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《基于Visual Modflow的某生活垃圾填埋场地下水污染物运移模拟》

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摘要：针对生活垃圾填埋场运行中面临的渗滤液泄漏污染地下含水层的潜在威胁,论文通过概化某生活垃圾填埋场地的水文地质物理概念模型,利用Visual Modflow软件对该场地进行建模和拟合调参,预测了渗滤液发生泄漏后20年特征污染物NH3-N在含水层中的运移规律.模拟发现：在水平方向上,污染物随水流方向不断扩散,污染面积不断加大,污染速率呈先增长较快后逐渐变缓慢的趋势,污染浓度由渗漏中心向周围递减,污染物在20年内向下游地区运移时所到达的最远污染距离为841.3m,受污染区域面积最大为0.243km2;在垂向上,由于存在第3、5、7层为弱透水层的阻隔作用,虽随着时间推移,污染物不断向下扩散,但研究周期内在污染物到达模型底板时,特征污染物的浓度均小于1.5mg/L,由此可见特征污染物不会渗入深部含水层.

关键词：Visual Modflow;生活垃圾填埋场;污染物运移;地下水

Abstract： In view of the potential threat of the leaked leachate contaminating underground aquifers during the operation of domestic waste landfills, this paper generalizes the hydrogeological and physical conceptual model of a domestic waste landfill site and uses Visual Modflow software to model and fit the parameters, and uses the fitted model to simulate and predict the migration rule of the characteristic pollutant NH3-N in the aquifer for 20 years after the leakage of the leachate. The simulation found that in the horizontal direction, the pollutants continued to diffuse along the direction of the water flow, and the pollution area continued to increase. The pollution rate showed a trend of increasing faster and then gradually slowing down. The concentration of pollution gradually decreased from the leakage center to the surroundings. When pollutants are transported to the downstream area within 20 years, the longest pollutant distance reached 841.3m, and the maximum area of the polluted area was 0.243 km2. In the vertical direction, due to the existence of the barrier effect of the third, fifth, and seventh layers as weak permeable layers, although pollutants continued to diffuse downward over time, the concentration of characteristic pollutants had less than 1.5 mg/L when the pollutants reach the model floor during the study period, so it can be seen that the characteristic pollutants will not penetrate into the deep aquifer.

Keywords： Visual Modflow; Domestic waste landfill site; Pollutant transport; Groundwater

0 前言

在過去几十年里,我国的社会经济得到了前所未有的发展,伴随而来的地下水污染问题也受到越来越多的关注.由于地表水污染日益严重,地下水作为重要的自然资源,在人们生活中扮演着越来越重要的角色,地下水环境恶化成为我国面临的严重环境污染问题之一.由于地下水污染具有隐蔽性、难以逆转性的特点,地下水污染防治工作已引起高度重视.而地下水污染防治的关键问题是掌握污染物在地下水中的运移情况.地下水的管理、开采与保护也需要有合理具体的规划来进行,因此运用地下水数值模拟软件来模拟研究区域的水动力场、水化学场及变化规律可以为区域整体地下水的管理以及后续的开采与保护提供强有力的数据支撑（王庆永等,2007）.研究污染物在地下水中的运移规律,对保护地下水环境具有重要的理论意义和利用价值.国内外学者对污染物在地下水中的运移规律进行了大量的研究,常用的模拟软件有Visual MODFLOW,GMS软件的MODF-LOW和MT3D模块等.

随着人口的增长和经济的快速发展,垃圾的产生量也在不断增长（侯涛,2018）,相关研究表明：80%的国家存在着生活垃圾造成地下水污染的问题,垃圾填埋场主要产出渗滤液,其中含有CODCr、NH3-N等污染因子,在垃圾填埋场防护措施不当或产生一定程度破损时会引起含一定量渗滤液的污水渗入地下水系统中.地下水污染进程具有污染缓慢型和隐蔽性,渗滤液持续泄露可能形成难以治理的地下水污染情况.由于地下水一旦被污染便极难治理（薛丹等,2017）,所以如果生活垃圾填埋场渗滤液一旦发生渗漏而没有及时处理,则会产生极其严重的后果（洪梅等,2011）.本文以河北省某生活垃圾填埋场为例,利用Visual Modflow进行非正常工况下的地下水溶质运移模拟,所得结果可为该生活垃圾填埋场及其周边的地下水污染防治提供数据参考.

1 研究区域概况

研究区位于燕山台褶带的西部,Ⅳ级构造单元宝坻凸起的西部,第四系沉积物主要由潮白河冲积物组成,岩性以粉质黏土、黏土、粉土、中砂、细砂为主,总厚度约430m,由老至新时代为Q1-Q4.

区域内距离生活垃圾填埋场最近的地表水体为东北方向约3km处的潮白新河,其他水渠均为人工开挖平时与周围地下水无水力联系.由于研究区域地下水流向为西北向东南流动,而且地下水污染进程缓慢,本次模拟地表水体的影响不作考虑.

该填埋场为正规生活垃圾卫生填埋场,在建设时采用了水平复合防渗（1.5mm厚HDPE土工膜+1.0m厚黏土结构）,并在场底实施了渗沥液导排措施,收集后渗沥液进入调节池后提升至渗沥液处理站进行处理,于2010年3月建成使用.原设计渗沥液处理工艺为“碟管式反渗透法”,处理规模为50t/d,设备老化严重,处理能力偏低,出水水质不达标,于2016年年底停止运行,渗沥液暂存于调节池内.环保督察两次对该填埋场提出了整改意见,整改问题包括设置填埋气收集及处理系统,设置渗沥液收集及处理系统,对大气和地下水污染采取解决措施等.

2 模型的建立与校正

2.1水文地质概念模型

根据勘察资料,研究区第四系含水层主要分布在河冲洪积扇的中部和下部、潮白河冲洪积扇的下部潮白河与河的扇间地带,按照水文地质条件的差异分为：Ⅰ区、河冲洪积扇水文地质区;Ⅱ区、潮白河与河扇间水文地质区;Ⅲ区、潮白河冲洪积扇水文地质区.

第四系孔隙含水层在该区从上到下依次可分为4个含水组（图1）.

第Ⅰ含水组：埋深0～40m.含水砂层厚 13～25m;岩性为粉细砂、中砂、含砾粗砂.单位涌水量1～3m3/h·m.水化学类型为 HCO3-Ca-Na型,矿化度0.3～0.8g/L.

第Ⅱ含水层组：埋深40～100m.含水沙层厚13～25m;岩性为中粗砂、含砾粗砂,夹薄层砂砾石.单位涌水量3～15m3/h·m.水化学类型为HCO3-Ca型,矿化度0.5～0.7g/L.

第Ⅲ含水层组：埋深 100～180m,含水砂层厚 52～70m;岩性以粗砂卵砾石为主,夹薄层中粗砂层和含砾亚砂土,单位涌水量为18～60m3/h·m,最大可达70～115m3/h·m以上.水化学类型为 HCO3-Ca-Mg型,矿化度为0.3～0.5g/L.该含水层组水量大,水质好,为本区供水的主力含水层.锶元素含量达0.5～1.1mg/L,一般均能达到天然饮用矿泉水标准.该地区各乡镇集中式饮用水均开采此层地下水作为供水水源.

第Ⅳ含水组：埋深180～320m,含水砂砾石层厚100～150m;岩性以粗砂卵砾石为主,夹薄层中细砂和含砾亚砂土、亚黏土.单位涌水量40～80m3/h·m,水化学类型为HCO3-Ca-Na型,矿化度0.5～0.7g/L.第四系孔隙含水层从北向南,即从河洪积扇的上部至中部再到冲洪积扇下部地区,含水层岩性由粗变细,即由粗砂卵砾石、到含砂中粗砂,富水性由大变小,含水层之间出现较为稳定的亚黏土、黏土隔水层,从而使各含水组之间的水力联系由好逐渐变得较差.第Ⅰ含水组为潜水,第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组为承压水.根据开采条件将第Ⅰ、Ⅱ含水组划为浅层地下水,第Ⅲ、Ⅳ含水组划为深層地下水.

垃圾填埋场附近地层以粉土、粉质黏土、细砂为主要岩性（图2）,其中包气带岩性以粉土及粉质黏土为主,在垃圾填埋场内稳定存在,根据地勘报告该地区地下水水位埋深在7～8m左右,包气带主要以粉质黏土层为主,厚度在4.6m以上,因此包气带有一定的防护能力.

本次模拟区域埋深约40.00m深度范围内,属于第四系第Ⅰ含水组,其平面初始流场如图3所示,由于研究区域与地表水体无直接水力联系,而且研究区域及其周边地势平坦无明显分水岭,按照地表分水岭划分水文地质单元原则,可知模拟区域为一个完整的水文地质单元.模拟区域地下水一般年变幅在0.50～1.00m左右,且多年来地下水位变化稳定,因此区域地下水可概化为非均质各向异性的潜水含水层.

根据勘察资料,模拟区域埋深约40.00m深度范围内,地基土按成因年代可分为7层,自上而下分别为人工填土层（Qml）、全新统上组陆相冲积层（Q43al）、全新统中组海相沉积层（Q42m）、全新统下组陆相冲积层（Q41al）、上更新统第五组陆相冲积层（Q3eal）、上更新统第四组滨海潮汐带沉积层（Q3dmc）、上更新统第三组陆相冲积层（Q3cal）.除人工填土层外,其他地基土层水平方向上土质均匀,且分布稳定.根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB5048-2008）附录F及室内试验结果,结合各层土性质,划分研究层并得出相应的渗透系数（表1）.

生活垃圾填埋场污染物监测预警设备还不够完善,因此本次模拟是假设垃圾渗滤液发生渗漏而未被发现的情况下,污染物的运移规律及对地下水造成的影响.通过对生活垃圾填埋场场地资料的分析,将渗滤液收集处理站设置为渗漏区域.

由于模拟区域不存在明显天然边界,需要人为地划分区域边界.地下水分水岭与流线均可作为隔水边界,因此将垂直于等水位线的边界即东北部边界与西南部边界设置为隔水边界,其余边界设置为侧向补给边界.

2.2地下水流数学模型

由于模型模拟的含水层属潜水类型,主要由大气降水补给,以蒸发形式排泄,因此地下水流数学模型应建立为（张人权等,2011）：

式中：Kx,Ky为x,y方向上的渗透系数,单位m/d;H为地下水位标高,单位m;h为含水层厚度,单位m;μ为潜水含水层重力给水度;Ω为渗流区域;Г1为渗流区的侧向补给边界;Г2为渗流区的隔水边界;q（x,y,t）为定义的含水层Г1边界单位面积流量,单位m3/m2·d.

2.3 地下水溶质运移数学模型

考虑污染物在含水层中的交换、吸附、迁移与生物化学反应的地下水溶质运移的三维流动数学模型可表示为（李巍等,2019;赵贝等,2015）：

式中：C为模拟污染质的浓度,单位mg/L;ne为有效孔隙度;t为时间,单位s;xi或xj为在直角坐标系下沿各方向上的距离,单位m;Vi为渗透速度,单位m/d;C'为源汇的污染质浓度,单位mg/L;W为源汇单位面积上的通量;∑Rn为化学反应项;αjmn为含水层的弥散度;Vm,Vn为m和n方向上的速度分量;|V |为速度模;Ω为研究区.

在利用Visual Modflow进行溶质运移时,需要选择具体的污染指标并在模型中赋初始浓度值来进行模拟.由于氨氮是限制污染排放政策文件中的约束性指标（饶磊,2018）,且垃圾渗滤液中氨氮超标倍数要高于其他污染物,因此本次模拟选用氨氮作为特征污染物进行运移.生活垃圾填埋场污染物监测预警设备还不够完善,因此本次模拟是假设垃圾渗滤液发生渗漏而未被发现的情况下,污染物的运移规律及对地下水造成的影响.通过对生活垃圾填埋场场地资料的分析,将渗滤液收集处理站设置为渗漏区域.模拟时间设为20年（7300天）,污染物初始浓度设置为未处理垃圾渗滤液中氨氮的浓度1200mg/L.

2.4 模型的拟合校验

模型的拟合校验是地下水流数值模拟中极为重要的一步,只有在与实际拟合良好的基础上,才能保证模拟出的结果是真实可靠的.地下水流数值模拟的拟合校验一般均为通过比较计算值与观测值的拟合情况,不断调整含水层渗透系数、给水度等水文地质参数,以使模型模拟情况与实际情况相吻合来实现的.本次模型识别采用试估-校正法,该方法是反求参数的间接方法中的一种（黄一帆,2014）.模拟区域已有监测数据如表2所示：

由图4可以看出模型计算水位与实际监测水位的拟合结果,由于前期收集的监测井数据较为准确,因此可以得出模型模拟结果与实际情况基本一致.其中误差最小的为12#井,仅为0.06m;误差最大的25#井也只有0.55m,基本符合精度要求.

3 模拟结果分析

利用已经拟合校正完成的地下水流溶质运移模型,对特征污染物NH3-N在地下水中的运移进行预测,模拟其在20年内的运移趋势.模型设置以730d、1460d、2190d、2920d、3650d、7300d为输出时长,选择模型第一层输出污染物平面运移结果（图5）,以渗漏区域东南处（模型第21列）剖面输出污染物垂向运移结果（图6）.

3.1污染物水平方向运移结果

通过模型计算所得的污染物运移方向平面图（图5）可以得知,污染物随着水流向下游地区逐渐扩散.随着时间的推移,污染面积逐渐加大,但是污染速率呈现出先增长较快后逐渐变缓慢的趋势.污染物浓度在扩散过程中由于周围地下水的对流作用也在不断降低,但随着污染物的不断扩散,下游地区受污染程度也在不断加重.模型运行结果显示,在730d时污染羽中心区域浓度为323.5mg/L,受污染区域面积为0.047km2,污染物向下游地区运移时所到达的最远污染距离为295.5m;在3650d时污染羽中心区域浓度为923.4mg/L,受污染区域面积为0.174km2,污染物向下游地区运移时所到达的最远污染距离为612.7m;在7300d时污染羽中心区域浓度为957.2mg/L,受污染区域面积为0.243km2,污染物到达的最远污染距离为841.3m.

3.2污染物垂直方向运移结果

通过污染物运移剖面图（模型第21列）可以得知（图6）,污染物在不同时间垂向上的运移趋势.随着时间的推移,污染物污染层位逐渐向下延伸.由于全新统下组陆相冲积层下段、上更新统第五组陆相冲积层上段与上更新统第四组滨海潮汐带沉积层为弱透水层,有效地减缓了污染物继续向下运移的趋势.模型模拟结果显示,在第730d时污染物在垂向上所到达的最远距离为28.8m;在第3650d时污染物已到达模型底板,此时底板处污染物浓度为大于0.5mg/L但小于1mg/L;在7300d时,底板处污染物浓度为大于1mg/L但小于1.5mg/L.由于研究区域钻孔资料有限,因此本次建立模型所模拟的地层厚度仅为40m.由于当污染物运移到模型底板时污染物最大浓度不超过1.5mg/L,而且该地区深部含水层顶板标高约在地表以下300m处,因此推断污染物只会污染浅层地下水不会污染深部含水层.

4 结论

（1）通过利用Visual Modflow对河北省某生活垃圾填埋场进行地下水溶质运移模拟,预测污染物在平面上的污染趋势与垂向上的污染深度,对未污染区域提出预防措施,为已污染地区的治理提供数据支撑.

（2）污染物在水平方向上随水流方向不断扩散,污染面积不断加大,污染速率呈先增长较快后逐渐变缓慢的趋势,污染浓度由渗漏中心向周围递减,污染物在20年内向下游地区运移时所到达的最远污染距离为841.3m,受污染区域面积最大为0.243km2.

（3）污染物在垂向上随着时间的推移不断向下扩散,由于模型的第3、5、7层为弱透水层,可以有效阻隔污染物继续污染下部含水层,污染物运移到达模型底板时的最大浓度不超过1.5mg/L,因此污染物只会污染浅层地下水,不会污染到深部含水层.

参考文献：

洪梅,张博,李卉,等, 2011.生活垃圾填埋场对地下水污染的风险评价：以北京北天堂垃圾填埋场为例[J].环境污染与防治, 33（3）：88-91+95.

侯涛, 2018.基于modflow对某简易垃圾填埋场地下水污染预测研究[J].地下水, 40（3）：80-81.

黄一帆,刘俊民,姜鹏,等, 2014.基于Modflow的泾惠渠地下水动态及预测研究[J].水土保持研究, 21（2）：273-278.

李巍,卢玉东,卢阳春, 等, 2019.基于Visual Modflow的山区某再生铜地下水污染模拟[J].中国农村水利水电（3）：28-31+36.

饶磊,魏兴萍,刘迅, 2018.基于Visual Modflow的重庆某工业园区地下水污染物运移模拟[J].重庆师范大学学报（自然科学版）, 35（5）：72-78+2.

王慶永,贾忠华,刘晓峰,等, 2007.Visual MODFLOW及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与水工程学报（5）：90-92.

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