基于GMS的某垃圾填埋場(chǎng)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)研究

金 志

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000)

1 研究區(qū)概況

1.1 垃圾場(chǎng)基本情況

馬鞍山市向山生活垃圾填埋場(chǎng)位于向山鎮(zhèn)東約6 km處的原向山硫鐵礦的尾礦庫內(nèi)，1984年設(shè)計(jì)，1985年啟用，采用簡(jiǎn)易填埋法處理全市垃圾，項(xiàng)目總占地面積約19.8萬 m2，實(shí)際處理能力600 t/d，總庫容462.5萬 m3。該生活垃圾處理場(chǎng)南面為馬鋼南山鐵礦排土場(chǎng)，平均標(biāo)高為100 m，東北和東南被山環(huán)繞，平均標(biāo)高約70 m，屬于丘陵山谷型垃圾場(chǎng)。

2004年，由于庫容飽和及填埋工藝達(dá)不到衛(wèi)生填埋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，馬鞍山市環(huán)境衛(wèi)生管理處對(duì)填埋場(chǎng)進(jìn)行了擴(kuò)建及達(dá)標(biāo)整治。經(jīng)有關(guān)部門踏勘及場(chǎng)址對(duì)比確定，繼續(xù)征用尾礦庫建其余庫區(qū)，做生活垃圾處理場(chǎng)使用，新征用場(chǎng)地按照建設(shè)部頒布的《城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》(CJJ17-2001)設(shè)計(jì)，使其達(dá)到衛(wèi)生填埋的技術(shù)要求。擴(kuò)建填埋場(chǎng)并新建防滲措施、滲濾液導(dǎo)排、填埋氣收集及滲濾液處理站等。對(duì)于新庫區(qū)，填埋場(chǎng)庫區(qū)底部水平防滲，防滲層之上鋪設(shè)有導(dǎo)流層和反濾層，通過滲濾液收集盲溝，最終匯集到滲濾液調(diào)節(jié)池進(jìn)行處理，總投資7 903.33萬元。原有的垃圾填埋場(chǎng)，因沒有設(shè)置廠區(qū)周邊截排洪溝，填埋區(qū)地層防滲，垃圾污水處理等措施，對(duì)其封場(chǎng)，且設(shè)置垂直防滲。

1.2 地質(zhì)環(huán)境背景條件

向山垃圾填埋場(chǎng)地貌單元屬于沿江丘陵平原區(qū)，地形略有起伏，地勢(shì)總體特征為南北部高，西部低，區(qū)域分布標(biāo)高9.8～165.0 m；垃圾填埋場(chǎng)南靠馬鋼南山鐵礦排土場(chǎng)，西邊是原尾礦壩，三面環(huán)丘，一面靠壩，場(chǎng)內(nèi)地面高程為65.0～105 m左右，微地貌類型為崗坡地和低丘。場(chǎng)區(qū)地層主要為第四系素填土、殘坡積土，基底為白堊系下統(tǒng)大王山組(K1d)火山角礫、火山集塊巖和火山熔巖。

1.3 水文地質(zhì)條件

1.3.1 地下水類型

場(chǎng)區(qū)周邊地下水劃分為松散巖類孔隙水和巖漿巖類孔隙裂隙水。

1)松散巖類孔隙水

該含水巖組主要分布在現(xiàn)代河流沿岸及山區(qū)谷地平原中，巖性由第四系全新統(tǒng)蕪湖組(Qhwf)地層組成，巖性黃褐色、灰褐色粉質(zhì)粘土、細(xì)、粉砂等，具鐵銹斑點(diǎn)及鐵錳結(jié)核，膠結(jié)松散，含孔隙潛水，水位埋深1～3 m，單井涌水量10～100 m3/d。地下水化學(xué)類型多為HCO3·Cl-Na·Ca型，溶解性總固體0.5～1.0 g/L。

2)巖漿巖類孔隙裂隙水

地下水賦存在凝灰?guī)r、安山巖、粗面巖等火山熔巖及火山碎屑巖巖體中，含水介質(zhì)為構(gòu)造裂隙及巖體接觸帶裂隙。由于區(qū)內(nèi)火山巖在空間、時(shí)間上的成因聯(lián)系，其含水介質(zhì)、水動(dòng)力特征及水化學(xué)成分等環(huán)境水文地質(zhì)條件相似，故形成了統(tǒng)一的火山巖孔隙裂隙水含水巖組水文地質(zhì)單元，后期，由于受構(gòu)造作用或風(fēng)化蝕變影響程度的不同，其內(nèi)部的富水性、滲透性差異顯著，如構(gòu)造破碎帶附近、巖體與火山巖、礦體與圍巖接觸帶處，裂隙發(fā)育，連通性強(qiáng)，并在巖石具碳酸鹽化處發(fā)育有開啟度較大的通暢裂隙，形成相對(duì)富水區(qū)，單孔涌水量約50～100 m3/d左右；但在泥化、強(qiáng)高嶺土化凝灰?guī)r類分布區(qū)，因?qū)严恫话l(fā)育，則形成局部的隔水體，如本建設(shè)工程項(xiàng)目所在場(chǎng)區(qū)出露的白堊系下統(tǒng)大王組(K1d)凝灰?guī)r類，區(qū)域呈南北向延伸分布，與山體走向一致，則是該含水巖組在其東側(cè)的相對(duì)隔水邊界，單井涌水量小于10 m3/d。地下水類型主要為HCO3-Ca·Mg型，在硫化礦床附近為HCO3·SO4-Ca·Mg型，溶解性總固體約1.0 g/L左右，pH=7.1左右。

1.3.2 地下水補(bǔ)徑排條件

松散巖類孔隙水主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲，次為巖漿巖類孔隙裂隙水的越流補(bǔ)給；地下水總體按省界附近的山體為界，西側(cè)流向自東而西，東側(cè)自西向東，與地表徑流方向基本一致，但地下水徑流速度滯緩；地下水排泄方式以地面蒸發(fā)為主，次向地表水體排泄。

巖漿巖類孔隙裂隙水裸露區(qū)補(bǔ)給來源主要是大氣降水垂直入滲。大氣降水通過基巖露頭區(qū)的構(gòu)造裂隙垂直入滲，隨地形坡降向構(gòu)造破碎帶、巖體接觸帶附近裂隙發(fā)育處運(yùn)移、匯聚，形成似帶狀或脈狀含水層或富水區(qū)。

2 垃圾填埋場(chǎng)對(duì)地下水環(huán)境的影響

本次在填埋場(chǎng)滲濾液池內(nèi)采取1組滲濾液水樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)(見表2)，主要監(jiān)測(cè)pH、色度、BOD5、CODcr、總氮、氨氮、總磷、總汞、總鎘、六價(jià)鉻、總砷、總鉛、大腸桿菌群，參照《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB16889-2008)》標(biāo)準(zhǔn)，填埋場(chǎng)滲濾液中，BOD5超標(biāo)51.46倍、CODcr超標(biāo)6.57倍、總氮超標(biāo)1.67倍、氨氮超標(biāo)1.88倍、總磷超標(biāo)38.46倍、總汞超標(biāo)5.26倍、總鎘超標(biāo)2.31倍、六價(jià)鉻超標(biāo)8.38倍、大腸桿菌群超標(biāo)533.33倍，滲濾液是一種成分復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水，如果滲濾液處理站運(yùn)營出現(xiàn)問題或處理過程中出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象，極有可能污染下游的地下水環(huán)境。

表1 向山生活垃圾填埋場(chǎng)滲濾液監(jiān)測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目對(duì)垃圾填埋場(chǎng)周邊地下水進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其中在填埋場(chǎng)周邊采取了8組地下水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，分豐枯兩期，監(jiān)測(cè)pH、渾濁度、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、碳酸根、重碳酸根、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體、揮發(fā)酚、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氟化物、氰化物、砷、汞、六價(jià)鉻、鉛、鎘、鐵、錳、總大腸桿群。

根據(jù)本次地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，場(chǎng)區(qū)地下水枯水期超標(biāo)項(xiàng)目包括溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮、氟化物、六價(jià)鉻、鉛、鎘、鐵、錳和總大腸桿菌群，超標(biāo)井?dāng)?shù)最多的和倍數(shù)最高的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為硫酸鹽、鐵、錳和總大腸桿菌群，鐵、錳超標(biāo)率高達(dá)100%，總大腸桿菌群超標(biāo)率為87.5%，硫酸鹽超標(biāo)率為75%，其中硫酸鹽的超標(biāo)倍數(shù)1.02～15.05倍，鐵的超標(biāo)倍數(shù)4.16～24.78倍，錳超標(biāo)倍數(shù)6.30～51.75倍，總大腸桿菌群超標(biāo)倍數(shù)1.33～73.33倍；場(chǎng)區(qū)地下水豐水期超標(biāo)項(xiàng)目包括pH、溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、氯化物、氟化物、鉛、鎘、鐵、錳和總大腸桿菌群，超標(biāo)井?dāng)?shù)最多的和倍數(shù)最高的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為硫酸鹽、鐵、錳和總大腸桿菌群，鐵和錳超標(biāo)率為88%，硫酸鹽超標(biāo)率100%。其中硫酸鹽的超標(biāo)倍數(shù)1.61～11.13倍，氨氮超標(biāo)的倍數(shù)1.44～73.32倍，鉛超標(biāo)1.18～7.84倍，鐵的超標(biāo)倍數(shù)6.94～204.3倍，錳超標(biāo)倍數(shù)5.59～2 006倍，鐵和錳超標(biāo)率為100%，總大腸桿菌群超標(biāo)倍數(shù)2.33～266倍。整體來看，場(chǎng)區(qū)周邊地下水水質(zhì)一般，多項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)超標(biāo)，其中鐵、錳離子超標(biāo)與區(qū)域背景值超標(biāo)有關(guān)，其它超標(biāo)項(xiàng)考慮與人為活動(dòng)有關(guān)，超標(biāo)項(xiàng)目較多的主要為1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、15號(hào)井，其中2號(hào)井位于滲濾液處理站的東側(cè)，距離處理車間很近，超標(biāo)最嚴(yán)重的15號(hào)井距離填埋場(chǎng)西北側(cè)的污水處理廠很近，一墻之隔，以上兩個(gè)監(jiān)測(cè)井都距離污染源很近，而且向山垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)在南山鐵礦排土場(chǎng)的北面，原向山硫鐵礦尾礦庫的東面，由于排土場(chǎng)廢石和尾礦庫中硫化物風(fēng)化產(chǎn)生的酸性排水，堆積物中含有硫化物的巖體發(fā)生溶濾作用，從而使得溶解性總固體、硫酸鹽、總硬度等指標(biāo)相對(duì)增高，造成地下水水質(zhì)污染。

3 地下水流數(shù)值模擬和污染物溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬

3.1 水文地質(zhì)概念模型

3.1.1 評(píng)價(jià)區(qū)概況

評(píng)價(jià)區(qū)地下水類型主要為巖漿巖類孔隙裂隙水，地表覆蓋較薄的第四系黏土層(<6.6 m)，含水層巖性主要為全-強(qiáng)風(fēng)化安山質(zhì)凝灰?guī)r，為本次評(píng)價(jià)的目的含水層。向山垃圾填埋場(chǎng)位置如圖1所示，主要污染源位于老庫區(qū)及滲濾液處理站位置，模型范圍依據(jù)地形等高線確定，并包括南山礦業(yè)的礦坑的范圍來進(jìn)一步說明該礦坑對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)的影響。

圖1 向山垃圾填埋場(chǎng)位置與模型范圍

3.1.2 三維地質(zhì)模型

圖2 詳細(xì)模擬區(qū)三維地質(zhì)模型

3.1.3 邊界條件概化

根據(jù)收集得到的地形以及水文地質(zhì)資料，結(jié)合區(qū)域地下水流向與觀測(cè)井水位，將研究區(qū)南北概化為給定水頭邊界，東北部概化為隔水邊界。此外，南山礦坑以MODFLOW-2005內(nèi)置的Lake子程序包處理，通過輸入礦坑底部高程與垂向降雨、蒸發(fā)交換量，以及底部巖層的滲透系數(shù)來表征與地下水系統(tǒng)的水力聯(lián)系。對(duì)于基巖裂隙水含水層，采用等效多孔介質(zhì)方法模擬地下水系統(tǒng)。

3.2 建模過程

3.2.1 前期數(shù)據(jù)處理

本次建模首先基于前期收集的場(chǎng)地資料，在ArcGIS軟件中對(duì)地層數(shù)據(jù)、地表高程、河流等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，為構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型提供條件。

3.2.2 構(gòu)建三維地質(zhì)模型

在GMS軟件中利用相應(yīng)模塊處理的研究區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建三維地質(zhì)模型，合理概化主要含水層的空間分布特征。

3.2.3 網(wǎng)格剖分

模型的空間離散通過矩形網(wǎng)格對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)進(jìn)行剖分，在污染源區(qū)位置進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密，最小網(wǎng)格間距為5 m，最大網(wǎng)格間距達(dá)20 m，垂向上分為三層。網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 模型區(qū)網(wǎng)格剖分單元

3.2.4 源匯項(xiàng)設(shè)定

評(píng)價(jià)區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲補(bǔ)給，年均降雨量為1 060 mm/a。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，評(píng)價(jià)區(qū)主要為裂隙基巖地下水，垂向水力聯(lián)系較弱。因此，結(jié)合年均降雨蒸發(fā)資料，初步確定評(píng)價(jià)區(qū)入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.000 1 m/d，該參數(shù)綜合表征了含水系統(tǒng)垂向水量交換。

3.2.5 初始流場(chǎng)

本次模型的初始流場(chǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水井實(shí)測(cè)水位，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)分區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定流模擬，反復(fù)調(diào)參后得到流場(chǎng)基本符合該場(chǎng)地大部分鉆孔水位后，將該流場(chǎng)作為模型的初始流場(chǎng)。

3.2.6 水文地質(zhì)參數(shù)確定

根據(jù)《馬鞍山市生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)項(xiàng)目水、地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》資料，參照相同巖性地區(qū)各參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，初步確定全中風(fēng)化凝灰?guī)r含水層滲透系數(shù)為0.5 m/d，孔隙度為0.1，縱向彌散度為25 m，橫向彌散度為2.5 m。由于評(píng)價(jià)區(qū)全覆蓋風(fēng)化的凝灰?guī)r層，參數(shù)在全區(qū)取相同數(shù)值。包氣帶巖性主要為黏土、粉質(zhì)黏土與素填圖，其滲透系數(shù)在2.4×10-5～5.5×10-5cm/s之間。本次模擬通過與實(shí)地調(diào)查的地下水水位對(duì)比，識(shí)別主要水文地質(zhì)參數(shù)，擬合獲取參數(shù)的空間分布。

3.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證

本次選取研究區(qū)14個(gè)觀測(cè)孔的水位作為實(shí)測(cè)值，同時(shí)輸出模型模擬的水位，通過調(diào)參不斷提升兩者的擬合精度。模型區(qū)枯水期和豐水期的地下水流場(chǎng)如圖4，如圖中所示，枯水期14個(gè)觀測(cè)孔水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差小于2 m，豐水期13個(gè)觀測(cè)孔水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差小于2 m，表明該模型可以較準(zhǔn)確地反映區(qū)域地下水流系統(tǒng)，其地下水流方向基本上由東南向西北。

圖4 模型區(qū)地下水流場(chǎng)及校正結(jié)果

3.4 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

選用GMS界面下的MT3DMS軟件進(jìn)行三維溶質(zhì)運(yùn)移模擬，本著風(fēng)險(xiǎn)最大化原則，在模擬污染物運(yùn)移擴(kuò)散時(shí)不考慮吸附作用、溶解、化學(xué)反應(yīng)等因素，重點(diǎn)考慮對(duì)流、彌散、源匯項(xiàng)作用。污染指標(biāo)均采用污染源超標(biāo)嚴(yán)重的典型污染物，進(jìn)一步分析填埋場(chǎng)可能對(duì)地下水環(huán)境造成的影響。本次地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)主要考慮兩種工況：正常狀況和非正常狀況下的地下水環(huán)境影響。

3.4.1 模擬因子選擇

根據(jù)各污染源特點(diǎn)，本次預(yù)測(cè)選取COD作為模擬因子，模擬并評(píng)價(jià)各污染物在地下水中的遷移距離及范圍，分析該填埋場(chǎng)項(xiàng)目可能對(duì)地下水環(huán)境造成的影響程度。根據(jù)實(shí)地采樣后分析的滲濾液各組分濃度，預(yù)測(cè)因子的初始濃度確定為657.08 mg/L。

3.4.2 預(yù)測(cè)方案

1)正常狀況

擬建工程填埋場(chǎng)潛在污染源均按要求進(jìn)行防滲，場(chǎng)區(qū)內(nèi)垃圾滲濾液和污水處理站廢水經(jīng)過處理后需全部回收利用。因此，在正常狀況下，各種污染物不易進(jìn)入地下水系統(tǒng)，對(duì)地下水環(huán)境的影響較小。本次防滲措施標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置垂向滲透系數(shù)為1×10-6m/d。

2)非正常狀況

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)劃，滲濾液處理站或污水處理站在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)建筑物破損、防滲措施失效、廢水出現(xiàn)泄漏，均可能造成地下水的污染。一般有兩種污染形式，其一為長(zhǎng)期滲漏，污染類型為長(zhǎng)期的連續(xù)入滲污染，排放規(guī)律為連續(xù)恒定排放，其二為間斷性入滲污染和溢出，排放規(guī)律為非連續(xù)恒定排放。根據(jù)各污廢水的污染物，選取有代表性的污染物作為特征因子進(jìn)行預(yù)測(cè)。

將場(chǎng)區(qū)內(nèi)潛在污染源概化為為面狀污染源，考慮到非正常狀況下，廠區(qū)內(nèi)水池多為半埋式，泄露點(diǎn)位于地下，污染物泄漏不易發(fā)現(xiàn)，污染擴(kuò)散至周邊監(jiān)測(cè)井有一定的距離，具有一定隱蔽性，一時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，可將其看作長(zhǎng)期的滲漏，，將污染源設(shè)定為長(zhǎng)期滲漏，連續(xù)恒定排放，考慮到防滲措施不會(huì)大面積破壞，污染物滲漏點(diǎn)的入滲系數(shù)較小，取0.000 1 m/d，特征污染源指示劑為COD。

本次地下水預(yù)測(cè)按照最不利的情況，非正常狀況下，假定泄漏面積為地下調(diào)節(jié)池基底面積的5%，調(diào)節(jié)池滲濾液持續(xù)泄漏滲入地下水中。調(diào)節(jié)池防滲面積為6 920 m2，平面尺寸為40 m×173 m。假設(shè)最長(zhǎng)模擬期為30 a，分別取預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為5 a，10 a，20 a，30 a后的污染羽分布情況。

(a)5年 (b)10年 (c)20年 (d)30年

3.5 預(yù)測(cè)結(jié)果

3.5.1 正常狀況

正常狀況下，污染源的污染物泄漏后，其特征污染指標(biāo)COD遷移5 a、10 a、20 a和30 a后污染羽分布，見圖5，其最小濃度為檢出限。

從圖5中可以看出，在模擬期范圍內(nèi)COD的污染羽范圍均滿足地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類水，即COD污染羽中心最大濃度為1.23 mg/L，小于3.0 mg/L。

3.5.2 非正常狀況

非正常狀況下，污染源污染物泄漏后，其特征污染指標(biāo)COD遷移5 a、10 a、20 a和30 a后污染羽分布，見圖6。

非正常狀況下，污染物進(jìn)入地下水，污染物沿污染中心向四周濃度逐漸減小，濃度梯度較大；污染物在含水層中會(huì)沿地下水流方向呈近似橢圓形狀運(yùn)移，污染物在5 a、10 a、20 a與30 a后，運(yùn)移距離與遷移范圍逐年增加，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)COD最大超標(biāo)范圍達(dá)125 423.1 m2，最大運(yùn)移距離達(dá)640.3 m；表明事故條件下，污染物的泄露對(duì)地下水環(huán)境造成了不利的影響。

(a)5年 (b)10年 (c)20年 (d)30年

4 結(jié)語

(1)運(yùn)用GMS 軟件建立向山生活垃圾填埋場(chǎng)地下水三維數(shù)值模型，經(jīng)過模型的識(shí)別和驗(yàn)證，模型模擬效果較好。預(yù)測(cè)結(jié)果表明: 在設(shè)定的正常狀況下，即防滲措施達(dá)到一定級(jí)別后，污染物滲漏量較小，污染物在地下水系統(tǒng)中的濃度均滿足地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)III類，即對(duì)地下水環(huán)境影響十分有限；非正常狀況下，污染物進(jìn)入地下水，含水層中污染物濃度逐漸升高，劣質(zhì)水面積增大，污染范圍不斷擴(kuò)大，將對(duì)場(chǎng)地地下水水質(zhì)產(chǎn)生污染。

(2)建議在項(xiàng)目的建設(shè)與營運(yùn)過程中，在垃圾填埋場(chǎng)周圍共需設(shè)置5座監(jiān)測(cè)井，本底井1座、污染擴(kuò)散井2座、污染監(jiān)視井2座，定期監(jiān)控水質(zhì)的變化情況并采取相應(yīng)的控制措施，使處理后的廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，并建立風(fēng)險(xiǎn)事故應(yīng)急響應(yīng)。