径流，水力坡度小。评价区边界主要依据区域地下水流场划定。评价区南边界与北边界均由地下水等水位线确定，为给定水头边界；西边界为垂直于等水位线边界，为零流量边界；东边界北部及南端为垂直于等水位线的零流量边界，东边界南部主要为水库边界，水库常年有水，为给定水头边界（图1）。

图1 水文地质概念模型边界条件及源汇项概化

2.1.3 源汇项

模型源汇项根据评价区实际水文地质条件概化，见图1。评价区补给项主要为大气降水入渗补给、地下水侧向径流补给，排泄项主要为侧向径流排泄、蒸发排泄。

①降水入渗补给：评价区孔隙水接受降水入渗补给。降水量分布在时间上有相对的不均一性，即年际差异，而多年平均降水量则相对恒定，采用多年平均降水量乘以降水入渗补给系数，得到模型降水入渗补给量。降水入渗补给分布的空间不均匀性用降水入渗分区概化处理，全区概化为几个降水入渗强度不同的小区，各小区的入渗补给强度，根据包气带岩性、潜水位埋深、地形、植被等给出估计初值，经模型调试识别后确定；②侧向径流补给：评价区南边界侧向径流补给强度依据给定水头边界，通过模型含水层渗透系数、地下水水力坡度等计算初始值，最终经模型调参识别后确定补给量；③侧向径流排泄：评价区北边界侧向径流排泄强度依据给定水头边界，通过模型含水层渗透系数、地下水水力坡度等计算初始值，经模型调参识别后确定排泄量；④蒸发排泄：在评价区地下水位埋深小于6m的地段存在蒸发排泄，由模型模拟模块确定蒸发量；⑤溶质运移污染物：本次溶质运移模拟以特征污染物Cd为模拟运移物质；⑥污染源：污染源水量按其可能进入含水层的水量确定，污染物浓度根据工程分析部分给出的浓度确定。

2.1.4 水文地质参数

评价区孔隙含水层的岩性在空间分布上有一定差异，为非均质层，其非均质性用参数（K、μ）分区概化处理。根据本次岩土工程勘察报告的推荐值给定各水文地质参数初始值，依据调查得到的水位观测值与地下水流场进行调参，直至水流模型模拟的结果与实际情况相符。主要水文地质参数的调参结果为：

含水层：水平渗透系数K：0.7～1.5 m/d；纵向弥散度：7～10 m；有效孔隙度：0.25～0.27。

弱透水层：水平渗透系数K：0.1～0.3 m/d；纵向弥散度：4～8 m；有效孔隙度：0.15～0.20。

溶质模型是以水流模型为基础建立的，溶质模型水文地质条件的概化与所建立的水流模型一致。本次溶质运移模型模拟区的范围、含水层结构、边界类型划分、源汇项的概化等均与水流模型一致，流体概化为不可压缩的均质流体，粘度和密度均为常数。

2.2 地下水流数值模拟

2.2.1 模型网格剖分

评价区剖分采用5×5m网格。模型共剖分1124行，1206列，共计3层，活动单元格总计2888432个。

2.2.2 模拟程序包

模型降水入渗面状补给采用Rege子程序包、水头边界采用Specified Head子程序包、地下水蒸发采用ETS子程序包、污染源水量采用Well子程序包、污染源浓度采用Specified Conc. 子程序包。

2.2.3 模型识别与验证

模型的识别和验证主要遵循以下原则：

①模拟的地下水流场符合实际地下水流场情况；②从均衡的角度出发，模拟的地下水均衡变化与客观条件基本相符；③识别的水文地质参数符合客观水文地质条件。

模型参数识别、验证过程并不仅仅是相对独立的过程，整个过程是一个有机的统一整体。通过多次模型参数识别、验证，才能正确掌握评价区的水文地质条件。模型参数识别以地下水流场为基础，参考本次实际野外工作获取的水文地质参数，进行Pest自动调参及人工识别，依据实际水文地质条件进行检验。

评价区实测与模型模拟的地下水流场见图2。由图可见，模拟的地下水流场与实测地下水位流场基本一致，拟合效果好。模型识别的结果符合评价区的实际水文地质条件，可用于评价区的地下水环境影响预测与评价。

图2 评价区实测与模拟流场对比

2.3 地下水溶质运移模拟

2.3.1 污染源分析

本次固体废物处置中心项目污染预测的污染源，为项目废水渗漏可能发生且会带来严重污染的填埋场渗滤液。评价的污染源位置为危险废物填埋场，污染物为Cd，污染物Cd浓度为0.64（mg/L）。

2.3.2 污染物泄漏情景设置

本项目地下水污染物泄漏模式持续泄漏模式，设置泄漏发生在填埋场，依据本项目工程分析，填埋场渗滤液的流量为45 m3/d，设置渗滤液流量的5%发生泄漏进入潜水含水层，即泄漏流量为2.25 m3/d。本项目地下水的污染过程主要是污染物持续泄漏，泄漏的污染物在重力作用下进入地下水，造成局部的地下水环境受到污染，并随地下水径流扩散，导致地下水污染范围扩大。

2.3.3 模拟条件概化

本次模拟将污染源设定为流量与浓度边界，污染源位置按设计概化。

由于污染物在地下水系统中的迁移转化过程十分复杂，包括扩散吸附、化学与生物降解等作用。本次预测本着风险最大原则，在模拟污染物扩散时不考虑吸附作用、化学反应等因素，重点了地下水的对流弥散作用。

2.3.4 溶质运移模拟预测

非正常工况下，项目渗滤液部分进入含水层。假定全部渗滤液瞬时进入潜水含水层地下水，不考虑松散岩层包气带的阻滞作用。

在溶质运移模型中，渗漏点设为定浓度补给边界，通过Specified Conc.功能来实现。利用MODFLOW和MT3DMS软件包，联合运行水流和溶质模型得到各污染物扩散预测结果[4]。导则规定地下水环境影响预测时段应选取可能产生地下水污染的关键时段，为能反映特征因子迁移规律的重要时间节点，其中应包括渗漏发生后的100d、1000d。分析本次非正常工况下，污染物在地下水中的浓度分布及变化情况，确定本次预测时间点主要为污染物渗漏后的第100d、1000d，另依据各污染物在地下水中的具体污染浓度变化情况，相应延长预测时间。

图3弱透水层Cd污染运移分布图

地下水环境影响预测主要按《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）中Ⅲ类标准等，Cd的标准限值为0.005mg/L。

填埋场持续泄漏情况下，第一模拟层潜水含水层与第二模拟层弱透水层Cd第100d、1000d污染平面运移状况见图3、图4。第三模拟层承压水含水层在第100 d、1000 d均未超过0.005 mg/L的标准。

图4 潜水含水层Cd污染运移分布图

Cd在各典型预测时段的污染分布中心浓度、污染中心迁移距离及超Ⅲ类污染面积见表1、表2。由表及图可见，对于第一及第二模拟层，持续泄漏发生后，地下水污染中心浓度均逐步升高，污染面积逐步扩大。

表1 潜水含水层Cd污染预测统计表

表2 弱透水层Cd污染预测统计表

图5 Cd污染运移剖面图

泄漏发生100 d、1000 d后，泄漏点南北方向的Cd污染运移剖面图见图5。

3 结论

通过数值模拟得出持续泄露100d第一模拟层潜水含水层中心浓度为0.436mg/l，超Ⅲ类污染面积1078m2，持续泄露1000d潜水含水层中心浓度为0.597mg/l，超Ⅲ类污染面积5740m2.；100d第二模拟层弱透水层中心浓度为0.021mg/l，超Ⅲ类污染面积78m2，持续泄露1000d潜水含水层中心浓度为0.215mg/l，超Ⅲ类污染面积2640m2.。持续泄漏发生后，地下水污染中心浓度均逐步升高，污染面积逐步扩大。同时随着深度的增加，受污染物影响逐渐减小。