摘要:本文以東營某固體危險廢物處置中心項目為例,分析了非正常工況持續(xù)泄露條件下固體危險廢物填埋場滲濾液中Cd在地下水中的遷移規(guī)律。一旦發(fā)生事故,滲濾液將會通過第包氣帶滲入至地下水中,從而造成地下水污染,使地下水水質(zhì)惡化。經(jīng)預(yù)測事故狀態(tài)下,對孔隙水影響有一定影響,影響范圍較小。從水平方向看對于第一及第二模擬層,持續(xù)泄漏發(fā)生后,地下水污染中心濃度均逐步升高,污染面積逐步擴(kuò)大。從垂直方向看第一及第二模擬層受污染物影響較大,第三模擬層未受到污染物影響,可見隨著深度的增加,受污染物影響逐漸減小。
關(guān)鍵詞:危險廢物;地下水;數(shù)值模擬
近年來隨著國家環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)構(gòu)架的建立與發(fā)展,渤海沿岸各城市大力發(fā)展新材化工、醫(yī)藥、電子等行業(yè)。這些行業(yè)在帶動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時,在生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生大量的危險廢物。目前填埋是處理這些廢物主要方式之一。但填埋階段會產(chǎn)生滲濾液,而一旦發(fā)生滲漏,會對當(dāng)?shù)氐叵滤a(chǎn)生污染風(fēng)險。本文以東營某固體危險廢物處置中心項目為例,分析項目建設(shè)對當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的影響。
本次論文的研究依托于東營市固體危險廢物處置中心項目,該項位于東營市東南部。本項目整個工藝流程包括了本項目包括廢物收集、運輸、計量、貯存;物化處置系統(tǒng);安全填埋處置系統(tǒng)。通過對項目工藝流程的分析,該項目可能對周圍地下水環(huán)境造成影響的污染物為填埋產(chǎn)生滲濾液。
1.2.1 地層巖性
根據(jù)項目區(qū)巖土工程勘察報告,從工程地質(zhì)的角度將場區(qū)勘察深度范圍內(nèi)的地基土自上而下分為7層。分別為:
①1層素填土(Q4ml):黃褐色,以粉土為主,濕,松散。場區(qū)普遍分布,厚度:0.40~0.70m,平均0.53m;②2層粉土(Q4al+pl):黃褐色或褐黃色,濕,中密-密實。相近粉砂,局部夾薄層粉砂或粉質(zhì)黏土。場區(qū)普遍分布,厚度:2.50~5.20m,平均3.63m;③3層粉土(Q4al+pl):黃褐色或灰褐色,濕,中密-密實。相近粉砂,局部夾薄層粉砂或粉質(zhì)黏土。僅在北地塊場區(qū)普遍分布,南地塊場地缺失該層,厚度:2.80~5.60m,平均4.07m;④4層粉質(zhì)黏土(Q4al+pl):黃褐色,可塑。場區(qū)普遍分布,厚度:7.10~12.20m,平均10.09m;⑤5層粉土(Q4al+pl):黃褐色或灰褐色,濕,密實。相近粉砂,局部夾粉砂。場區(qū)普遍分布,厚度:2.40~7.50m,平均4.79m;⑥6層粉土(Q4al+pl):黃褐色或灰褐色,濕,密實。近粉質(zhì)黏土,局部夾薄層粉質(zhì)黏土和6-1層粉砂透鏡體,揭露厚度6.80m;⑦6-1層粉砂(Q4al+pl):黃褐色,飽和,中密~密實,成分以石英、長石為主,夾于第6層粉土中,分布無規(guī)律。
1.2.2 水文地質(zhì)
工作區(qū)位于清南區(qū)沖海積平原咸水水文地質(zhì)亞區(qū)中的“上咸下淡”孔隙水水文地質(zhì)小區(qū)I5-1小區(qū)。區(qū)域地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水。根據(jù)埋藏條件分為淺層地下水和深層地下水。
按《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境》(HJ 610-2016)的要求,采用地下水?dāng)?shù)值法進(jìn)行地下水評價。首先建立地下水系統(tǒng)的概念模型。在地下水系統(tǒng)概念模型的基礎(chǔ)上再建立地下水流、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型,最終建立數(shù)值模型。本次利用數(shù)值模擬分析,借用GMS計算求解模型。
2.1.1 含水層概化
地層分析可知,評價區(qū)含水層巖性主要為粉土,局部夾粉砂。粉質(zhì)粘土層構(gòu)成相對弱透水層。依據(jù)地層巖性,將評價區(qū)地層概化為3層。第1層為潛水含水層,包括工程地質(zhì)分層的1層素填土、2層與3層粉土;第2層為粉質(zhì)黏土相對弱透水層;第3層為承壓水含水層,包括工程地質(zhì)分層的5層、6層粉土與6-1層粉砂。第四系孔隙水是地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價模擬的目標(biāo)。
2.1.2 邊界條件
水文地質(zhì)概念模型邊界條件由評價區(qū)具體的水文地質(zhì)條件確定。評價區(qū)位于沖積平原,區(qū)域地下水由陸地向沿海呈北北東方向徑流,水力坡度小。評價區(qū)邊界主要依據(jù)區(qū)域地下水流場劃定。評價區(qū)南邊界與北邊界均由地下水等水位線確定,為給定水頭邊界;西邊界為垂直于等水位線邊界,為零流量邊界;東邊界北部及南端為垂直于等水位線的零流量邊界,東邊界南部主要為水庫邊界,水庫常年有水,為給定水頭邊界(圖1)。
圖1 水文地質(zhì)概念模型邊界條件及源匯項概化
2.1.3 源匯項
模型源匯項根據(jù)評價區(qū)實際水文地質(zhì)條件概化,見圖1。評價區(qū)補(bǔ)給項主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,排泄項主要為側(cè)向徑流排泄、蒸發(fā)排泄。
①降水入滲補(bǔ)給:評價區(qū)孔隙水接受降水入滲補(bǔ)給。降水量分布在時間上有相對的不均一性,即年際差異,而多年平均降水量則相對恒定,采用多年平均降水量乘以降水入滲補(bǔ)給系數(shù),得到模型降水入滲補(bǔ)給量。降水入滲補(bǔ)給分布的空間不均勻性用降水入滲分區(qū)概化處理,全區(qū)概化為幾個降水入滲強(qiáng)度不同的小區(qū),各小區(qū)的入滲補(bǔ)給強(qiáng)度,根據(jù)包氣帶巖性、潛水位埋深、地形、植被等給出估計初值,經(jīng)模型調(diào)試識別后確定;②側(cè)向徑流補(bǔ)給:評價區(qū)南邊界側(cè)向徑流補(bǔ)給強(qiáng)度依據(jù)給定水頭邊界,通過模型含水層滲透系數(shù)、地下水水力坡度等計算初始值,最終經(jīng)模型調(diào)參識別后確定補(bǔ)給量;③側(cè)向徑流排泄:評價區(qū)北邊界側(cè)向徑流排泄強(qiáng)度依據(jù)給定水頭邊界,通過模型含水層滲透系數(shù)、地下水水力坡度等計算初始值,經(jīng)模型調(diào)參識別后確定排泄量;④蒸發(fā)排泄:在評價區(qū)地下水位埋深小于6m的地段存在蒸發(fā)排泄,由模型模擬模塊確定蒸發(fā)量;⑤溶質(zhì)運移污染物:本次溶質(zhì)運移模擬以特征污染物Cd為模擬運移物質(zhì);⑥污染源:污染源水量按其可能進(jìn)入含水層的水量確定,污染物濃度根據(jù)工程分析部分給出的濃度確定。
2.1.4 水文地質(zhì)參數(shù)
評價區(qū)孔隙含水層的巖性在空間分布上有一定差異,為非均質(zhì)層,其非均質(zhì)性用參數(shù)(K、μ)分區(qū)概化處理。根據(jù)本次巖土工程勘察報告的推薦值給定各水文地質(zhì)參數(shù)初始值,依據(jù)調(diào)查得到的水位觀測值與地下水流場進(jìn)行調(diào)參,直至水流模型模擬的結(jié)果與實際情況相符。主要水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)參結(jié)果為:
含水層:水平滲透系數(shù)K:0.7~1.5 m/d;縱向彌散度:7~10 m;有效孔隙度:0.25~0.27。
弱透水層:水平滲透系數(shù)K:0.1~0.3 m/d;縱向彌散度:4~8 m;有效孔隙度:0.15~0.20。
溶質(zhì)模型是以水流模型為基礎(chǔ)建立的,溶質(zhì)模型水文地質(zhì)條件的概化與所建立的水流模型一致。本次溶質(zhì)運移模型模擬區(qū)的范圍、含水層結(jié)構(gòu)、邊界類型劃分、源匯項的概化等均與水流模型一致,流體概化為不可壓縮的均質(zhì)流體,粘度和密度均為常數(shù)。
2.2.1 模型網(wǎng)格剖分
評價區(qū)剖分采用5×5m網(wǎng)格。模型共剖分1124行,1206列,共計3層,活動單元格總計2888432個。
2.2.2 模擬程序包
模型降水入滲面狀補(bǔ)給采用Recharge子程序包、水頭邊界采用Specified Head子程序包、地下水蒸發(fā)采用ETS子程序包、污染源水量采用Well子程序包、污染源濃度采用Specified Conc. 子程序包。
2.2.3 模型識別與驗證
模型的識別和驗證主要遵循以下原則:
①模擬的地下水流場符合實際地下水流場情況;②從均衡的角度出發(fā),模擬的地下水均衡變化與客觀條件基本相符;③識別的水文地質(zhì)參數(shù)符合客觀水文地質(zhì)條件。
模型參數(shù)識別、驗證過程并不僅僅是相對獨立的過程,整個過程是一個有機(jī)的統(tǒng)一整體。通過多次模型參數(shù)識別、驗證,才能正確掌握評價區(qū)的水文地質(zhì)條件。模型參數(shù)識別以地下水流場為基礎(chǔ),參考本次實際野外工作獲取的水文地質(zhì)參數(shù),進(jìn)行Pest自動調(diào)參及人工識別,依據(jù)實際水文地質(zhì)條件進(jìn)行檢驗。
評價區(qū)實測與模型模擬的地下水流場見圖2。由圖可見,模擬的地下水流場與實測地下水位流場基本一致,擬合效果好。模型識別的結(jié)果符合評價區(qū)的實際水文地質(zhì)條件,可用于評價區(qū)的地下水環(huán)境影響預(yù)測與評價。
2.3.1 污染源分析
本次固體廢物處置中心項目污染預(yù)測的污染源,為項目廢水滲漏可能發(fā)生且會帶來嚴(yán)重污染的填埋場滲濾液。評價的污染源位置為危險廢物填埋場,污染物為Cd,污染物Cd濃度為0.64(mg/L)。
2.3.2 污染物泄漏情景設(shè)置
本項目地下水污染物泄漏模式持續(xù)泄漏模式,設(shè)置泄漏發(fā)生在填埋場,依據(jù)本項目工程分析,填埋場滲濾液的流量為45 m3/d,設(shè)置滲濾液流量的5%發(fā)生泄漏進(jìn)入潛水含水層,即泄漏流量為2.25 m3/d。本項目地下水的污染過程主要是污染物持續(xù)泄漏,泄漏的污染物在重力作用下進(jìn)入地下水,造成局部的地下水環(huán)境受到污染,并隨地下水徑流擴(kuò)散,導(dǎo)致地下水污染范圍擴(kuò)大。
2.3.3 模擬條件概化
本次模擬將污染源設(shè)定為流量與濃度邊界,污染源位置按設(shè)計概化。
由于污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜,包括擴(kuò)散吸附、化學(xué)與生物降解等作用。本次預(yù)測本著風(fēng)險最大原則,在模擬污染物擴(kuò)散時不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)等因素,重點了地下水的對流彌散作用。
2.3.4 溶質(zhì)運移模擬預(yù)測
非正常工況下,項目滲濾液部分進(jìn)入含水層。假定全部滲濾液瞬時進(jìn)入潛水含水層地下水,不考慮松散巖層包氣帶的阻滯作用。
在溶質(zhì)運移模型中,滲漏點設(shè)為定濃度補(bǔ)給邊界,通過Specified Conc.功能來實現(xiàn)。利用MODFLOW和MT3DMS軟件包,聯(lián)合運行水流和溶質(zhì)模型得到各污染物擴(kuò)散預(yù)測結(jié)果[4]。導(dǎo)則規(guī)定地下水環(huán)境影響預(yù)測時段應(yīng)選取可能產(chǎn)生地下水污染的關(guān)鍵時段,為能反映特征因子遷移規(guī)律的重要時間節(jié)點,其中應(yīng)包括滲漏發(fā)生后的100d、1000d。分析本次非正常工況下,污染物在地下水中的濃度分布及變化情況,確定本次預(yù)測時間點主要為污染物滲漏后的第100d、1000d,另依據(jù)各污染物在地下水中的具體污染濃度變化情況,相應(yīng)延長預(yù)測時間。
圖4 弱透水層Cd污染運移分布圖
地下水環(huán)境影響預(yù)測主要按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)等,Cd的標(biāo)準(zhǔn)限值為0.005mg/L。
填埋場持續(xù)泄漏情況下,第一模擬層潛水含水層與第二模擬層弱透水層Cd第100d、1000d污染平面運移狀況見圖3、圖4。第三模擬層承壓水含水層在第100 d、1000 d均未超過0.005 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。
圖3 潛水含水層Cd污染運移分布圖
Cd在各典型預(yù)測時段的污染分布中心濃度、污染中心遷移距離及超Ⅲ類污染面積見表1、表2。由表及圖可見,對于第一及第二模擬層,持續(xù)泄漏發(fā)生后,地下水污染中心濃度均逐步升高,污染面積逐步擴(kuò)大。
表1 潛水含水層Cd污染預(yù)測統(tǒng)計表
表2 弱透水層Cd污染預(yù)測統(tǒng)計表
泄漏發(fā)生100 d、1000 d后,泄漏點南北方向的Cd污染運移剖面圖見圖5。
通過數(shù)值模擬得出持續(xù)泄露100d第一模擬層潛水含水層中心濃度為0.436mg/l,超Ⅲ類污染面積1078m2,持續(xù)泄露1000d潛水含水層中心濃度為0.597mg/l,超Ⅲ類污染面積5740m2.;100d第二模擬層弱透水層中心濃度為0.021mg/l,超Ⅲ類污染面積78m2,持續(xù)泄露1000d潛水含水層中心濃度為0.215mg/l,超Ⅲ類污染面積2640m2.。持續(xù)泄漏發(fā)生后,地下水污染中心濃度均逐步升高,污染面積逐步擴(kuò)大。同時隨著深度的增加,受污染物影響逐漸減小。