基于GMS軟件對某廢渣填埋場地下水污染的研究

李亮,吳靜, 徐世光,2, 張志勇

(1.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093； 2.云南地礦工程勘察集團公司，昆明 650041)

冶煉廢渣處理是云南省礦產(chǎn)行業(yè)的常見問題，且省內(nèi)多采取建立填埋場方式來處理固體廢渣。但廢渣一旦發(fā)生泄漏將會使地下水污染，將造成嚴重的環(huán)境污染，危害社會[1]。對于填埋場污染問題研究，目前主流的方法是通過計算機軟件建立地質(zhì)模型，以此來模擬預測地下水污染狀況[2]。GMS軟件在地下水溶質(zhì)運移模擬方面有成熟的應用，很適合處理本次研究問題[3,4]。

目前，研究區(qū)的工程地質(zhì)、自然環(huán)境等方面已有較為詳盡的資料，但在地下水方面沒有進行過系統(tǒng)的分析研究。本研究應用GMS建立研究區(qū)的溶質(zhì)(污染物)運移模型來探索污染物遷移的規(guī)律、確認污染擴散時間和范圍，彌補研究區(qū)對地下水研究方面的不足，并在此基礎(chǔ)上建立場地的污染監(jiān)控體系。同時為其他類似場地的污染模擬、監(jiān)測工作提供參考。

1 研究對象概況

1.1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于滇東高原和滇西橫斷山脈結(jié)合部位、建水盆地綿羊沖水庫東南側(cè)。如圖1中藍線區(qū)域所示，北側(cè)為仙人洞富水塊段，南側(cè)為團結(jié)水庫，東側(cè)和西側(cè)為地表水分水嶺，是一個相對獨立的水文地質(zhì)單元。研究區(qū)大面積出露地層為第四系(Q4)松散層，厚度約為22～25 m，巖性為沖、洪積粘土、砂土，為孔隙含水層；而深層是巖性為灰?guī)r和白云巖的泥盆系中統(tǒng)(D2dn)地層，為巖溶含水層。兩套地層之間水力聯(lián)系緊密，可概化為統(tǒng)一的含水體系。松散層含水層主要接受大氣降雨補給，地下水徑流較快，以蒸發(fā)排泄為主；巖溶含水層主要接受大氣降雨補給及松散層入滲補給，地下水總體上自北東向南西徑流，最終流入水庫或民用井抽水進行排泄。

圖1 研究區(qū)三維地貌圖

1.2 研究區(qū)地下水水質(zhì)

在廢渣填埋場周圍采集6組水樣，采樣及化驗嚴格按照國家有關(guān)規(guī)范進行[5]，水質(zhì)化驗結(jié)果見表1。

表1 廢渣填埋場附近地下水質(zhì)分析結(jié)果一覽表 單位:(mg/l)

注：“檢出限+ ND”為檢測結(jié)果低于分析方法檢出限。

由表1的水質(zhì)分析可知，研究區(qū)域內(nèi)的地下水資源并未受到污染。且通過調(diào)查，在研究區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他污染源。

1.3 廢渣填埋場概況

填埋場處于徑流區(qū)，為半地填埋式，占地面積約為15 000 m2，深4.5 m，總庫容15 000 m3，由10個填埋區(qū)組成，共設(shè)置2個檢漏井。廢渣主要源于鋁礦加工，經(jīng)淋濾作用可能產(chǎn)生氟化物和氰化物等含有害成份的浸出液。在填埋場北東側(cè)和南側(cè)設(shè)3個50 m深的水文地質(zhì)勘察鉆孔，具體位置分布如圖1中所示。

2 地下水流動模型的建立

2.1 研究區(qū)概念模型

將研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為2層，第一層對應第四系松散層，地下水類型為孔隙水；第二層為巖溶含水層,地下水類型為潛水。其邊界條件概化為：北側(cè)為定流量邊界，西側(cè)和東側(cè)為隔水邊界，南側(cè)為定水頭邊界。廢渣填埋場是本次評價的主要污染源，污染遷移模擬過程中將這個污染源作為排放面源進行模擬。研究區(qū)總面積約為5.06 km2，研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向異性三維穩(wěn)定流。

2.2 數(shù)學模型

通過對研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的分析，當不考慮水的密度的變化時，描述地下水流三維非均質(zhì)各項異性含水層時，控制方程[2～6]為：

式中,Kxx,Kyy和Kzz分別為x,y和z方向的滲透張量,單位為(LT-1) , 其中L代表長度，T代表時間。這里假定滲透系數(shù)主軸與坐標軸方向一致。h為水頭(L)；W為單位體積流量(T-1),代表流進源或流出匯的水量；Ss為連續(xù)介質(zhì)的貯水率(L-1)或給水率(L-1)；t為時間(T)。

2.3 空間離散

根據(jù)研究區(qū)的實際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀，將研究區(qū)在平面上剖分成300×500 的矩形網(wǎng)格單元，廠區(qū)進行了加密處理，垂向上為2 層，模型頂部高程為地表標高，底部至潛水底板。有效計算單元為103 118個，無效計算單元為46 882個，共計150 000個。

2.4 時間離散

模擬時段設(shè)定：本次模擬自廢渣填埋場建成開始運營起，總共模擬7 200 d(20 a)，時間步長為50 d，總共144步，模擬得出污染物濃度時空變化過程。

2.5 邊界條件與源匯項

水流模型邊界包括北側(cè)的定流量邊界、東西側(cè)的隔水邊界和南側(cè)的定水頭邊界。定流量大小采用達西公式結(jié)合實測流場及含水層特征計算確定，區(qū)域地下水主要接受降水補給，據(jù)統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)年平均降水量為783.1 mm，地形平坦，當?shù)亟邓霛B系數(shù)為0.23，由此可計算出降水補給地下水的量為0.000 493 460 3 m3/d。將地表溝谷概化為一條大致南北向的排水溝。地下水最終以流入水庫或民用井抽水進行排泄。

2.6 參數(shù)的確定

根據(jù)前期大量水文地質(zhì)試驗及現(xiàn)場profound壓水試驗情況，第四系松散層滲透系數(shù)取1.58×10-6cm/s。根據(jù)評價區(qū)地層、構(gòu)造分布特征及注水試驗數(shù)據(jù)，巖溶含水層滲透系數(shù)取值為1.5 m/d。

彌散度室內(nèi)測定值不宜用于大尺度污染物彌散遷移數(shù)值模擬[7]，因此縱向彌散度的確定參考前人研究成果[8,9]。依據(jù)Zech等(2015)研究得到的彌散度與尺度關(guān)系圖(圖2)[10]，再結(jié)合本次研究區(qū)面積為5.06 km2，北東南西向長度約為2～3 km的實際情況，此次彌散度取值5 m。

圖2 彌散度與尺度的關(guān)系評估圖(據(jù)Zech等2015)

2.7 滲流模擬模型校正

根據(jù)如上所述，輸入相應水文地質(zhì)參數(shù)通過對模型的校正及敏感性分析，最終分別模擬枯水期穩(wěn)定流條件下研究區(qū)范圍內(nèi)地下水等水頭線分布圖如圖3所示。

從上圖可得，研究區(qū)地下水等水頭線分布形態(tài)總體符合該區(qū)地下水滲流場分布特征，地下水自北西向南東向徑流。

3 溶質(zhì)(污染物)運移模型的建立

3.1 污染源強

根據(jù)現(xiàn)有廢渣分析資料，廢渣主要有害成份為氟化物和氰化物?！段ｋU廢物填埋污染控制標準》(GB 18598-2001)規(guī)定，允許直接進入填埋區(qū)的危險廢物其浸出液中上列兩種有害成份的控制限值如表3所示。

表3 危險廢物允許進入填埋區(qū)的控制限值及

圖3 模擬區(qū)滲流場分布圖

浸出液濃度超過上列控制限值的廢物，需經(jīng)預處理后方能入場填埋。廢渣有害成份主要為氟化物，廢渣中的氟化物遇水將產(chǎn)生高濃度的含氟水體。由表1的水質(zhì)分析結(jié)果可知，研究區(qū)域內(nèi)沒有其他污染源。故本次的污染物運移模型以廢渣填埋場作為污染源，以其中的氟化物作為污染物進行數(shù)值模擬。本著風險最大原則，本次模擬廢渣填埋場氟化物濃度以100 mg/l作為源強濃度。

3.2 水質(zhì)模擬預測情景設(shè)定

在枯水期滲流場分布條件下，廢渣填埋場底部發(fā)生持續(xù)泄漏下滲到第四系松散粘土孔隙含水層。①泄漏點：固體廢物填埋場底部泄漏，泄漏持續(xù)進行。②泄漏源強：泄漏物質(zhì)為氟化物，其濃度為100 mg/l。

將泄漏點設(shè)為補給濃度邊界。根據(jù)污染情形分析，氟化物初始濃度設(shè)為100 mg/l，模擬期為20 a，以50 d為時間步長，共模擬了144個應力期。利用MODFLOW 和MT3D 軟件，聯(lián)合運行水流和水質(zhì)模型，得到氟化物擴散預報結(jié)果(見圖4～8，圖中1C：100，1—代表情景1，F(xiàn)HW—分別代表氟化物濃度(mg/l)，100—代表時間)，各圖分別給出了在固體廢物填埋場底泄漏發(fā)生100 d、1 000 d、5 000 d、7 200 d后的預測結(jié)果。預測情景圖坐標網(wǎng)格為每格1 000 m。

從上述預測圖可以看出：

氟化物在泄漏100 d后，整體沿著廢渣填埋場邊界往南遷移，移動距離較短，上覆第四系松散含水層影響范圍限制在填埋場周邊區(qū)域，中心部分最高濃度可達到源強濃度100 mg/l，而下伏巖溶含水層未受污染，渣庫底部巖溶含水層濃度為零。

泄露500 d后，上覆第四系松散孔隙含水層進一步向南側(cè)遷移，污染羽狀物擴散范圍有逐漸增加，而下伏巖溶含水層仍然未見受到明顯污染，未出現(xiàn)明顯污染羽狀物聚集及滲漏。

泄漏1 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴散遷移，但遷移距離仍然較短，而下伏巖溶含水層仍然未發(fā)現(xiàn)污染物分布。

泄漏5 000 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴散遷移，濃度也在持續(xù)增大，但遷移距離仍然較短，此時下伏巖溶含水層出現(xiàn)低濃度氟化物迅速向南側(cè)遷移，最遠遷移距離約200 m。

泄漏7 200 d后，上覆第四系松散孔隙含水層氟化物污染羽狀物繼續(xù)向南側(cè)擴散遷移，濃度也在持續(xù)增大，但遷移距離為75 m，擴散面積12 800 m2;此時下伏巖溶含水層出現(xiàn)低濃度氟化物迅速向南側(cè)遷移，最遠遷移距離約300 m,擴散面積36 600 m2。

圖4 100 d后氟化物污染范圍

圖5 500 d后氟化物污染范圍

圖6 1 000 d后氟化物污染范圍

圖7 5 000 d后氟化物污染范圍

圖8 7 200 d后氟化物污染范圍

通過上述情景模擬分析結(jié)果表明，假如廢渣填埋場以現(xiàn)有污染情景排放，不采取防滲措施條件下將造成該區(qū)地下水不同程度的污染，尤其是一旦特征污染物下滲至下伏巖溶含水層之后，污染物將迅速向南側(cè)遷移，對地下水產(chǎn)生嚴重污染。

3.3 對敏感點的影響分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，廢渣填埋場在無防滲條件下，會導致填埋場第四系孔隙含水層及下伏巖溶含水層污染，由于氟化物濃度超過地下水Ⅲ類水質(zhì)標準的99倍，廢渣填埋場對含水層仍然有影響。為了說明填埋場對其下游地下水含水層的影響，取ZK2和ZK3作為監(jiān)測點，圖9～10為ZK2和ZK3在污染情景下的穿透曲線(BTC)。

從以上穿透曲線圖中可以看出，由于ZK2和ZK3位于填埋場下游邊界，一旦填埋場發(fā)生滲漏，約200 d即可在ZK2和ZK3監(jiān)測井監(jiān)測到填埋場特征污染物超標濃度，且表層監(jiān)測到的特征污染物濃度遠大于底層。

一旦監(jiān)測到污染信息，應在ZK2和ZK3附近區(qū)域及時采取地下水污染治理修復補救措施，如在場地下游綠化帶中開挖東西向排水溝，收集滲漏污染的地下水，同時及時查明發(fā)生滲漏原因。

圖9 污染情景下ZK2監(jiān)測井處氟化物表層和底層的穿透曲線

圖10 污染情景下ZK3監(jiān)測井處氟化物表層和底層的穿透曲線

4 結(jié)論

(1) 地下水污染分析

廢渣填埋場若發(fā)生污染物(氟化物或氰化物)泄露，將對地下水產(chǎn)生嚴重污染，并向南側(cè)遷移。20 a內(nèi)最遠可擴散300 m，擴散面積可達36 600 m2。到時下游的新寨、水塘寨以及團結(jié)水庫等地的居民生活用水和工業(yè)用水都會受到污染，對社會造成嚴重的危害。因此必須提高填埋場底部及四周的防滲等級。

(2) 地下水監(jiān)測體系設(shè)計

以ZK2、ZK3為主要監(jiān)測點，結(jié)合ZK1及2口檢漏井共同構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測的重點對象是松散淺層潛水含水層及對應鉆孔所在第四系松散孔隙含水層。若發(fā)生泄露，在約200 d內(nèi)即可監(jiān)測到污染信息，并及時采取地下水污染治理補救措施。