西南某省“红层区”生活垃圾填埋场地下水污染管控措施

文

章

导

读

西南某省广泛分布的红层地区地下水是重要的饮用水源 。

填埋场渗沥液下渗对周围地下水环境及人体健康带来的危害不容忽视 。

科学准确的评估 填埋场 地下水污染程度及其影响范围，制定经济合理修复方案非常有必要。

据国内某研究机构对西南某省在内10个省市30余座卫生填埋场调查显示，填埋场防渗层漏洞检出率为 17个/ hm ² 。场内污染物会通过防渗层漏洞向土壤和地下水渗透，进而造成周边水土严重污染。此外，某省还曾存有800多个规模不一、遍布城市和农村地区的非正规垃圾填埋场，这些非正规垃圾填埋场未设置防渗系统，污染形势更为严峻。同时，在西南某省广泛分布的红层地区地下水为重要的饮用水源，填埋场渗沥液下渗对周围地下水环境及人体健康带来的危害不容忽视。因此，科学准确的评估地下水污染程度及其影响范围，在此基础上制定经济合理修复方案，是非常必要的。

填埋场地下水污染评估和管控方案制定，通常分成三个阶段：

现场调查

已完成：10% / / ////////

填埋场现场调查需了解各填埋场的工程设计、运行现状、工程区水文地质条件及填埋场外环境关系。调查的方法主要采用收集资料法、现场调查法等，其中，现场调查包括：工程设计调查、水文地质条件调查、填埋场污染现状调查及填埋场污染受体详情调查等。具体调查内容有：

工程设计调查

填埋场占地、地基稳定性、填埋运行现状调查；填埋场防渗、截留系统设计及运行情况调查。

水文地质条件调查

填埋场包气带、含水层岩性组成、厚度、渗透系数等水文地质参数收集；填埋场地形地貌调查；结合区域地质背景特征分析区域地下水类型、补给、径流和排泄条件。

填埋场污染现状调查

填埋场污染源强类型调查；填埋场区域背景水样采集及分析；下游污染地下水水样采集及分析。

填埋场外环境关系调查

填埋场调查区域居民分布情况调查；填埋场区域居民用水情况调查。

构建地下水二级概率风险评价模型

已完成：20% // ////////

以填埋场地下水环境污染风险及污染受体健康风险为关注目标，根据目标调整指标描述的偏重点，增加评价系统判断精度，令指标体系对填埋场地下水污染至功能改变的可能性有完整、详尽的描述能力。由此建立二级概率风险评价模型，分两个阶段对填埋场污染风险进行描述及评价。其中，一级评价借鉴描述固有脆弱性的传统DRASTIC模型，增加考虑描述工程影响因素与污染源影响因素，形成改进型污染评价模型；二级评价利用描述污染受体影响程度的四步法健康风险评价模型。对应上述二级概率风险评价模型，选用适用评价方法，以层次化风险评价思想，完成地下水污染风险的综合评估。

填埋场地下水污染管控措施制定

已完成：30% // / ///////

本文以西南某省非正规生活垃圾填埋场（以下简称“A填埋场”）为例，根据其污染特征设计最适宜的地下水污染防控方案，并采用数值模拟方法对地下水环境污染管控方案能效进行分析，为将来红层地区填埋场污染的管控措施的设计提供理论与技术支持。

填埋场地下水污染管控措施分析

阻隔技术是指通过铺设阻隔层阻断污染物迁移扩散的途径，通过将污染物与周围环境隔离，降低污染物以直接或间接的方式对人体和周围环境造成的危害。据统计，在环境修复过程中阻隔技术是国内应用最广的污染控制技术之一。阻隔技术包括水平阻隔和垂直阻隔两大类。水平阻隔相对简单，国内已针对填埋场形成较为成熟的技术规范；基于此技术衍生出的监测式自然恢复(MNR)，其基本思路是在对填埋场就地封场以最大限度减少渗沥液的产生量的基础上依靠地下水环境中的物理、化学及生物过程而达到自净，使地下水环境得以自然恢复，由于未限制污染物的水平迁移，且无人工干预强化，该方法不适用于库盆未设置防渗系统，且下游地下水环境较敏感的简易填埋场工程。

垂直阻隔根据其机理，主要分为复合阻隔技术及物理阻隔。复合阻隔技术是指基于化学、生物化学及电动力化学等阻隔技术的可渗透反应屏障（Permeable Reactive Barriers，PRB）原位修复处理技术，近年得到迅速发展，但在国内仍处于实验阶段。

物理阻隔技术的机理为通过改变污染物迁移路径中介质的渗透性或水动力条件，以达到减缓污染物迁移扩散，有效缩减污染范围的功效。国内外对此主要集中于针对不同污染物质在阻隔方法及阻隔材质进行研究，如被动收集法即收集廊道法，广泛应用于美国的石油污染场地处置轻质石油类污染物（LNAPL）；水力控制法的研究主要通过优化拦截井布设、控制水力捕获带范围，实现污染物主动收集效率的提高。物理阻隔缺陷在于并非处理方式而使阻隔目标存在潜在渗漏及迁移风险，一般作为污染场地前期控制技术，或复合修复的前端处理技术。

采用水平阻隔及垂向物理阻隔技术的前提下，难以完整阻隔填埋场下伏含水层的侧向补给，虽可在较短时间内达到控制污染晕扩散的目的，但防渗帷幕墙阻隔了地下水的径流排泄过程，将在墙体迎水面出现地下水水位壅高，一定时间后围限区域内被污染地下水甚至会漫过阻隔墙向下游迁移，此刻污染管控措施形同虚设。因此，为防止水位壅高而造成的该类风险，同时强化被污染地下水的处理效率，在防渗帷幕墙内测布设地下水抽水井，抽出被污染地下水，构成阻隔技术与抽出处理（P+T）技术联用的修复方法。

填埋场地下水污染修复实施方案

在调研“A填埋场”污染防控治理方案及地下水污染防控技术的设计等内容，了解各个方案及技术的优缺点。设计适合该填埋场的污染管控措施。最终确定适宜于研究填埋场的污染防控方案是水平、垂直阻隔技术与Pumping+Treat（P+T）技术联用的整治方案。对应填埋场污染防控设施布局见图1。

▲图1 填埋场污染管控设施布局

（1）水平阻隔措施方案

“A填埋场”污染管控方案中水平阻隔措施方案以实施封场技术为主，以《生活垃圾卫生填埋场封场技术规范》（GB51220-2017）要求为基础，由下至上依序完成堆体整形及基础层覆盖、排气导渗系统铺设、防渗层敷设、排水层敷设、生态恢复层敷设，并配套设置雨污分流系统，该水平阻隔措施可有效阻隔填埋场外界水源，降低渗沥液的产生。

（2）垂向阻隔措施方案

通过对“A填埋场”水文地质现状的详细调查，为适应填埋场地质环境，选择设置防渗帷幕墙为垂向阻隔措施，具体布置三排孔进行帷幕灌浆，孔距1.5m，排距0.6m，灌浆深度进入中风化泥岩内不小于2m。钻孔为铅直孔，铅直孔直径不小于46mm。帷幕灌浆分四序灌浆，孔距由稀至密，顺序进行。每孔均采用42.5MPa普通硅酸盐水泥浆液自上而下分段进行灌浆，每段灌浆长度不大于5m，最上一段灌浆终凝之后才允许实施下一段灌浆，灌浆完成后用水泥砂浆封孔。该垂直阻隔措施可在一定时间内有效减缓、阻碍填埋场污染物向下游含水层迁移。

（3）P+T技术方案

通过对填埋场区域地下水补给径流排泄情况的详细调查，为加速地下水污染的修复，可配合垂向阻隔措施设置地下水抽排设施对含水层中污染物浓度及迁移进行控制。设计在垂直阻隔措施防渗帷幕墙前设置两口污染地下水抽排井，并配套抽排管以及渗沥液临时储存罐，定期使用水泵对井内抽排井的污染地下水进行抽排，抽排出的污染地下水暂存在贮存罐内，再由吸污车定期进行收集外运。其中贮存罐的体积以5日最大抽取量确定，抽水量的设置依据达西定律进行计算：

Q=K×i×M×B

式中Q为抽水量 m ³ /d ；K为渗透系数（m/d），本次依据补充水文地质勘察数据统计，取0.0749m/d；i为水力梯度，依据流场校验模型，本次取0.014；M含水层厚度（m），根据水文地质钻探及取值经验本次取30m；B为堆放点污染现状拟合的下游断面宽度（m），取值238m。根据估算，本项目区地下水径流量为7.6 m ³ /d ，本次于堆放点设置3口抽水井，总抽水量7.6 m ³ /d （单口抽水2～3.5 m ³ /d ）等效模拟本项目抽水井。

修复实施方案效能分析

（一）预测方法

基于资料收集和现场调查，分析并掌握项目区的环境和水文地质特征，根据工程特征确定各条件下的污染源强及预测参数，建立以Visual MODFLOW数值计算的水量和水质预测模型，并以COD _M _n 、氨氮为污染指示因子，针对本项目在采取整治措施和未采取整治措施两种情况，地下水恢复情况进行预测。两种处置方案工程内容如下：

（1）采取污染管控措施（水平、垂直阻隔技术与P+T技术联用），在就地封场以最大限度减少渗沥液的产生量的基础上，辅以帷幕灌浆阻止污染羽的扩散迁移，并在帷幕墙内布置污水收集井抽出污染地下水，加速地下水环境恢复。

（2）不采取污染管控措施，经现状调查填埋场已停止使用，仅于堆体上进行简易覆盖，为校验采取污染管控措施的效能，以简易覆盖为对比方案进行污染预测。

（二）模型概化及参数赋值

概念模型的建立主要包括模拟区域的划定及概化、边界条件的确定及水文地质参数的赋值。

（1）模拟区的概化及离散

根据区域水文地质资料，评估区地下水含水层类型为碎屑岩类浅层风化裂隙水，主要补给来源为大气降水。评估区属于典型“红层”地区，该潜水含水层接受大气降雨补给后，受下游河流控制，地下水自北东向南西径流，最终排泄至幸福河。

模型考虑地下水主径流方向、水文地质边界及该含水介质中污染因子的迁移性能，本项目渗流场模拟范围：向西以项目西侧830m为界，向东以项目东侧490m为界，向北以项目北侧454m为界，向南以项目南侧592m为界。模型概化范围1.54km ² 。

模拟区东～西方向作为模型的x轴方向，长1400m，每10m划分一个网格，南～北方向作为模型y轴方向，长1100m，每10m划分一个网格，垂直于xy平面向上为模型z轴正方向，模拟范围400～460m。根据含水介质的性质及模型计算需求，垂向上概化为1层。

▲ 图2 模型边界设置

（2）模拟区边界条件

Modflow将计算单元分成了三大类：定水头单元、无效单元和变水头单元。本次模拟区以项目西侧幸福河为河流边界，其余网格为计算单元格。模型网格划分网格见图2。

（3）模型参数赋值

渗透系数： 根据填埋场水文地质勘察报告、同区域水文地质试验成果及水文地质参数的经验取值，本项目所在区出露地层可概化为泥岩，其渗透系数取值见表1。

▼表1 本次模型参数取值

给水度： 根据区域水文地质资料及模型参数经验取值（表2），本项目区碎屑岩浅层风化裂隙含水层给水度设置为10%。

▼ 表2 给水度经验数据《水文地质手册》

补给量： 根据区域水文地质资料及本项目岩土工程勘察，本项目区内年平均降雨量为924.6mm/a。依据《铁路工程水文地质勘查规程》（TB10049-2004）提供的不同含水介质降雨入渗经验值（表3）。本项目出露白垩系下统天马山组碎屑岩类地层降雨入渗系数取0.10，降雨补给量Recharge设置为92.46mm。

▼ 表3 降雨入渗系数经验数据

弥散系数： 根据文献资料（Gelhar，1992）弥散系数受观测尺度影响较大，纵向弥散度高可靠性区域主要集中于 10 ⁰ ～ 10 ¹ 量级（图4-2），弥散系数与弥散度、渗流速度成正比。依据《地下水污染物迁移模拟技术规范》（建议稿），裂隙介质弥散度介于0.5～38.1m，结合钻孔资料及水力条件计算，渗流速度取值约为 10 ^-2 m/d ，因此模型纵向弥散系数取 0.381m ² /d 。

▲ 图3 纵向弥散度对观测测度

数据根据可靠性分类：弥散系数=弥散度*渗流速度

分布系数K _d 及一级反应速率常数λ： 依据《地下水污染物迁移模拟技术规范》（建议稿）及相关文献调研（1996，Wiedemeier）， NH ₃ -N 分布系数 K _d 取7E-9mg/L，一级反应速率常数λ取0.0006mg/L； COD _Mn 分布系数 K _d 取7E -9mg/L，一级反应速率常数λ取0.001mg/L。

（三）模拟结果分析

根据污染现状，以氨氮为例采用MT3DMS模块对两种方案运行情况下，地下水环境变化趋势进行模拟预测。1#为采取污染管控（水平、垂直阻隔技术与P+T技术联用）的方案，2#为不采取污染管控（简易覆盖）的方案，情况下模拟结果见表4。

▼ 表4 封场后填埋场周边氨氮贡献值分布

在1#为采取污染管控（水平、垂直阻隔技术与P+T技术联用）方案，2#为不采取污染管控（简易覆盖）方案的情况下的模型模拟污染物变化趋势见表5。

▼ 表5 不同管控情况下地下水环境中污染物变化趋势

由于生活垃圾堆填且渗沥液无防渗措施的下渗，已对其周边地下水环境造成一定污染，根据拟合项目区地下水特征污染物COD _Mn 及NH ₃ -N的模拟数据统计，停止堆填时 COD _Mn 的最大贡献值为60mg/L，下游44m范围地下水中 COD _Mn 现已超出GB/T14848-2017Ⅲ类水体限值标准； NH ₃ -N 的最大贡献值为12mg/L，下游63m范围地下水中 NH ₃ -N 现已超出GB/T1484 8-2017Ⅲ类水体限值标准。

对比2种方案运行情况下的填埋场周边渗沥液的污染过程，在采取污染管控（1#水平阻隔+垂向阻隔+P+T技术）后，封场7a后，填埋场下游含水层种 COD _Mn 、 NH ₃ -N 基本恢复至GB/T14848-2017Ⅲ类水体限值标准，超标范围控制在垂向阻隔墙内；不采取污染管控（2#简易覆盖）时，填埋场停止运行后 COD _Mn 、 NH ₃ -N 分别需25a、20a地下水环境恢复至背景值。

总体分析由于红层地区包气带土壤具有较高吸附性，含水层富水性通常较低，地下水迁移速度较慢，污染物截留量较大，该类型地层具有相对较好防污性能。在下游地下水环境不敏感的前提下可考虑使用相对成本较低的2#无污染管控方案（简易覆盖），即通过自然降解完成地下水环境的恢复，地下水污染范围是填埋场下游234m，恢复时间为25a；而在如本项目下游存在地下水污染受体的情况，应采用1#污染管控方案（水平、垂直阻隔技术与P+T技术联用），通过人工干预有效的限制迁移范围，缩减地下水环境的恢复时间，对比2#方案，该方案可减小污染范围在原来的65～80%，缩减时间达54～72%。

文章总结

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本文选择西南某省 “红层”特殊水文地质地区具有典型代表的 “A填埋场”进行详细调查评估，并进行后续污染风险评价分析。

典型填埋场地下水污染现状

通过调查监测，填埋场工程设计、地下水出现污染程度均各不相同各不相同，但总体主要超标因子为无机污染物及有机污染物包括：总硬度、溶解性总固体、硫酸盐、氯化物、锰、COD _Mn 、硝酸盐、氟化物及氨氮。

两级综合评价体系的构建

本文在以含水层系统污染风险及污染受体健康风险为关注目标的基础上，建立二级概率风险评价模型。其中一级模型基于模糊综合评价理论，考虑西南某省典型填埋场的工程因素、水文地质条件、污染源因素三个方面共14个指标因子，构建地下水污染风险评价体系的评价指标；二级评价基于一级评价结果采用NAS四步法健康风险评价模型，对填埋场地下水对人体健康的风险进行评价。

地下水污染管控措施设计

以 “A填埋场”为研究目标，设计“水平阻隔+垂向阻隔+P+T技术”为适合该填埋场的污染管控措施，并采用数值模拟方法，确认地下水环境污染管控方案对恢复填埋场地下水污染具有明显正效应。