趙勇勝 何連生
吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院

一、課題背景

　　城市垃圾是環(huán)境與水資源的重要污染源之一，據(jù)報(bào)道，我國(guó)城市生活垃圾的平均日產(chǎn)量為人均0.7-1kg，而且每年以10%左右的速度增加。目前，我國(guó)絕大多數(shù)的城市垃圾采用了垃圾填埋的方法，在城市周圍存在著眾多的垃圾填埋場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近400座城市中大多數(shù)已陷入垃圾填埋場(chǎng)地的重圍。這些過(guò)去已經(jīng)存在的垃圾場(chǎng)大多未經(jīng)科學(xué)的設(shè)計(jì)與防護(hù)處理，有的直接在低洼地帶堆放，造成了周圍環(huán)境和地下水的污染。如何預(yù)報(bào)和控制這些垃圾填埋場(chǎng)地對(duì)地下水的污染，進(jìn)而對(duì)污染進(jìn)行治理,將是水資源保護(hù)的重大課題。我國(guó)對(duì)城市垃圾填埋場(chǎng)地下水污染的數(shù)值模擬和控制方面的研究還很少。本文是在作者已經(jīng)完成和正在承擔(dān)的下列科研項(xiàng)目的基礎(chǔ)上完成的：國(guó)家教委優(yōu)秀年輕教師基金，“城市垃圾地質(zhì)處理方法及環(huán)境污染模擬研究”;吉林省杰出青年科學(xué)研究計(jì)劃，“城市垃圾的地質(zhì)處理研究”;國(guó)土資源部大調(diào)查項(xiàng)目“北京市垃圾處置的地質(zhì)--生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)”子課題，“北京市西郊南部地區(qū)垃圾填埋場(chǎng)地下水污染模擬及恢復(fù)治理策略研究”。

二、研究方法

　　未經(jīng)科學(xué)防護(hù)的城市垃圾填埋場(chǎng)被認(rèn)為是造成地下水污染的“定時(shí)炸彈”，而且垃圾場(chǎng)地作為一個(gè)潛在的污染源與其它地下水污染源具有很大的不同。首先，垃圾填埋場(chǎng)地對(duì)地下水的污染，及其污染程度受多種因素的影響;其次，垃圾滲濾液中的污染物組成十分復(fù)雜，而且不斷發(fā)生著變化，給污染的模擬與控制帶來(lái)了困難。本文以不同的垃圾場(chǎng)地，如長(zhǎng)春市垃圾填埋場(chǎng)、北京市北天堂垃圾填埋場(chǎng)等為例，研究垃圾滲濾液的變化規(guī)律及其在地下環(huán)境中的遷移和作用機(jī)理；研究污染物在地下環(huán)境中運(yùn)移的模擬預(yù)測(cè)和控制方法，并利用模型進(jìn)行污染控制效果的模擬分析。研究方法包括野外調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析。
　　1．野外調(diào)查與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)
　　分別對(duì)北天堂和長(zhǎng)春市的幾個(gè)垃圾場(chǎng)地進(jìn)行野外調(diào)查，包括垃圾取樣分析、場(chǎng)地附近的土樣和地表、地下水水樣分析等。研究不同填埋時(shí)間的垃圾場(chǎng)中垃圾滲濾液的特點(diǎn)、地下水污染的現(xiàn)狀和趨勢(shì)等。
　?。?）垃圾滲濾液變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究
　　垃圾填埋以后，由于廢物中水分和外部水的滲入，形成了污染物組分復(fù)雜、污染濃度大的垃圾滲濾液。隨著外部水對(duì)垃圾的淋濾作用的進(jìn)行，滲濾液中污染物的組分濃度不斷發(fā)生著變化。本實(shí)驗(yàn)即為模擬外部水對(duì)垃圾的淋濾作用的實(shí)驗(yàn)。
　　實(shí)驗(yàn)的具體做法是：野外實(shí)地取垃圾樣品，裝入高1m內(nèi)徑為15cm的有機(jī)玻璃柱中，在裝樣時(shí)要盡量保持與垃圾場(chǎng)中的垃圾密度一致。在柱的上部設(shè)置降水（外部水）模擬裝置，在柱底部取滲濾液樣進(jìn)行分析。淋濾實(shí)驗(yàn)持續(xù)1000多小時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的開始階段連續(xù)取樣分析，然后，取樣間隔可逐漸增大為24小時(shí)、48小時(shí)等。垃圾滲濾液的分析項(xiàng)目有：溫度、pH值、電導(dǎo)率、COD、總硬度、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-和NH4+等。分別對(duì)不同垃圾場(chǎng)的垃圾進(jìn)行了本實(shí)驗(yàn)。最后利用曲線擬合建立污染組分變化的模型，并進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。
　　（2）垃圾滲濾液污染組份在土層中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)
　　利用土柱和砂箱模擬實(shí)驗(yàn)，研究污染物在包氣帶和含水層中的遷移規(guī)律，并進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。取研究區(qū)包氣帶和含水層土樣，分別裝入土柱和砂箱中，盡量模擬其天然狀態(tài)，加入垃圾滲濾液進(jìn)行模擬，取樣分析。其中土柱實(shí)驗(yàn)原理同上，砂箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M含水層的情形。最后，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和參數(shù)的計(jì)算。
　?。?）阻滯系數(shù)和水化學(xué)遷移率的確定
　　根據(jù)污染質(zhì)在介質(zhì)中的運(yùn)移理論，阻滯因子可由兩種方法求得：

R=(ρ/n)K_d+1 R=V/V^t

　　式中R—阻滯因子，ρ—土的容重，n—土的有效孔隙度，Kd—分配系數(shù)，V—滲透流體的平均流速，Vˊ—污染質(zhì)遷移鋒面速度。
　　水化學(xué)遷移率E是污染質(zhì)遷移鋒面移動(dòng)速度與平均滲透速度的比值，即E=V’/V=1/R。
　　2．地下水污染的數(shù)值模擬及污染控制方法和效果
　　研究區(qū)為北京市的北天堂垃圾填埋場(chǎng)，該垃圾場(chǎng)原為采砂場(chǎng)，在未做任何防滲措施下，進(jìn)行生活垃圾填埋，垃圾滲濾液進(jìn)入地下，使地下水遭受污染。污染質(zhì)運(yùn)移模擬的計(jì)算區(qū)面積74.88平方公里（長(zhǎng)10400米，寬7200米），應(yīng)用地下水滲流理論和溶質(zhì)運(yùn)移的彌散理論建立污染物在地下環(huán)境中運(yùn)移的模型。根據(jù)Pinder和 Bredehoft（1968)的工作，在非均質(zhì)各向異性含水層中水流運(yùn)動(dòng)的二維流數(shù)學(xué)方程可以寫成：

　　
　　其中：Tij一水動(dòng)力傳導(dǎo)系數(shù)；h一地下水位；S一儲(chǔ)水系數(shù)；t一時(shí)間；W = w(x，y，t)源匯項(xiàng)；xi，xj — 座標(biāo)。

　　包括對(duì)流、彌散和化學(xué)作用的溶質(zhì)運(yùn)移方程其形式如下：

　　其中CR是化學(xué)作用項(xiàng)，它包括離子交替吸附、化學(xué)反應(yīng)等。Dij為含水層的彌散系數(shù)： C — 模擬污染質(zhì)的濃度；n — 有效孔隙度；C＇— 模擬污染質(zhì)的源匯濃度；W — 源匯單位面積上的通量；Vi — 滲流速度。聯(lián)合求解上述方程，就可得到污染質(zhì)的運(yùn)移的結(jié)果。
　　本文在研究中應(yīng)用了目前國(guó)際上地下水污染模擬預(yù)報(bào)先進(jìn)的模擬軟件MT3D等，在建立了污染質(zhì)運(yùn)移模型并進(jìn)行模型識(shí)別和檢驗(yàn)后，對(duì)填埋場(chǎng)地下水的污染進(jìn)行了預(yù)報(bào)。針對(duì)北天堂的具體情況，提出了控制地下水污染的5種方案，并在計(jì)算機(jī)模型中進(jìn)行控制效果的模擬分析，為垃圾場(chǎng)地污染的控制和治理提供依據(jù)。

三、 結(jié)果與討論

　?。?）不同階段的垃圾場(chǎng)，其滲濾液中污染物組分濃度不同，但垃圾淋濾實(shí)驗(yàn)表明，COD、電導(dǎo)率和硬度等變化規(guī)律大致呈現(xiàn)指數(shù)或冪函數(shù)式衰減。
　?。?）通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，得到了垃圾滲濾液在包氣帶和含水層中遷移的規(guī)律;對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了探討; 求得了污染質(zhì)在介質(zhì)中運(yùn)移的阻滯因子和水化學(xué)遷移率等參數(shù)。
　?。?）通過(guò)污染質(zhì)運(yùn)移模型的模擬計(jì)算，得到了2001、2005和2010年北天堂垃圾場(chǎng)地下水污染暈的擴(kuò)展。結(jié)果表明雖然污染質(zhì)有自然凈化和降解作用，但由于污染源得不到控制，地下水的污染范圍仍逐年增大，在正常情況下，到2010年，地下水的污染面積大于2km2，向下游遷移的距離為1750m。如果未來(lái)增大地下水的開采量或由于其它原因使地下水流場(chǎng)改變較大，那么污染的范圍和遷移的距離會(huì)更大。模擬計(jì)算分別給出了正常年份、官?gòu)d水庫(kù)放水條件下和增大地下水開采量時(shí)地下水污染暈的變化動(dòng)態(tài)，為地下水資源的開發(fā)利用和科學(xué)管理提供了依據(jù)。
　?。?）通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算分析，提出了北天堂地區(qū)垃圾場(chǎng)地地下水污染的治理策略，具體分為兩個(gè)步驟：首先對(duì)污染源-垃圾場(chǎng)滲濾液的滲漏進(jìn)行控制，即首先避免污染源進(jìn)一步的污染; 然后在已污染的范圍內(nèi)進(jìn)行地下水污染的恢復(fù)和治理工作，并提出了應(yīng)采用原位治理和本能恢復(fù)治理的方法。
　?。?）對(duì)于垃圾場(chǎng)地下水污染的控制，具體提出了設(shè)置頂部防滲蓋層和垂向防滲屏障的措施，并對(duì)頂部防滲層的設(shè)置效果進(jìn)行了模型模擬計(jì)算。通過(guò)模擬計(jì)算，得到了避免垃圾場(chǎng)地下水污染的頂部防護(hù)層的設(shè)置要求，即頂部防護(hù)層的滲透系數(shù)應(yīng)足夠小，使外部水進(jìn)入垃圾場(chǎng)的入滲量控制在小于36mm/yr。
　?。?）同頂部蓋層一樣，垃圾場(chǎng)的底部防滲層是防止地下水污染所必須的工程措施，本次研究考慮了防滲層的厚度、滲透系數(shù)和滲濾液的高度，對(duì)三種情況進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明：滲濾液向含水層的滲透量主要取決于防滲層的厚度、滲透系數(shù)和垃圾場(chǎng)內(nèi)部飽和滲濾液的高度。當(dāng)垃圾場(chǎng)中淋濾液的高度為0.5m時(shí)，設(shè)置滲透系數(shù)為10-7cm/s、具有2m厚的粘性土層可以有效地防止垃圾場(chǎng)對(duì)地下水的污染。
　?。?）今后應(yīng)重視對(duì)城市垃圾場(chǎng)地地下水污染的研究工作。加強(qiáng)對(duì)垃圾場(chǎng)地的尋找、設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)、結(jié)束后的管理和環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。特別應(yīng)加強(qiáng)對(duì)垃圾場(chǎng)底部、側(cè)部和頂部防護(hù)層的研究，尋找適合我國(guó)實(shí)際情況、經(jīng)濟(jì)有效的垃圾場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng)。
　?。?）建議對(duì)已經(jīng)污染地下水的城市垃圾場(chǎng)地開展污染模擬預(yù)報(bào)工作，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行污染的控制和恢復(fù)治理方法的研究，如水動(dòng)力控制，屏障工程設(shè)置，廢物的化學(xué)、微生物化學(xué)反應(yīng)，滲濾液控制等。
　?。?）建議建立地下水資源的決策預(yù)警系統(tǒng)，充分開發(fā)和利用現(xiàn)有的地下水水位、水量和水質(zhì)長(zhǎng)期觀測(cè)資料，對(duì)包括垃圾場(chǎng)地在內(nèi)的點(diǎn)源污染源和非點(diǎn)源污染源信息進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，進(jìn)而達(dá)到地下水污染的預(yù)防控制的目的，為科學(xué)合理地開發(fā)利用水資源提供決策支持。