基于敏感性分析的危險廢物填埋場工程和地質(zhì)屏障參數(shù)優(yōu)化

向 銳， 徐 亞， 劉景財， 劉玉強*， 董 路， 雷國元， 黃啟飛

1.中國環(huán)境科學研究院， 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012 2.中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所， 北京 100012 3.武漢科技大學， 湖北 武漢 430081

工業(yè)固體廢物尤其是危險廢物的環(huán)境管理和無害化處置是全球性環(huán)境問題[1]. 世界范圍內(nèi)，尤其在發(fā)展中國家填埋依然是危險廢物無害化處置的主要手段[2-4]. 為了降低危險廢物的泄露風險和不利影響，使得危險廢物填埋場(hazardous waste landfill, HWL)的設計過于繁雜. 然而，機械損壞及化學老化等因素均可能引起土工膜性能退化，最終導致工程襯層系統(tǒng)失效[5-6]，所以填埋場泄漏及地下水環(huán)境污染事件仍時有發(fā)生[7]. 因此，填埋場工程屏障的優(yōu)化設計[8-9]和地質(zhì)屏障的選擇至關(guān)重要[10].

合理的工程屏障，如導排系統(tǒng)和防滲系統(tǒng)，可以減少滲濾液滲漏量[11-12]. 有利的地質(zhì)屏障，如厚且滲透系數(shù)小的包氣帶可以增加污染物的穿透時間，使其充分降解；更新能力強的含水層可以快速稀釋污染物[13]，降低污染物濃度. 因此，提高工程或地質(zhì)屏障要求可以有效地降低地下水污染風險，但同時也需要考慮工程費用[14]. 因為當工程和地質(zhì)屏障升至一定程度時，工程費用與污染控制效益比將顯著降低. 因此，識別工程和地質(zhì)屏障的關(guān)鍵因子，并確定其合理取值顯得尤為重要.

為控制填埋場滲漏風險，許多國家都對填埋場的工程和地質(zhì)屏障制定了強制性標準. 如美國[15]和中國[16-17]均規(guī)定導排層坡度≥0.02，導排層滲透系數(shù)≥1.0×10-1cms；德國[18]和中國[16-17]均規(guī)定庫底與地下水位之間的距離≥1 m. 但是這些取值背后的科學背景并不明確，同時是否適用于我國實際情況，也未經(jīng)系統(tǒng)研究和論證. 一些學者通過基于數(shù)學模型的過程模擬方法[19]和指標體系方法[20]研究了工程和地質(zhì)屏障對其環(huán)境污染風險的影響，如Kotowska等[21]通過內(nèi)梅羅指數(shù)和化學計量學方法識別了關(guān)鍵的參數(shù)，并給出了各參數(shù)的權(quán)重. 但是大部分權(quán)重都是基于主觀方法給出，背后的物理含義并不明確，因此合理性有待商榷. 另外，基于指標體系的方法也無法體現(xiàn)同一參數(shù)在不同取值區(qū)間對填埋場滲漏風險的影響.

與指標體系方法相比，過程模擬方法考慮了整體影響因素，可以給出綜合評估結(jié)果，并在其他領域被廣泛應用于關(guān)鍵參數(shù)及敏感區(qū)間的識別[22-23]. 然而，基于該方法開展的危險廢物填埋場關(guān)鍵參數(shù)和敏感區(qū)間識別，以及優(yōu)化設計參數(shù)的研究鮮見報道. 鑒于此，該研究擬采用過程模擬方法，結(jié)合參數(shù)敏感性分析，開展工程和地質(zhì)屏障參數(shù)優(yōu)化研究，識別不同參數(shù)的敏感性和敏感區(qū)間，推薦最適宜取值，評估各參數(shù)的相對重要性排名，以期為國內(nèi)危險廢物填埋場工程和地質(zhì)屏障參數(shù)的選擇及相關(guān)標準和規(guī)范的制定提供理論依據(jù).

1 模型與方法

1.1 代表性場景構(gòu)建

為從理論上分析不同工程和地質(zhì)屏障參數(shù)對地下水污染風險的影響，識別其重要程度和敏感性程度，需要建立代表性的填埋場，模擬滲濾液滲漏與地下水污染的場景. 填埋場結(jié)構(gòu)根據(jù)GB 18598—2001《危險廢物填埋場污染控制標準》的要求確定，從上到下劃分為四部分，即封場覆蓋系統(tǒng)、危險廢物層、主滲濾液防滲和導排系統(tǒng)、次滲濾液防滲和導排系統(tǒng)(見表1).

表1 代表性的填埋場剖面結(jié)構(gòu)及尺寸

圖1 危險廢物填埋場滲濾液產(chǎn)生、滲漏及地下水污染過程Fig.1 Generation, leakage and groundwater pollution of leachate in hazardous waste landfill

危險廢物填埋場滲濾液的產(chǎn)生、滲漏及地下水污染過程如圖1所示. 由于雨水淋溶及廢物自身重力釋水所產(chǎn)生的滲濾液，在重力作用下垂直下滲進入到填埋場導排層內(nèi)，一部分經(jīng)過導排系統(tǒng)收集并處理達標后排放；另一部分以滲漏(通過防滲膜漏洞)或滲透(通過土工膜完整部分以蒸汽擴散形式泄露)形式進入到包氣帶中. 經(jīng)過包氣帶的截污和含水層的稀釋擴散后進入到周邊水井中，通過飲水、洗澡等途徑暴露于人體，對人體健康構(gòu)成危害. 對填埋場的地下水污染風險進行評估實際上就是對防滲層破損條件下的滲濾液滲漏以及滲漏導致的地下水污染程度進行評估.

1.2 基于過程模擬的滲濾液滲漏及滲漏污染預測

1.2.1滲濾液滲漏預測模型

通過設計雨水防滲系統(tǒng)、滲濾液導排和防滲系統(tǒng)，盡量減少危險廢物填埋場滲濾液的產(chǎn)生和滲漏. 然而，滲漏事故仍然頻繁發(fā)生. 主要原因是：作為防滲材料核心的HDPE膜(high-density polyethylene geomembrane, 高密度聚乙烯膜)在安裝和施工過程中不可避免地會造成一些破損；滲濾液通過HDPE膜破損的滲漏受襯層結(jié)構(gòu)(雙襯層、單襯層等)、漏洞大小、漏洞上方的滲濾液飽和液位、HDPE膜下方介質(zhì)的滲透系數(shù)及其與HDPE膜接觸情況等諸多因素影響，過程極為復雜. 為簡化滲濾液滲漏計算，Giroud等[24]通過室內(nèi)滲漏模擬實驗和仿真模型分析，建立了不同條件下的滲漏速率計算公式. 針對我國危險廢物填埋場的主要防滲結(jié)構(gòu)〔兩層HDPE膜和CCL (compacted clay liner, 壓實黏土襯層)〕，根據(jù)Giroud等[25]開發(fā)的經(jīng)驗模型〔見式(1)〕來估計滲漏速率：

(1)

式中：Q為滲漏速率，m3/s；a為HDPE中的破損面積，m2；ks為CCL的水力傳導率，m/s；Ls為CCL的厚度，m；hw為HDPE上的滲濾液高度，m；N為HDPE中的破洞密度，holes/(104m2)(見表2)；S為垃圾填埋場的底部面積，104m2；βc為HDPE和CCL之間的接觸系數(shù)，良好和不良時分別為0.21和1.15.

表2 HDPE膜常規(guī)破損情況

1.2.2滲濾液濃度的衰變模擬

危險廢物填埋場中的滲濾液是危險廢物堆放和填埋過程中，由于壓實和雨水滲流作用產(chǎn)生的一種高濃度的有機或無機成份的液體. 顯然，隨著雨水不斷淋溶，危險廢物中的有害組分產(chǎn)生不同耗損，滲濾液中的污染物濃度也逐漸降低，這一過程通常用源項衰減模型〔見式(2)(3)〕[24-25]描述：

Ct=C0-λt

(2)

(3)

式中：Ct為t時滲濾液中有害物質(zhì)的濃度，mg/L；C0為滲濾液中有害物質(zhì)的初始濃度，mg/L；λ為滲濾液中有害物質(zhì)濃度變化系數(shù)，10-7m-3a-1;t為時間，a；i為滲透速率，mm/a；Wd為最終廢物的深度，m；Wfc為廢物的現(xiàn)場容量，104m3.

1.2.3滲濾液及其危害組分在土壤-地下水中遷移轉(zhuǎn)化預測

污染物在包氣帶和地下水介質(zhì)中的遷移和分布主要受水流的稀釋效應和衰減效應(即降解和吸附)的影響. 在均勻和各向同性的土壤-水系統(tǒng)中，上述效應可以通過一維對流-擴散方程〔見式(4)(5)〕[29]描述.

(4)

DL=av+Dm

(5)

式中：x為沿流動方向的路徑距離，m；c為距離為x、時間為t時污染物的濃度，mg/L；v為地下水流速，m/s；n為有效孔隙度；R為衰減因子；γ為一階衰減率，s-1；DL為流體動力學縱向彌散系數(shù)，m2/s (見表3)；a為介質(zhì)的分散度，m；Dm為分子擴散系數(shù)，m2/s.

表3 含水層參數(shù)取值[6]

顯然，對于不同的邊界條件，上述對流-擴散方程的解析解形式不同. 對于滲漏這一邊界條件，假設污染物濃度按式(2)所示的規(guī)律衰減，則可通過拉普拉斯變換獲得其解析解[30]：

(6)

(7)

式中：c(x,t)為模擬包氣帶或含水層中污染物遷移的初始濃度，mg/L；cd為模擬包氣帶或含水層中污染物遷移后的濃度，mg/L；μ為特征根.

式(6)(7)適用于滲漏條件下，防滲層下方包氣帶和含水層中的污染物遷移分析. 利用式(6)(7)計算得到包氣帶底部的污染物濃度(將該濃度作為含水層的污染物初始濃度)和地下水中污染物濃度. 式(6)(7)中基本參數(shù)取值參考表3、4.

表4 計算滲濾液濃度和滲漏的模型參數(shù)取值

注： 1) 為表2中數(shù)據(jù)平均值.

1.3 模擬參數(shù)的選擇

為討論參數(shù)設置的必要性與取值的合理性，同時為參數(shù)的最適宜取值提供參考，從填埋場選址與設計的角度對現(xiàn)有填埋場選址與設計標準中的參數(shù)進行敏感性分析[31]. 由表5可見：從設計的角度，由于導排層具有快速導流滲濾液、降低滲漏風險的功能，對滲漏量與污染物濃度影響相對較大，建議選取導排層參數(shù)中的導排支管間距、導排層坡度和導排層滲透系數(shù)3個參數(shù)；從選址的角度，主要考慮滲濾液的滲漏途徑，選取天然襯層滲透系數(shù)、含水層厚度和地下水流速3個參數(shù).

表5 在地下介質(zhì)中模擬污染物運輸?shù)哪Ｐ蛥?shù)取值

圖2 不同導排支管間距下地下水中污染物濃度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different spacing of guide and exhaust branch pipes

2 各參數(shù)對污染物濃度的影響

2.1 導排支管間距對污染物濃度的影響

圖3 支管間距對滲濾液飽和水位的影響[32]Fig.3 Influence of branch pipe spacing on saturated leachate water level[32]

圖2為不同導排支管間距下地下水中污染物濃度的空間分布. 從圖2可以看出，隨著導排管間距增大，監(jiān)測井中污染物的濃度也逐漸增加，以240 m處為例，導排支管間距從5 m增至10、25、50、75、100 m過程中，污染物濃度分別增加了4.00×10-6、8.24×10-6、1.26×10-5、1.55×10-5、1.65×10-5mgL. 這是因為導排支管間距增大，使得滲濾液在導排層中的滲流途徑增長(見圖3)[32]，防滲膜上滲濾液飽和水位上升，水頭壓也上升. 根據(jù)達西滲流定律，滲透流量與水頭壓差成正比，所以隨著滲漏量的增加，地下水污染程度將加劇.

2.2 導排層坡度對污染物濃度的影響

圖4為不同導排層坡度下地下水中污染物濃度的空間分布. 從圖4可以看出，隨著導排層坡度增大，監(jiān)測井處污染物的濃度減小[6]. 以240 m處為例，導排層坡度從0.01增至0.02、0.03、0.04、0.06、0.10和0.16過程中，污染物濃度分別降低了5.67×10-6、8.23×10-6、9.67×10-6、1.13×10-5、1.36×10-5mgL. 主要原因是，隨著導排層坡度增大，導排介質(zhì)中的水力坡度會增大，使得導排層的側(cè)向?qū)拍芰υ鰪?、防滲膜上滲濾液飽和水位降低、滲漏量減少.

圖4 不同導排層坡度下地下水中污染物濃度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different slope of drainage layer

圖5 不同導排層滲透系數(shù)下地下水中污染物濃度的空間分布Fig.5 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different permeability coefficients of guide layers

2.3 導排層滲透系數(shù)對污染物濃度的影響

根據(jù)美國EPA標準[33]規(guī)定，導排層滲透系數(shù)應不小于0.1 cms，但根據(jù)文獻[34]，滲濾液中的鈣鎂離子、懸浮顆粒、有機質(zhì)等均可導致導排層發(fā)生淤堵，導排層滲透系數(shù)減小1～3個數(shù)量級. 圖5為不同導排層滲透系數(shù)下地下水中污染物濃度的空間分布. 從圖5可以看出，隨著導排層滲透系數(shù)減小，監(jiān)測井中污染物的濃度增加，含水層中其他位置的污染物濃度也增加. 以240 m處為例，導排層滲透系數(shù)從0.1 cms 減至0.05、0.01、0.005、0.001、0.000 5、0.000 1 cms的過程中，污染物濃度分別降低了4.78×10-4、5.91×10-4、7.25×10-4、7.79×10-4、8.15×10-4、8.22×10-4mgL. 主要原因是，導排層滲透系數(shù)減小、側(cè)向排水能力減弱，導致防滲膜上滲濾液飽和水位增加，滲漏量增加.

2.4 天然襯層滲透系數(shù)對污染物濃度的影響

圖6 不同天然襯層滲透系數(shù)下地下水中污染物濃度的空間分布Fig.6 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different permeability coefficient of natural linings

圖6為不同天然襯層滲透系數(shù)下地下水中污染物濃度的空間分布. 從圖6可以看出，隨著天然襯層滲透系數(shù)增加，監(jiān)測井中污染物的濃度增大，含水層中其他位置的污染物濃度也增大. 以240 m處為例，天然襯層滲透系數(shù)從5.0×10-5cms減至1.0×10-5、5.0×10-6、1.0×10-6、5.0×10-7、1.0×10-7和5.0×10-8cms過程中，污染物濃度分別降低了6.50×10-4、8.86×10-4、9.06×10-4、9.36×10-4、9.36×10-4、9.36×10-4mgL. 根據(jù)達西滲透定律，水分在多孔介質(zhì)中的滲透速率和流量與多孔介質(zhì)的天然襯層滲透系數(shù)成正比，因此天然襯層的滲透系數(shù)越大，從防滲膜上漏洞滲漏的滲濾液能以更大的流量和流速到達包氣帶和地下水中[35].

2.5 含水層厚度對污染物濃度的影響

圖7為不同含水層厚度下地下水中污染物濃度的空間分布. 從圖7可以看出，隨著含水層厚度增加，含水層中其他位置處的污染物濃度逐漸降低. 以240 m處為例，含水層厚度從2.7 m增至5.4、10.8、21.6和43.2 m過程中，污染物濃度分別降低了2.73×10-5、2.87×10-5、2.96×10-5、2.96×10-5mgL. 推測原因可能是：隨著橫向彌散系數(shù)增大，污染物在垂直方向上的擴散效應增強；含水層越厚其稀釋和自凈能力越強，污染物濃度越低[36].

圖7 不同含水層厚度下地下水中污染物濃度的空間分布Fig.7 Spatial distribution of pollutant concentration in groundwater under different aquifer thickness

圖8 不同地下水流速下地下水中污染物濃度的空間分布Fig.8 Spatial distribution of concentration in groundwater atunder different underground water flow velocities

2.6 地下水流速對污染物濃度的影響

圖8為不同地下水流速下地下水中污染物濃度的空間分布. 從圖8可以看出，地下水流速越大，含水層中的其他位置處的污染物濃度越低，污染程度越小. 以240 m處為例，地下水流速從10 ma增至20、50、100和150 ma過程中，污染物濃度分別降低了1.96×10-5、3.71×10-5、4.59×10-5、4.98×10-5mgL. 主要是因為地下水流速越大，含水層的自凈和稀釋能力越強[37].

3 討論

3.1 各參數(shù)的敏感性分析

對各參數(shù)進行敏感性分析的結(jié)果如圖9所示. 由圖9(a)可見，當導排支管間距從5 m增至100 m時，污染物濃度增至1.17×10-5mgL，增加速率為1.23×10-7mg(L·m). 導排支管間距主要影響填埋場內(nèi)的滲濾液導排途徑長度，在同等面積的填埋場中，導排支管間距越大，滲濾液導排途徑越長，使得滲濾液最高水位增加，水壓增大，導致滲濾液滲漏風險增大，地下水中污染物濃度增大[38].

由圖9(b)可見：當導排層坡度從0.01增至0.04時，污染物濃度迅速減至6.31×10-6mgL，單位坡度減小速率為2.10×10-4mgL；而當導排層坡度從0.04增至0.16時，單位坡度減小速率降低，僅為2.08×10-5mgL；而當導排層坡度繼續(xù)增大時，其變化對監(jiān)測井中污染物濃度的影響已經(jīng)可以忽略. 由圖9(c)可見：當導排層滲透系數(shù)從0.000 1 cms增至0.01 cms時，污染物濃度迅速減至1.96×10-4mgL，減小速率為0.20 (mg·s)(L·cm)；而當導排層滲透系數(shù)從0.01 cms增至0.1 cms時，減小速率降低，僅為3.15×10-4(mg·s)(L·cm)；而當導排層滲透系數(shù)繼續(xù)增大時，其變化對監(jiān)測井中污染物濃度的影響已經(jīng)可以忽略. 研究[39-40]表明，導排層坡度和導排層滲透系數(shù)是滲濾液導排能力的主要影響因素，導排層坡度和導排層滲透系數(shù)增大會提高滲濾液的導排效率，降低滲濾液飽和液位，進而降低滲濾液滲漏源強，使得地下水中污染物濃度減小.

由圖9(d)可見：當天然襯層滲透系數(shù)從5.0×10-8cms增至1.0×10-6cms時，污染物濃度迅速增至3.30×10-5mgL，增加速率為37.74 (mg·s)(L·cm)；而當天然襯層滲透系數(shù)從1.0×10-6cms增至5.0×10-5cms 時，增加速率降低，僅為11.75 (mg·s)(L·cm). 可見，天然襯層滲透系數(shù)對于滲漏污染風險控制具有重要作用，會直接影響滲濾液進入地下水的穿透時間，以保證含水層具有更充分的時間對污染物進行稀釋緩沖[41-42].

由圖9(e)可見：當含水層厚度從2.7 m增至5.4 m時，污染物濃度迅速減至1.55×10-5mgL，減小速率為5.74×10-6mg(L·m)；而當含水層厚度從5.4 m增至43.2 m時，減小速率降低，僅為5.58×10-7mg(L·m)；而當厚度繼續(xù)增大時，其變化對監(jiān)測井中污染物濃度的影響已經(jīng)可以忽略. 由圖9(f)可見：當?shù)叵滤魉購?0 ma增至50 ma時，污染物濃度迅速減至1.61×10-5mgL，減小速率為4.03×10-7(mg·a)(L·m)；而當?shù)叵滤魉購?0 ma增至150 ma時，減小速率降低，僅為7.7×10-8(mg·a)(L·m)；而當?shù)叵滤魉倮^續(xù)增大時，其變化對監(jiān)測井中污染物濃度的影響已經(jīng)可以忽略. 含水層厚度與地下水流速對污染物濃度的主要影響在于稀釋擴散作用，隨著稀釋擴散作用形成的污染羽面積逐漸增大，污染物濃度逐漸減小，且減小速率會降低，當污染羽面積達到最大時，污染物濃度降至最低[43-44].

為進一步細化分析污染物濃度對各參數(shù)的敏感性，對各參數(shù)進行函數(shù)擬合. 污染物濃度與導排支管間距、導排層坡度、導排層滲透系數(shù)、天然襯層滲透系數(shù)、含水層厚度、地下水流速均存在冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)分別為 1.000 0、0.997 1、0.991 1、1.000 0、0.883 5、0.988 6(見圖9)，說明擬合效果好，可信度高. 然后，對變化參數(shù)取值，根據(jù)污染物濃度變化確定敏感性指數(shù). 對參數(shù)敏感性排序(見表6)可知，導排支管間距>含水層厚度>導排層坡度>天然襯層滲透系數(shù)>導排層滲透系數(shù)>地下水流速，其中導排層支管間距敏感性指數(shù)為正值，污染物濃度會隨著導排支管間距的增加而升高，其余為負值，污染物濃度會隨著參數(shù)值的增加而降低.

圖9 各參數(shù)敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of parameters

表6 各參數(shù)敏感性指數(shù)及排序

3.2 各參數(shù)的敏感區(qū)間與推薦取值

根據(jù)3.1節(jié)的討論結(jié)果，確定了6個因素的敏感區(qū)間(見表7). 在敏感區(qū)間中選取合適的參數(shù)值是控制填埋場污染風險的關(guān)鍵. 對于導排層參數(shù)，在經(jīng)濟情況允許的范圍內(nèi)，建議在敏感區(qū)間中選擇敏感度較高的取值，導排支管間距取10～25 m、導排層坡度取0.02～0.03、導排層滲透系數(shù)取 0.000 5～0.001 cm/s.

對于水文地質(zhì)參數(shù)，需要通過實地考察，參考相關(guān)地質(zhì)材料確定所選廠址的相關(guān)參數(shù)數(shù)值，綜合各方面因素考慮，選擇敏感區(qū)間中相對合適的取值，建議天然襯層滲透系數(shù)取5.0×10-7～1.0×10-6cm/s、含水層厚度取2.7～5.4 m、地下水流速取20～50 m/a.

與國內(nèi)外相關(guān)標準相比，對于導排支管間距、含水層厚度和地下水流速3個參數(shù)，并沒有作出明確的指示，該研究給出了比較合理的推薦取值. 對于其他3個參數(shù)，導排層坡度的推薦取值與國內(nèi)標準相吻合，美國與德國要求更加嚴格；導排層滲透系數(shù)與德國標準相吻合，中國和美國要求更加嚴格；天然襯層滲透系數(shù)與中國和美國標準相吻合，德國要求更加嚴格(見表7).

表7 各參數(shù)敏感區(qū)間與推薦取值

4 結(jié)論

a) 當導排支管間距>25 m、導排層坡度<2%、導排層滲透系數(shù)<0.000 1 cms、天然襯層滲透系數(shù)>1×10-6cms時，地下水污染風險急劇增大；反之，當導排支管間距<10 m、導排層坡度>3%、導排層滲透系數(shù)>0.01 cms、天然襯層滲透系數(shù)<5×10-7cms時，對地下水污染風險的管控并無明顯影響.

b) 建議將標準中設計參數(shù)的最低技術(shù)要求為導排支管間距≥25 m、導排層坡度≥2%、導排層滲透系數(shù)≥0.01 cms、天然襯層滲透系數(shù)取≥1.0×10-6cms.

c) 各參數(shù)對地下水污染風險的敏感性不同，由大到小依次為導排支管間距>含水層厚度>導排層坡度>天然襯層滲透系數(shù)>導排層滲透系數(shù)>地下水流速，利用指標體系方法進行填埋場地下水風險評估時，指標權(quán)重可參考此排序.

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