固廢堆場地下水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與污染運(yùn)移模擬研究

尹廣田，王健男，鄭愛榮

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；5.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，固廢堆場已成為不容忽視的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，其存在不僅影響了城市的發(fā)展，而且對(duì)周邊環(huán)境造成較大隱患。因此，亟需進(jìn)行綜合調(diào)查以評(píng)估其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。目前國家已經(jīng)頒發(fā)了一系列適用于污染場地調(diào)查和評(píng)估的規(guī)范，但缺少針對(duì)封場固廢堆場修復(fù)和利用的場地調(diào)查以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。余光文等[1]采用物探技術(shù)與GMS 軟件結(jié)合，可以較為準(zhǔn)確地刻畫出非正規(guī)垃圾填埋場地層分布和填埋范圍。余毅等[2]通過對(duì)上海市某非正規(guī)垃圾填埋場采樣定量分析，結(jié)果顯示地下水污染嚴(yán)重，而土壤未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，分析原因在于土壤中污染物運(yùn)移較慢。李世杰等[3]調(diào)查了某固廢堆場對(duì)周圍環(huán)境的影響，結(jié)果顯示場地周邊土壤情況較好，而地下水存在較大范圍污染，并指出地下水污染物主要與垃圾滲濾液和地層性質(zhì)有關(guān)。

本文針對(duì)天津市某固廢堆場，開展了地下水環(huán)境調(diào)查，基于人體健康和環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)2個(gè)維度進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。進(jìn)一步，采用Sufer 軟件對(duì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行了刻畫，應(yīng)用GMS 軟件建立了場地地質(zhì)模型，并開展了典型污染物運(yùn)移模擬，以期為后續(xù)的修復(fù)和風(fēng)險(xiǎn)管控工作提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 場地概況與水文地質(zhì)條件

研究區(qū)域界內(nèi)面積約為1.8 萬m2，原為廢棄取土坑，后作為固廢填埋場地，接納周邊城鎮(zhèn)居民的生活垃圾及工業(yè)固廢等。填埋物主要包括生活垃圾、工業(yè)固廢垃圾、建筑垃圾及有毒有害廢棄物等。周邊環(huán)境敏感區(qū)域包括生豬養(yǎng)殖廠、農(nóng)田等。

場地地勢較為平坦，共布置水文地質(zhì)勘探孔12個(gè)，鉆探深度24 m，土層按成因年代可分為4層。地層自上而下可分為：

1）人工填砂層（Qml）：厚度為1.40～6.80 m，以填埋垃圾為主。

2）全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）：厚度為10.70～21.60 m。

3）全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q41h）：厚度為0.00～1.20 m，主要由粉質(zhì)黏土組成，屬中等壓縮性土。

4）全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q41al）：本次勘察鉆至最低標(biāo)高-22.35 m，未穿透此層，揭露最大厚度1.00 m，滲透性為微透水，主要由粉質(zhì)黏土組成，屬中等壓縮性土。

場地地下水監(jiān)測井靜止水位標(biāo)高為-11.574～-12.189 m，地下水流向?yàn)槲鞅狈较蛄飨驏|南方向，水力梯度為0.496%。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 布點(diǎn)原則和方法

場地布點(diǎn)參考HJ 25.1—2019《建設(shè)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)導(dǎo)則》[4]，結(jié)合本項(xiàng)目場地固廢填埋歷史時(shí)間、種類、深度和空間分布等特點(diǎn)，采取專業(yè)判斷法和系統(tǒng)布點(diǎn)法對(duì)污染區(qū)域、污染深度、污染物種類進(jìn)行確認(rèn)。圖1 為地下水采樣點(diǎn)位布置圖，場地布設(shè)5個(gè)地下水采樣點(diǎn)位（含1個(gè)背景點(diǎn)和1個(gè)離場點(diǎn)）。

圖1 地下水采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Location of groundwater sampling points

1.2.2 分析項(xiàng)目

地下水樣品檢測指標(biāo)為：pH、六價(jià)鉻、砷、鈹、鎘、鉻、銅、鉛、鎳、鋅、錫、汞、氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、硫酸鹽、氯化物、揮發(fā)酚、總氰化物、溶解性總固體、陰離子表面活性劑、硫化物、總大腸菌群、碘化物、總石油烴（TPH）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）（共59 項(xiàng)，包括單環(huán)芳烴、熏蒸劑、鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、三鹵甲烷和萘）、半揮發(fā)性有機(jī)物（SVOCs）（共131項(xiàng)，包括苯酚類、多環(huán)芳烴類、酞酸酯類、亞硝胺類、硝基芳烴及環(huán)酮類、鹵代醚類、氯化烴、苯胺類和聯(lián)苯胺類、有機(jī)磷農(nóng)藥、有機(jī)氯農(nóng)藥）和多氯聯(lián)苯（PCB）。

1.3 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估即通過定量描述污染物對(duì)人體健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，估計(jì)一定暴露劑量污染物質(zhì)可對(duì)人體產(chǎn)生不良影響的概率，以此評(píng)價(jià)人體健康可能受到的損害以及損害程度[5]。依據(jù)HJ 25.3—2019《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》[6]，采用HERA 軟件開展健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采用風(fēng)險(xiǎn)熵值法（Risk Quotient，RQ 模型）對(duì)研究區(qū)域地下水環(huán)境中目標(biāo)污染物進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)熵值法中風(fēng)險(xiǎn)熵定義為污染物實(shí)際污染濃度與預(yù)測無效應(yīng)濃度的比值，通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：RQ 為風(fēng)險(xiǎn)熵；MEC 為地下水中污染物實(shí)際濃度，μg/L；PNEC 為地下水中污染物的預(yù)測無效應(yīng)濃度，μg/L；LC50為半數(shù)致死濃度，μg/L；EC50為半數(shù)效應(yīng)濃度，μg/L；NOEC 為最大無影響濃度，μg/L；AF 為安全評(píng)價(jià)因子，本項(xiàng)研究中取值為100[7]。

1.5 地下水污染物數(shù)值模擬

選擇氨氮作為代表性污染因子，預(yù)測不同時(shí)間污染因子擴(kuò)散范圍及濃度變化。采用地下水模擬軟件GMS（Groundwater Modeling System）進(jìn)行地下水污染物數(shù)值模擬，采用MODFLOW 模塊進(jìn)行三維地下水流數(shù)值模型建模，作為地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬的基礎(chǔ)。采用MT3DMS 模塊開展地下水中污染羽的運(yùn)移模擬。

從固廢堆場周圍的區(qū)域地形地貌特征、水文特征、區(qū)域地下水流場和周邊地下水環(huán)境等綜合因素考慮，并參考HJ 610—2016《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》[8]中調(diào)查評(píng)價(jià)范圍的確定要求，確定本次評(píng)價(jià)范圍為西北邊界距固廢堆場北邊界250 m，東南邊界距固廢堆場南邊界350 m。如圖2（a）所示，水平邊界：評(píng)價(jià)范圍內(nèi)東南和西北邊界概化為定水頭邊界，西南和東北邊界概化為零流量邊界；垂向邊界：模型上邊界確定為潛水面上的大氣降水補(bǔ)給，相對(duì)隔水層的底部邊界視為模型下邊界，概化為隔水邊界。如圖2（b）所示，將地表以下21 m 深度內(nèi)含水層概化為潛水含水層和弱透水層。模型評(píng)價(jià)范圍概化為具有穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)、地下水位連續(xù)三維非均質(zhì)、各向異性的非穩(wěn)定流概念模型。

圖2 模型邊界和模型分層概化示意圖Fig.2 Schematic diagram of model boundary and model layering

2 結(jié)果與討論

2.1 地下水污染分析

地下水重金屬和常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)檢測結(jié)果表明，場地內(nèi)地下水pH 值為7.4～7.5，平均值為7.43；重金屬共檢出7 項(xiàng)，分別為鎘、鉻、銅、鉛、鎳、鋅和錫，其中GW-02 點(diǎn)位處鎳檢出濃度為102 μg/L，超過選定篩選值1.02 倍；場地內(nèi)地下水中氨氮和總硬度（CaCO3計(jì)）超過GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[9]中IV 類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)在離場點(diǎn)（LGW-02）也觀測到上述現(xiàn)象，表明場地內(nèi)污染物發(fā)生了遷移，已經(jīng)對(duì)場地周邊地下水產(chǎn)生了一定影響；研究區(qū)域地下水中普遍存在氯化物和溶解性總固體濃度超標(biāo)的問題，這與當(dāng)?shù)氐叵滤沫h(huán)境普遍特征有關(guān)。

基于Sufer 軟件中的克里金插值法，繪制地下水中苯胺、鎳和氨氮的污染濃度分布圖。圖3（a）為地下水中苯胺的污染濃度分布圖，可知該場地內(nèi)苯胺污染羽范圍已經(jīng)超出場地邊界，場地內(nèi)污染物的遷移可能已經(jīng)導(dǎo)致場地外地下水體受到了污染。如圖3（b）和圖3（c）所示，從鎳和氨氮污染分布中也觀察到了類似現(xiàn)象。此外，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污染羽均呈現(xiàn)中部污染嚴(yán)重，場地左右兩側(cè)污染較輕，原因可能在于場地中部地層的污染物遷移速度較大，垃圾中污染物經(jīng)中部滲漏后向四周擴(kuò)散。場地地下水流向?yàn)槲鞅敝翓|南方向，結(jié)果表明污染物的擴(kuò)散范圍并未與地下水流向建立正相關(guān)關(guān)系，可能原因在于該填埋場運(yùn)行時(shí)間較短，堆體還未穩(wěn)定。

圖3 地下水污染物濃度分布圖Fig.3 Concentration distribution of pollution in groundwater

2.2 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

場地內(nèi)地下水中的苯胺和鎳超過選定篩選值，存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行地下水中苯胺和鎳的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。表1 為地下水各暴露途徑致癌風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果和各暴露途徑非致癌危害指數(shù)。鎳在吸入室外和室內(nèi)空氣來自地下水中氣態(tài)污染物途徑下對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)均無貢獻(xiàn)。苯胺致癌風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)為2.01×10-10，非致癌危害綜合指數(shù)為2.38×10-3。研究區(qū)域內(nèi)地下水中苯胺和鎳的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌危害指數(shù)均未超過人體可接受水平（致癌風(fēng)險(xiǎn)CR：10-6；非致癌危害指數(shù)HI：1）。

表1 基于人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Table 1 Risk assessment results based on human health

2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

鑒于地下水中的苯胺和鎳超過篩選值標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上反映了苯胺和鎳的污染程度，因此選擇苯胺和鎳作為研究區(qū)域的特征污染因子進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以評(píng)估地下水中污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的潛在影響。表2 為各點(diǎn)位苯胺和鎳污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。選取目標(biāo)污染物檢出濃度最大值代表研究區(qū)域污染現(xiàn)狀，研究區(qū)域內(nèi)苯胺和鎳的風(fēng)險(xiǎn)熵分別為4.29 和76.69，表示研究區(qū)域內(nèi)存在較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。研究區(qū)域各點(diǎn)位苯胺的風(fēng)險(xiǎn)熵為＜0.36～4.29，鎳的風(fēng)險(xiǎn)熵為＜2.26～76.69，表明研究區(qū)域鎳對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響要大于苯胺所產(chǎn)生的影響。離場點(diǎn)（LGW-02）鎳的風(fēng)險(xiǎn)熵為1.5，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)，表明填埋場地已經(jīng)對(duì)周邊地下水產(chǎn)生了一定程度的污染。

表2 地下水中目標(biāo)污染物生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)Table 2 Ecological risk assessment of target pollution in groundwater

2.4 地下水污染物運(yùn)移模擬分析

根據(jù)地下水檢測結(jié)果和地下水污染現(xiàn)狀，選擇氨氮作為本次模擬的代表污染物，預(yù)測不同時(shí)間污染物的擴(kuò)散范圍及濃度變化，來反映固廢堆場對(duì)周圍環(huán)境造成的影響。假設(shè)固廢堆場滲濾液中氨氮在模擬期內(nèi)持續(xù)進(jìn)行，進(jìn)入地下水中，設(shè)定固廢堆場為補(bǔ)給濃度邊界，設(shè)定氨氮持續(xù)進(jìn)入地下水濃度為500 mg/L。

表3 所示為氨氮污染羽運(yùn)移模擬結(jié)果。結(jié)果顯示：氨氮在地下水對(duì)流和彌散作用下，污染羽向地下水下游方向遷移。5～20 a 的模擬期內(nèi)，污染羽最大遷移距離為71～264 m，污染羽污染范圍達(dá)到了99 745～151 587 m2。這一結(jié)果表明，在自然條件下，地下水中污染物會(huì)隨地下水的運(yùn)動(dòng)持續(xù)擴(kuò)散，造成較大面積的地下水污染。同時(shí)，盡管該場地氨氮污染羽在20 a 時(shí)的最大遷移距離達(dá)到了264 m，對(duì)比其他學(xué)者針對(duì)天津地區(qū)的研究結(jié)果遷移距通常在500～1 000 m 區(qū)間范圍內(nèi)[10]，分析其原因主要在于該場地地下水埋深較深和水力坡度較小，從而地下水的運(yùn)動(dòng)對(duì)污染物遷移的影響相應(yīng)較小。

表3 地下水中氨氮污染物遷移擴(kuò)散模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of ammonia nitrogen transport and diffusion in groundwater

3 結(jié)語

針對(duì)天津市某固廢堆場，開展了地下水環(huán)境調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，選擇氨氮作為代表性污染因子，進(jìn)行了污染物運(yùn)移模擬分析，預(yù)測不同時(shí)間污染因子擴(kuò)散范圍及濃度變化。形成主要結(jié)論如下：

1）基于人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，地下水中苯胺和鎳的致癌風(fēng)險(xiǎn)和非致癌風(fēng)險(xiǎn)均可接受。采用風(fēng)險(xiǎn)熵值法進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，苯胺和鎳的風(fēng)險(xiǎn)熵分別為4.29 和76.69，研究區(qū)域內(nèi)存在較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2）采用GMS 進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移模擬，氨氮污染羽在未來一段時(shí)間內(nèi)會(huì)持續(xù)向東南方向擴(kuò)散，造成較大面積的地下水污染。20 a 時(shí)的最大遷移距離可達(dá)264 m，污染羽面積可達(dá)151 587 m2。

3）場地地下水中COD、氨氮、總大腸菌群等指標(biāo)已經(jīng)超過了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值，且超標(biāo)倍數(shù)較高。因此，為了有效管控場地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)針對(duì)場地內(nèi)垃圾、地下水及時(shí)開展修復(fù)治理工作，并加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)管，具體建議措施如下：①建議對(duì)該場地進(jìn)行原位封場處理，在場地四周設(shè)置垂直阻隔系統(tǒng)以防垃圾滲瀝液對(duì)周邊土壤及地下水可能造成的污染，在垃圾上方覆蓋封場和設(shè)置導(dǎo)氣導(dǎo)排系統(tǒng)，并進(jìn)行植被生態(tài)恢復(fù)；②建議對(duì)地下水水質(zhì)進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測。