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)報道，我國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。據(jù)統(tǒng)計，我國近400座城市中大多數(shù)已陷入垃圾填埋場地的重圍。這些過去已經(jīng)存在的垃圾場大多未經(jīng)科學(xué)的設(shè)計與防護處理，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)報和控制這些垃圾填埋場地對地下水的污染，進而對污染進行治理,將是水資源保護的重大課題。我國對城市垃圾填埋場地下水污染的數(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)的下列科研項目的基礎(chǔ)上完成的：國家教委優(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)研究計劃，“城市垃圾的地質(zhì)處理研究”;國土資源部大調(diào)查項目“北京市垃圾處置的地質(zhì)--生態(tài)環(huán)境評價”子課題，“北京市西郊南部地區(qū)垃圾填埋場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)防護的城市垃圾填埋場被認為是造成地下水污染的“定時炸彈”，而且垃圾場地作為一個潛在的污染源與其它地下水污染源具有很大的不同。首先，垃圾填埋場地對地下水的污染，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了困難。本文以不同的垃圾場地，如長春市垃圾填埋場、北京市北天堂垃圾填埋場等為例，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理；研究污染物在地下環(huán)境中運移的模擬預(yù)測和控制方法，并利用模型進行污染控制效果的模擬分析。研究方法包括野外調(diào)查、實驗室物理模擬實驗和計算機數(shù)值模擬分析。
　　1．野外調(diào)查與室內(nèi)模擬實驗
　　分別對北天堂和長春市的幾個垃圾場地進行野外調(diào)查，包括垃圾取樣分析、場地附近的土樣和地表、地下水水樣分析等。研究不同填埋時間的垃圾場中垃圾滲濾液的特點、地下水污染的現(xiàn)狀和趨勢等。
　?。?）垃圾滲濾液變化規(guī)律實驗研究
　　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。隨著外部水對垃圾的淋濾作用的進行，滲濾液中污染物的組分濃度不斷發(fā)生著變化。本實驗即為模擬外部水對垃圾的淋濾作用的實驗。
　　實驗的具體做法是：野外實地取垃圾樣品，裝入高1m內(nèi)徑為15cm的有機玻璃柱中，在裝樣時要盡量保持與垃圾場中的垃圾密度一致。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行分析。淋濾實驗持續(xù)1000多小時，在實驗的開始階段連續(xù)取樣分析，然后，取樣間隔可逐漸增大為24小時、48小時等。垃圾滲濾液的分析項目有：溫度、pH值、電導(dǎo)率、COD、總硬度、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-和NH4+等。分別對不同垃圾場的垃圾進行了本實驗。最后利用曲線擬合建立污染組分變化的模型，并進行預(yù)測分析。
　?。?）垃圾滲濾液污染組份在土層中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的實驗
　　利用土柱和砂箱模擬實驗，研究污染物在包氣帶和含水層中的遷移規(guī)律，并進行有關(guān)參數(shù)的計算。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)，加入垃圾滲濾液進行模擬，取樣分析。其中土柱實驗原理同上，砂箱實驗?zāi)M含水層的情形。最后，利用實驗數(shù)據(jù)進行分析和參數(shù)的計算。
　　（3）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，該垃圾場原為采砂場，在未做任何防滲措施下，進行生活垃圾填埋，垃圾滲濾液進入地下，使地下水遭受污染。污染質(zhì)運移模擬的計算區(qū)面積74.88平方公里（長10400米，寬7200米），應(yīng)用地下水滲流理論和溶質(zhì)運移的彌散理論建立污染物在地下環(huán)境中運移的模型。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動的二維流數(shù)學(xué)方程可以寫成：

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

　　包括對流、彌散和化學(xué)作用的溶質(zhì)運移方程其形式如下：

　　其中CR是化學(xué)作用項，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)的運移的結(jié)果。
　　本文在研究中應(yīng)用了目前國際上地下水污染模擬預(yù)報先進的模擬軟件MT3D等，在建立了污染質(zhì)運移模型并進行模型識別和檢驗后，對填埋場地下水的污染進行了預(yù)報。針對北天堂的具體情況，提出了控制地下水污染的5種方案，并在計算機模型中進行控制效果的模擬分析，為垃圾場地污染的控制和治理提供依據(jù)。

三、 結(jié)果與討論

　　（1）不同階段的垃圾場，其滲濾液中污染物組分濃度不同，但垃圾淋濾實驗表明，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。
　?。?）通過室內(nèi)模擬實驗，得到了垃圾滲濾液在包氣帶和含水層中遷移的規(guī)律;對其作用機理進行了探討; 求得了污染質(zhì)在介質(zhì)中運移的阻滯因子和水化學(xué)遷移率等參數(shù)。
　?。?）通過污染質(zhì)運移模型的模擬計算，得到了2001、2005和2010年北天堂垃圾場地下水污染暈的擴展。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。如果未來增大地下水的開采量或由于其它原因使地下水流場改變較大，那么污染的范圍和遷移的距離會更大。模擬計算分別給出了正常年份、官廳水庫放水條件下和增大地下水開采量時地下水污染暈的變化動態(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)。
　?。?）通過實驗室實驗和計算機模擬計算分析，提出了北天堂地區(qū)垃圾場地地下水污染的治理策略，具體分為兩個步驟：首先對污染源-垃圾場滲濾液的滲漏進行控制，即首先避免污染源進一步的污染; 然后在已污染的范圍內(nèi)進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。
　?。?）對于垃圾場地下水污染的控制，具體提出了設(shè)置頂部防滲蓋層和垂向防滲屏障的措施，并對頂部防滲層的設(shè)置效果進行了模型模擬計算。通過模擬計算，得到了避免垃圾場地下水污染的頂部防護層的設(shè)置要求，即頂部防護層的滲透系數(shù)應(yīng)足夠小，使外部水進入垃圾場的入滲量控制在小于36mm/yr。
　?。?）同頂部蓋層一樣，垃圾場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，對三種情況進行了模擬計算。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)和垃圾場內(nèi)部飽和滲濾液的高度。當(dāng)垃圾場中淋濾液的高度為0.5m時，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對地下水的污染。
　　（7）今后應(yīng)重視對城市垃圾場地地下水污染的研究工作。加強對垃圾場地的尋找、設(shè)計、運轉(zhuǎn)、結(jié)束后的管理和環(huán)境監(jiān)測工作。特別應(yīng)加強對垃圾場底部、側(cè)部和頂部防護層的研究，尋找適合我國實際情況、經(jīng)濟有效的垃圾場防護系統(tǒng)。
　?。?）建議對已經(jīng)污染地下水的城市垃圾場地開展污染模擬預(yù)報工作，在此基礎(chǔ)上進行污染的控制和恢復(fù)治理方法的研究，如水動力控制，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。
　　（9）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)長期觀測資料，對包括垃圾場地在內(nèi)的點源污染源和非點源污染源信息進行分析預(yù)測，進而達到地下水污染的預(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。