吳興晨，楊 婧，張春雨，孫述海，朱 未

長春工程學(xué)院，吉林 長春 130021

0 引言

入河排污口是監(jiān)管部門控制污染物進(jìn)入河渠湖泊的重要關(guān)口，是控總量、改水質(zhì)和保環(huán)境的重要抓手[1]，垃圾填埋場通常是利用自然地形條件對(duì)垃圾進(jìn)行填埋，未采取或采取簡易的防滲措施，導(dǎo)致產(chǎn)生的滲濾液易滲入地下，進(jìn)入含水層而對(duì)地下水造成污染[2-3]，此次研究對(duì)象農(nóng)安某垃圾填埋場中的滲濾液是通過長達(dá)5 km的富濱分干排水渠排放進(jìn)富裕河，考慮到富濱分干排水渠經(jīng)常發(fā)生斷流且滲濾液易發(fā)生滲漏，并會(huì)隨著時(shí)間的累積通過包氣帶進(jìn)入含水層從而對(duì)地下水環(huán)境造成影響，同時(shí)地下水污染具有污染進(jìn)程緩慢隱蔽、一旦污染形成則很難治理和造成的后果嚴(yán)重等特點(diǎn)[4]，因此需對(duì)富濱分干排水渠周邊進(jìn)行水文地質(zhì)勘察，模擬預(yù)測在排放過程中滲濾液的主要特征污染物對(duì)周邊地下水的影響，本文主要分析其COD和氨氮的運(yùn)移特征及影響范圍，運(yùn)用 Visual MODFLOW軟件對(duì)富濱分干排水渠進(jìn)行地下水污染物運(yùn)移模擬。

1 項(xiàng)目概況

農(nóng)安縣某垃圾填埋場位于吉林省長春市農(nóng)安縣東狐貍樹村北側(cè)，東經(jīng)124°32′～125°46′，北緯43°54′～44°57′，氣候?qū)儆谥袦貛啙駶櫟貐^(qū)，呈明顯大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，秋季溫和涼爽，冬季漫長寒冷，年平均氣溫4.6 ℃，年降水量平均507.7 mm，多年平均蒸發(fā)量1 600 mm。地貌上屬?zèng)_積、湖積平原區(qū)，局部起伏較明顯，地形呈四周高中間低、臺(tái)地和低地相間分布的格局，地層主要是白堊紀(jì)沉積地層，基巖露頭不多，廣泛為第四紀(jì)沉積物所覆蓋，基巖主要是白堊紀(jì)灰綠色頁巖，砂質(zhì)泥巖和泥巖。

地下水類型主要為松散層孔隙潛水，孔隙潛水主要分布于沖積河谷漫灘和階地的砂礫石層中。區(qū)域內(nèi)地表水水系較發(fā)育，其西側(cè)有伊通河，東側(cè)有富裕河，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給與河流補(bǔ)給，沿河道下游徑流和以蒸發(fā)形式排出地表。在模擬區(qū)布設(shè)了多口水文地質(zhì)勘察井，通過井觀察潛水層埋深為2.78 m左右，含水層厚度在10 m左右，潛水含水層屬于第四系孔隙潛水，含水層巖性屬于褐黃色亞黏土、中粗砂。

2 地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

用數(shù)值模型研究較為復(fù)雜的實(shí)際地下水特征需忽略或降低對(duì)研究對(duì)象影響較小的因素，通過現(xiàn)場勘查初步判斷出可能會(huì)造成富濱分干排水渠周邊地下水污染的因素并進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)概念模型的建立，概念模型具有真實(shí)性，可以真實(shí)再現(xiàn)水文地質(zhì)條件。水文地質(zhì)概念模型是建立數(shù)值模型的前提，概念模型的準(zhǔn)備情況直接影響數(shù)值模型的模擬效果，建立概念模型的過程是對(duì)模擬區(qū)復(fù)雜地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概化，進(jìn)而用數(shù)學(xué)方式表達(dá)水文地質(zhì)要素。

2.1.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)地下水污染特征和水文地質(zhì)條件，確定本次數(shù)值模擬的層位為第四系松散巖類孔隙潛水含水層，其含水層巖性主要為粉質(zhì)黏土。

2.1.2 地下水流動(dòng)性

地下水流向受地形地勢(shì)影響明顯，模擬區(qū)內(nèi)的地下水流向大體是由南朝北方向流，水力梯度與地形坡度的變化趨勢(shì)一致，但相對(duì)平緩。

2.1.3 邊界條件概化

垂向邊界：在垂向上潛水含水層自由水面作為模型上邊界，通過該邊界潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向上的水量交換，如大氣降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄。

側(cè)向邊界：模型的南側(cè)邊界平行于地下水水位等值線，為側(cè)向流入邊界。西側(cè)伊通河為補(bǔ)給邊界；北側(cè)邊界平行于地下水水位等值線，為側(cè)向流出邊界；東側(cè)富饒河為補(bǔ)給邊界。

2.1.4 源匯項(xiàng)處理和確定

根據(jù)水文地質(zhì)條件可知，模擬區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給項(xiàng)有：大氣降雨入滲、河流補(bǔ)給、邊界流入等；地下水的主要排泄項(xiàng)為側(cè)向流出、河流的排泄、自然蒸發(fā)和人工開采。

2.2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.2.1 水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上水文地質(zhì)概念模型，將模擬區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)水平各向同性、三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定流地下水流系統(tǒng)概念模型，依據(jù)滲流連續(xù)性方程，達(dá)西定律把所建立的水文地質(zhì)概念模型確定適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。

式中:K為坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)，m/s；

Ω為模型計(jì)算區(qū)域，km2；

H0為農(nóng)安縣的初始水位，m；

H(x，y，z，t)表示在三維條件下邊界Ω和Γ上點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭，m；

φ(x，y，z，t)為Γ上已知函數(shù)。

2.2.2 模擬區(qū)范圍

考慮當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件、地形地貌、地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄特點(diǎn)以及擬建項(xiàng)目地下水污染源的分布情況，確定模擬區(qū)范圍為農(nóng)安縣垃圾填埋場富濱分干排水渠周圍面積約36 km2的區(qū)域，模擬預(yù)測的含水層位和地下水類型為區(qū)域內(nèi)有供水意義并且直接受項(xiàng)目影響的第四系松散巖類孔隙含水層潛水，模型范圍如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)范圍Fig.1 Scope of simulation area

2.2.3 剖分網(wǎng)格及計(jì)算時(shí)限及步長

對(duì)其模擬區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，由于采用MODFLOW有限差分法計(jì)算，需建立起相應(yīng)矩形網(wǎng)格系統(tǒng)才能進(jìn)行下一步運(yùn)算。這種剖分形式的優(yōu)勢(shì)是使用者方便準(zhǔn)備數(shù)據(jù)文件，有利于輸入文件的規(guī)范化，且不易出錯(cuò)。在進(jìn)行網(wǎng)格剖分的時(shí)候，應(yīng)充分考慮水文地質(zhì)條件，在水資源分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格剖分，本次模擬區(qū)面積約36 km2，剖分的單元大小為100 m×100 m，共計(jì)60行，60列；模擬初始時(shí)間為2019年1月，模擬預(yù)測365天后滲濾液中污染物COD與氨氮的運(yùn)移情況。

由于模擬范圍較大，網(wǎng)格剖分較大，為了能精確模擬預(yù)測事故和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工況下污染源對(duì)項(xiàng)目區(qū)周邊地下水的影響情況，在大模型范圍內(nèi)，將農(nóng)安垃圾填埋場富濱分干排水渠周圍約17 km2面積作為有效區(qū)域，其余面積為無效區(qū)域，具體模型的范圍如圖2所示，其白色區(qū)域?yàn)橛行^(qū)域，綠色區(qū)域?yàn)闊o效區(qū)域。

圖2 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分圖Fig.2 Grid subdivision diagram of simulation area

2.2.4 初始條件與定解條件處理

根據(jù)水文地質(zhì)勘查過程，以模擬區(qū)內(nèi)2019年1月份水位數(shù)據(jù)作為模型的初始水位。模型的北側(cè)與南側(cè)邊界平行于地下水水位等值線，模型中以定水頭邊界的形式，西側(cè)切割含水層，為隔水邊界，東側(cè)為富裕河，為河流邊界。

2.2.5 大氣降水入滲補(bǔ)給量

降雨入滲量是模擬區(qū)地下水系統(tǒng)最主要的補(bǔ)給來源。降雨入滲量主要受降雨量、地表巖性、水位埋深、地形地貌等條件影響。根據(jù)水文地質(zhì)勘查成果，模擬區(qū)地層巖性為粉質(zhì)黏土，其滲透系數(shù)為0.1～0.25 m/d；模擬區(qū)枯水期降水量為507.5 mm/a，豐水期降雨量為800 mm/a。

2.2.6 源匯項(xiàng)概化與水文地質(zhì)參數(shù)確定

大氣降水是模擬區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，模擬區(qū)的蒸發(fā)量為主要排泄方式。根據(jù)水文地質(zhì)勘查結(jié)果，含水層巖性為粉質(zhì)黏土，滲透系數(shù)取0.1～0.25 m/d，給水度為0.1，根據(jù)模型模擬驗(yàn)證最終確定該垃圾填埋場富濱分干排水渠區(qū)域滲透系數(shù)為0.12。

2.2.7 地下水?dāng)?shù)值模型的擬合

根據(jù)現(xiàn)場勘查特點(diǎn)，以模擬區(qū)內(nèi)2019年1月份水位數(shù)據(jù)作為模型的初始流場，2019年4月份水位數(shù)據(jù)作為擬合流場，經(jīng)過模擬的擬合與校正，實(shí)測與模擬水位的等值線取得較好擬合，模型的識(shí)別結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬

3.1 地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

本次計(jì)算采用地下水流數(shù)值模擬系統(tǒng)GMS7.1軟件中的MODFLOW、MT3DMS模塊。模擬采用特征值(MOC)方法，用有限差分逼近計(jì)算水動(dòng)力彌散等引起的濃度變化[5]。

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

MT3DMS采用了對(duì)流—彌散方程來描述污染物在三維地下水流中的運(yùn)移，溶解于地下水中污染物運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：C—模擬污染質(zhì)量濃度，mg/L；

C′—模擬污染質(zhì)源匯質(zhì)量濃度，mg/L；

Vi—滲流速度，m/d；

W—源和匯單位面積上的通量， m3/(d·m2)；

αijmn—含水層彌散度，m；

Vm、Vn—分別為m和n方向上的速度分量， m/d；

|V|—速度模，無量綱；

ne—有效孔隙度，無量綱。

污染物在地下水中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化過程是極其復(fù)雜的，此次模擬不考慮污染物遷移過程中的吸附、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等作用，只考慮對(duì)流彌散作用對(duì)污染物運(yùn)移的影響。

3.1.2 模擬因子與預(yù)測時(shí)段

經(jīng)現(xiàn)場勘察結(jié)果，對(duì)模擬區(qū)地下水進(jìn)行采樣分析可知滲濾液中污染物成分較多，此次主要以COD和氨氮為模擬因子進(jìn)行模擬預(yù)測，對(duì)排污口下游富濱分干排水渠前500 m段進(jìn)行模擬預(yù)測，預(yù)測時(shí)段為365天。

3.1.3 運(yùn)移邊界條件

對(duì)污染源的位置和濃度進(jìn)行定義，將排污口下游富濱分干排水渠前500 m設(shè)置成污染源，當(dāng)作補(bǔ)給濃度邊界，同時(shí)也是入滲降水的一個(gè)污染源，由于在模擬預(yù)測污染物在地下水中的擴(kuò)散時(shí)不考慮吸附作用、化學(xué)反應(yīng)和生物降解等因素，因此污染物的擴(kuò)散主要取決于污染物的初始濃度，其COD和氨氮初始質(zhì)量濃度分別為60 mg/L、8 mg/L。

3.1.4 含水層彌散系數(shù)

彌散系數(shù)即彌散度，是含水層中介質(zhì)彌散特征的重要參數(shù)，而確定野外尺度遷移模擬問題的彌散度有較大的難度，且長期以來一直備受爭議[6]，其系數(shù)也難以確定，在溶質(zhì)運(yùn)移模型需要給定縱向彌散度，此次模型縱向彌散度取經(jīng)驗(yàn)值。

3.2 模擬預(yù)測結(jié)果分析

此次預(yù)測滲濾液中COD及氨氮運(yùn)移365天后的情況，主要模擬排污口下游富濱分干排水渠前500 m中污染物下滲后對(duì)地下水的影響。經(jīng)過模擬預(yù)測，可知地下水流向大體由南向北，流速較慢，因此滲濾液中的污染物不僅會(huì)隨水流方向運(yùn)移，也會(huì)隨水力梯度向其余方向擴(kuò)散。根據(jù)排污口下游富濱分干排水渠前500 m的預(yù)測結(jié)果顯示，COD及氨氮在地下水的運(yùn)移情況都大致相同，其最大的影響距離不超過500 m。COD與氨氮的濃度等值線及運(yùn)移情況見圖3,4,表1,2。

圖3 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段COD濃度等值線圖Fig.3 COD concentration contour map of the first 500 m sections of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

圖4 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段氨氮濃度等值線圖Fig.4 Contour map of NH3-N concentration in the first 500 m section of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

表1 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段COD運(yùn)移情況Table 1 COD migration in the first 500 m sections of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

表2 排污口下游富濱分干排水渠前500 m段氨氮運(yùn)移情況Table 2 NH3-N migration in the first 500 m of Fubin sub-dry drainage channel in downstream of sewage outlet

4 結(jié)論與建議

綜上可知，農(nóng)安縣垃圾填埋場的滲濾液在通過富濱分干排水渠排放時(shí)對(duì)地下水的影響主要取決于滲濾液量的大小、污染因子的濃度、地下水徑流的方向、水力梯度、含水層的滲透性和富水性，以及彌散度的大小。經(jīng)過Visual MODFLOW軟件的模擬預(yù)測結(jié)果可知，農(nóng)安垃圾填埋場富濱分干排水渠周邊地下水流向大體是由南到北，地下水水位過于平緩，導(dǎo)致地下水流速較小，因此滲濾液下滲后在地下水中運(yùn)移較慢；在地下水對(duì)流和彌散作用影響下，其影響范圍、影響距離不斷增長，污染物不僅會(huì)隨著地下水水流方向運(yùn)移，還隨著水力梯度向外擴(kuò)散，但在水體水動(dòng)力作用下不斷擴(kuò)散、稀釋、自凈，因此污染物濃度不斷降低；以地下水中氨氮、COD濃度降至三類水質(zhì)目標(biāo)為參考標(biāo)準(zhǔn)，確定排污口下游富濱分干排水渠對(duì)地下水的影響范圍，在排污口下游富濱分干排水渠前500 m，COD的最大影響距離均不超過450 m，地下水中氨氮的最大影響距離均不超過500 m。

為加強(qiáng)水資源環(huán)境的保護(hù)，防止農(nóng)安縣垃圾填埋場滲濾液泄露帶來的嚴(yán)重影響，建議對(duì)入河排污口的排污量及富濱分干排水渠進(jìn)行在線監(jiān)督監(jiān)測，確保工程的正常運(yùn)行，尾水達(dá)標(biāo)排放。同時(shí)還應(yīng)制定非正常排放應(yīng)急措施、建立和完善水質(zhì)保護(hù)規(guī)章制度，以至于不會(huì)對(duì)地下水、地表水水質(zhì)、水量、水生態(tài)以及第三者權(quán)益產(chǎn)生影響。