简易垃圾填埋场地下水污染风险评价
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［6 ］
一大型城市的地下水源补给区 ， 其巨厚的潜水含水层， 主要成 分是沙和砾石， 厚度在 30 ～ 40 m 之间， 由西向东逐渐变薄。地 下水位埋深在 20 ～ 30 m 之间， 主要的补给水源是大气降水 、 上 80% 发生 游侧向补给和灌溉回渗 。 年平均降水量约 650 mm，
收稿日期： 2013 08 09 基金项目： 环境保护公益性行业科研专项（ 2011467010 ） 。 作者简介： 孙法圣（ 1988 —） ， 硕士研究生， 研究方向为水土环 男， 山东济南人， 境模拟控制与修复。 副教授， 硕士生导师， 主要从事地下 男， 吉林长春人， 通信作者： 张博（ 1971 —） ， 水污染数值模拟与修复研究工作。 Email： hongmeizhangbo@ 163． com
x y z
(
)
(
)
= μ
h t
（ x， y， z ∈ 1） （ x， y， z ∈ D） （ x， y， z ∈ 2） （ 1）
y、 z方 ky 、 k z 分别为 x、 式中： h 为水头； μ 为给水度； t 为时间； k x 、 ny 、 nz 分 向的水力传导系数； h1 为边界水头； h0 为初始水头； n x 、 y、 z 方向的法向量， 别为第二类边界沿 x、 向外为正； q 为第二类 边界单位面积的流量； W 为源汇项； 1 、 2 分别为第一类和第 二类边界； D 为研究区范围。
C 4 ≤C ＜ C 5 C ≥C 5
3
3． 1
结果与讨论
概念模型
该研究区可概化为非均质各向同性潜水含水层系统 。
2
基于过程的简易垃圾填埋场地下水污染风 险评价方法
简易垃圾填埋场对地下水污染的风险水平根据污染晕的
根据区域野外水均衡监测数据 ， 降水入渗系数为 0． 55 ， 农业灌 溉回渗系数为 0． 30 ； 根据抽水试验结果， 渗透系数 k 为 200 ～ 300 m / d， 给水度 μ 为 0． 18 ～ 0． 35 （ 见图 2 ） 。 近年来水源地核 心区的地下水开采量有连续增加的趋势 ， 场地底层为沙质粉土 和细沙， 没有建设防护层， 大气降水落在垃圾场上产生的渗滤 液可以通过底层包气带渗透进入到含水层 。 选择 COD 为特征 污染物， 实验室测定 COD 与含水层介质的吸附关系符合 Langmuir 等温吸附曲线。
在 MT3D 中， 污染物在地下水中的运移控制方程包括对 流、 弥散和化学反应方程， 其形式如式 （ 2 ） ， 用强隐式有限差分 法求解。 C + θ C + q C = （ θCV i ） － θD ij s s x1 x i t x j
。与指数法相比， 过程法功
能更强大， 其最后结果不是一个简单的相对等级 ， 而是用确定 性的方法估计污染可能发生的范围和时间 。 随着城市化进程 的加快， 垃圾填埋量日益增多 ， 垃圾渗滤液已经引起了某些地 区地下水的严重污染 。对于未来新建垃圾场地 ， 垃圾场附近地 下水污染风险评价是一个关键步骤
。地下水污染风险评价 。要想刻画研究区的
方法的选择依据主要有评价的目的和范围 、 数据的易得性、 时 间、 花费及最终用户的需求几个方面
［3 － 5 ］
1
研究区概况
该区是 研究选取的垃圾场位于永定河冲洪积平原的中部 ，
风险特征， 最重要的是熟悉和掌握研究区的各种水文地质参 数。地下水污染风险评价一般分为指数法和过程法 。 指数法 容易操作， 数据易得， 并且能得到分级分类的结果 ， 因而较为流 行。指数法适合在区域尺度上评价和决策优化分析 ， 能在大区 域空间上发现风险性最高的子区
地下水污染的风险指数是含水层的脆弱性 、 污染源的危害 性和污染发生之后恢复难度的综合函数 。 地下水污染风险评 价的方法从简单到复杂 、 从定性化方法到定量化方法 、 从花费 低的到花费高的， 从指数法到过程模拟法， 根据不同的特定研 究区， 选择和使用的方法各不相同
［1 － 2 ］
于物理过程的垃圾填埋场渗滤液对地下水污染风险的评价方 法， 该方法可以模拟水流和污染物的运移 ， 预测场地条件变化 对地下水污染风险的影响 ， 能够较好地刻画污染受体风险水平 的分布。
［7 － 8 ］
。 笔者提出了一种基
· 76·
人 民 黄 河 2014 年第 5 期 后来变成了一个简易垃圾填 在夏季。该区曾经有一个采沙坑 ，
2 埋场， 面积大约为 1 600 万 m 。 该垃圾填埋场至今还在运行 ，
表1 危害等级
源强与风险等级之间的对应关系 低 较低 C 2 ≤C ＜ C 3 中等 C 3 ≤C ＜ C 4 较高 高
第 36 卷第 5 期 2014 年 5 月
人 民 黄 河 YELLOW ＲIVEＲ
Vol ． 36 ， No ． 5 May ， 2014
【 水资源·水环境】
简易垃圾填埋场地下水污染风险评价
1 程 孙法圣 ， 1 品， 张 1 2 博， 何连生 ， 栾
奇
1
（ 1． 吉林大学 环境与资源学院 ， 吉林 长春 130021 ； 2． 中国环境科学研究院 水环境系统工程研究室 ， 北京 100012 ）
图1 风险等级与污染分布的对应关系
首先， 根据野外调查和试验资料 ， 获得该研究区的水文地 k 为渗透 质参数， 建立概念模型和数学模型 ， 模型参数 （ 其中， 系数， μ 为给水度） 分区见图 2 ； 其次， 运用 MODFLOW 和 MT3D 软件进行模拟， 通过试算求出图 1 中 5 个风险等级发生时的污 染源强， 源强与风险等级之间的对应关系见表 1 ； 再次， 把该场 地实际测量的由包气带进入含水层的污染物源强与表 1 对照， 得出该垃圾填埋场地下水污染的风险等级 ； 最后， 对假设的场 景（ 按现状开采量开采地下水和增大开采量开采地下水两种情 景） 进行数值模拟， 得出地下水流场和污染物浓度分布 ， 并作出 风险评价。
浓度和范围来划分。 根据事先假定地下水污染发生时污染晕 的特征与分布范围， 划定地下水污染风险等级 ： 当污染物进入 含水层后， 如果没有形成污染晕 ， 则定义风险等级为低 ； 如果污 染晕扩散范围较小， 仅分布在污染源附近， 地下水质有恶化且 超过了Ⅲ类水质标准， 则定义风险级别为较低； 如果污染物有 一定扩散， 形成较明显的污染晕 ， 但没有影响周边人民的生活 ， 则定义风险级别为中等 ； 如果污染晕扩散范围较大 ， 但没有影 响环境敏感区， 则定义风险级别为较高； 如果污染晕持续不断 扩大， 或者扩散范围已经危害到了周边水源地或敏感区 ， 则定 义风险级别为高。然后， 使用数值模型通过调参与试算的方式 进行反演， 得到不同风险水平下的污染源的源强 ， 以此作为简 易垃圾填埋场地下水污染风险评价的标准 。 按照上述标准划 定的各风险等级的分布范围见图 1 。
3． 2
数学模型
用隐式 在 MODFLOW 中， 使用的水流控制方程为式 （ 1 ） ，
差分法进行求解。
k x h + k y h + （ k z h ） － W z y z x y x y， z， t） │ 1 = h1 （ x， y， z） h（ x， y， z， 0 ） = h0 （ x ， y， z） h（ x， h h h y， z， t） k x n + k y n + k z n │ 2 = q（ x，
摘
要： 根据地下水污染的过程提出了一种简易垃圾填埋场对地下水污染风险的评价方法 。首先假定地下水污染风险
的表征， 划定 5 个风险等级的分布范围 ， 然后使用 MODFLOW 和 MT3D 软件以反演的方式推算出这 5 个风险发生时的污 染源强， 以此对某简易垃圾填埋场地下水污染风险作出评价 ， 最后针对未来周边地下水开采量将会增加等场景 ， 通过数 值模拟得到了可能促使较高风险发生的因素 ， 提出了降低风险等级的措施 。结果表明， 基于物理过程的地下水污染风险 评价方法可以反映地下水的动态特征和污染物的运移状况 ， 还可以对多种假设场景进行验证 ， 对于风险受体来说， 可以 较好地刻画风险水平的分布 。 关 键 词： 垃圾填埋场； 基于过程； 地下水污染； 风险评价 文献标志码： A doi： 10． 3969 / j． issn． 10001379． 2014． 05． 023 中图分类号： X523
Groundwater Pollution Ｒisk Assessment for Simple Waste Landfill
SUN Fasheng1 ，CHENG Pin1 ，ZHANG Bo1 ，He Liansheng2 ，LUAN Qi1
（ 1． College of Environment and Ｒesources，Jilin University，Changchun 130021 ， China； 2． Laboratory of Water Environmental Systems Engineering ，Chinese Ｒesearch Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012 ，China） Abstract： This paper presented a groundwater pollution risk assessment method of simple waste landfill based on groundwater pollution process． Firstly，it assumed the risk characterization of groundwater pollution before delimit the five levels of risk distribution ； secondly，it used the MODFLOW and MT3D software to determine the pollution intensity of each risk level through the method of inversion ； thirdly，it took it as a criterion to evaluate the risk level of a simple waste landfill ； finally，according to the case that exploitation of the groundwater will increase in the future ， it obtained the factors that may cause a higher risk level by numerical simulation and put forward some measures to reduce the risk level． The results show that groundwater pollution risk assessment method based on the physical process can reflect the dynamic characteristics of the groundwater and the migration of contaminant； meanwhile，it can verify a variety of hypothetical scenarios，which can describe the level of risk distribution well for risk receptors． Key words： landfill； processbased； groundwater pollution； risk assessment
但缺乏监管， 各种城市固体废物甚至化工废物和医疗垃圾随意 倾倒其中， 已经发现其下游地下水产生了明显的污染晕 。 填埋 场东北方向是城市供水水源地核心区 ， 如果水源地加大地下水 开采量， 那么地下水漏斗将会扩大到填埋场区域 ， 这将对城市 供水安全造成很大的威胁 。
源强 C / （ L·d － 1 ） C1 ≤C ＜ C2
一大型城市的地下水源补给区 ， 其巨厚的潜水含水层， 主要成 分是沙和砾石， 厚度在 30 ～ 40 m 之间， 由西向东逐渐变薄。地 下水位埋深在 20 ～ 30 m 之间， 主要的补给水源是大气降水 、 上 80% 发生 游侧向补给和灌溉回渗 。 年平均降水量约 650 mm，
收稿日期： 2013 08 09 基金项目： 环境保护公益性行业科研专项（ 2011467010 ） 。 作者简介： 孙法圣（ 1988 —） ， 硕士研究生， 研究方向为水土环 男， 山东济南人， 境模拟控制与修复。 副教授， 硕士生导师， 主要从事地下 男， 吉林长春人， 通信作者： 张博（ 1971 —） ， 水污染数值模拟与修复研究工作。 Email： hongmeizhangbo@ 163． com
x y z
(
)
(
)
= μ
h t
（ x， y， z ∈ 1） （ x， y， z ∈ D） （ x， y， z ∈ 2） （ 1）
y、 z方 ky 、 k z 分别为 x、 式中： h 为水头； μ 为给水度； t 为时间； k x 、 ny 、 nz 分 向的水力传导系数； h1 为边界水头； h0 为初始水头； n x 、 y、 z 方向的法向量， 别为第二类边界沿 x、 向外为正； q 为第二类 边界单位面积的流量； W 为源汇项； 1 、 2 分别为第一类和第 二类边界； D 为研究区范围。
C 4 ≤C ＜ C 5 C ≥C 5
3
3． 1
结果与讨论
概念模型
该研究区可概化为非均质各向同性潜水含水层系统 。
2
基于过程的简易垃圾填埋场地下水污染风 险评价方法
简易垃圾填埋场对地下水污染的风险水平根据污染晕的
根据区域野外水均衡监测数据 ， 降水入渗系数为 0． 55 ， 农业灌 溉回渗系数为 0． 30 ； 根据抽水试验结果， 渗透系数 k 为 200 ～ 300 m / d， 给水度 μ 为 0． 18 ～ 0． 35 （ 见图 2 ） 。 近年来水源地核 心区的地下水开采量有连续增加的趋势 ， 场地底层为沙质粉土 和细沙， 没有建设防护层， 大气降水落在垃圾场上产生的渗滤 液可以通过底层包气带渗透进入到含水层 。 选择 COD 为特征 污染物， 实验室测定 COD 与含水层介质的吸附关系符合 Langmuir 等温吸附曲线。
在 MT3D 中， 污染物在地下水中的运移控制方程包括对 流、 弥散和化学反应方程， 其形式如式 （ 2 ） ， 用强隐式有限差分 法求解。 C + θ C + q C = （ θCV i ） － θD ij s s x1 x i t x j
。与指数法相比， 过程法功
能更强大， 其最后结果不是一个简单的相对等级 ， 而是用确定 性的方法估计污染可能发生的范围和时间 。 随着城市化进程 的加快， 垃圾填埋量日益增多 ， 垃圾渗滤液已经引起了某些地 区地下水的严重污染 。对于未来新建垃圾场地 ， 垃圾场附近地 下水污染风险评价是一个关键步骤
。地下水污染风险评价 。要想刻画研究区的
方法的选择依据主要有评价的目的和范围 、 数据的易得性、 时 间、 花费及最终用户的需求几个方面
［3 － 5 ］
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研究区概况
该区是 研究选取的垃圾场位于永定河冲洪积平原的中部 ，
风险特征， 最重要的是熟悉和掌握研究区的各种水文地质参 数。地下水污染风险评价一般分为指数法和过程法 。 指数法 容易操作， 数据易得， 并且能得到分级分类的结果 ， 因而较为流 行。指数法适合在区域尺度上评价和决策优化分析 ， 能在大区 域空间上发现风险性最高的子区
地下水污染的风险指数是含水层的脆弱性 、 污染源的危害 性和污染发生之后恢复难度的综合函数 。 地下水污染风险评 价的方法从简单到复杂 、 从定性化方法到定量化方法 、 从花费 低的到花费高的， 从指数法到过程模拟法， 根据不同的特定研 究区， 选择和使用的方法各不相同
［1 － 2 ］
于物理过程的垃圾填埋场渗滤液对地下水污染风险的评价方 法， 该方法可以模拟水流和污染物的运移 ， 预测场地条件变化 对地下水污染风险的影响 ， 能够较好地刻画污染受体风险水平 的分布。
［7 － 8 ］
。 笔者提出了一种基
· 76·
人 民 黄 河 2014 年第 5 期 后来变成了一个简易垃圾填 在夏季。该区曾经有一个采沙坑 ，
2 埋场， 面积大约为 1 600 万 m 。 该垃圾填埋场至今还在运行 ，
表1 危害等级
源强与风险等级之间的对应关系 低 较低 C 2 ≤C ＜ C 3 中等 C 3 ≤C ＜ C 4 较高 高
第 36 卷第 5 期 2014 年 5 月
人 民 黄 河 YELLOW ＲIVEＲ
Vol ． 36 ， No ． 5 May ， 2014
【 水资源·水环境】
简易垃圾填埋场地下水污染风险评价
1 程 孙法圣 ， 1 品， 张 1 2 博， 何连生 ， 栾
奇
1
（ 1． 吉林大学 环境与资源学院 ， 吉林 长春 130021 ； 2． 中国环境科学研究院 水环境系统工程研究室 ， 北京 100012 ）
图1 风险等级与污染分布的对应关系
首先， 根据野外调查和试验资料 ， 获得该研究区的水文地 k 为渗透 质参数， 建立概念模型和数学模型 ， 模型参数 （ 其中， 系数， μ 为给水度） 分区见图 2 ； 其次， 运用 MODFLOW 和 MT3D 软件进行模拟， 通过试算求出图 1 中 5 个风险等级发生时的污 染源强， 源强与风险等级之间的对应关系见表 1 ； 再次， 把该场 地实际测量的由包气带进入含水层的污染物源强与表 1 对照， 得出该垃圾填埋场地下水污染的风险等级 ； 最后， 对假设的场 景（ 按现状开采量开采地下水和增大开采量开采地下水两种情 景） 进行数值模拟， 得出地下水流场和污染物浓度分布 ， 并作出 风险评价。
浓度和范围来划分。 根据事先假定地下水污染发生时污染晕 的特征与分布范围， 划定地下水污染风险等级 ： 当污染物进入 含水层后， 如果没有形成污染晕 ， 则定义风险等级为低 ； 如果污 染晕扩散范围较小， 仅分布在污染源附近， 地下水质有恶化且 超过了Ⅲ类水质标准， 则定义风险级别为较低； 如果污染物有 一定扩散， 形成较明显的污染晕 ， 但没有影响周边人民的生活 ， 则定义风险级别为中等 ； 如果污染晕扩散范围较大 ， 但没有影 响环境敏感区， 则定义风险级别为较高； 如果污染晕持续不断 扩大， 或者扩散范围已经危害到了周边水源地或敏感区 ， 则定 义风险级别为高。然后， 使用数值模型通过调参与试算的方式 进行反演， 得到不同风险水平下的污染源的源强 ， 以此作为简 易垃圾填埋场地下水污染风险评价的标准 。 按照上述标准划 定的各风险等级的分布范围见图 1 。
3． 2
数学模型
用隐式 在 MODFLOW 中， 使用的水流控制方程为式 （ 1 ） ，
差分法进行求解。
k x h + k y h + （ k z h ） － W z y z x y x y， z， t） │ 1 = h1 （ x， y， z） h（ x， y， z， 0 ） = h0 （ x ， y， z） h（ x， h h h y， z， t） k x n + k y n + k z n │ 2 = q（ x，
摘
要： 根据地下水污染的过程提出了一种简易垃圾填埋场对地下水污染风险的评价方法 。首先假定地下水污染风险
的表征， 划定 5 个风险等级的分布范围 ， 然后使用 MODFLOW 和 MT3D 软件以反演的方式推算出这 5 个风险发生时的污 染源强， 以此对某简易垃圾填埋场地下水污染风险作出评价 ， 最后针对未来周边地下水开采量将会增加等场景 ， 通过数 值模拟得到了可能促使较高风险发生的因素 ， 提出了降低风险等级的措施 。结果表明， 基于物理过程的地下水污染风险 评价方法可以反映地下水的动态特征和污染物的运移状况 ， 还可以对多种假设场景进行验证 ， 对于风险受体来说， 可以 较好地刻画风险水平的分布 。 关 键 词： 垃圾填埋场； 基于过程； 地下水污染； 风险评价 文献标志码： A doi： 10． 3969 / j． issn． 10001379． 2014． 05． 023 中图分类号： X523
Groundwater Pollution Ｒisk Assessment for Simple Waste Landfill
SUN Fasheng1 ，CHENG Pin1 ，ZHANG Bo1 ，He Liansheng2 ，LUAN Qi1
（ 1． College of Environment and Ｒesources，Jilin University，Changchun 130021 ， China； 2． Laboratory of Water Environmental Systems Engineering ，Chinese Ｒesearch Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012 ，China） Abstract： This paper presented a groundwater pollution risk assessment method of simple waste landfill based on groundwater pollution process． Firstly，it assumed the risk characterization of groundwater pollution before delimit the five levels of risk distribution ； secondly，it used the MODFLOW and MT3D software to determine the pollution intensity of each risk level through the method of inversion ； thirdly，it took it as a criterion to evaluate the risk level of a simple waste landfill ； finally，according to the case that exploitation of the groundwater will increase in the future ， it obtained the factors that may cause a higher risk level by numerical simulation and put forward some measures to reduce the risk level． The results show that groundwater pollution risk assessment method based on the physical process can reflect the dynamic characteristics of the groundwater and the migration of contaminant； meanwhile，it can verify a variety of hypothetical scenarios，which can describe the level of risk distribution well for risk receptors． Key words： landfill； processbased； groundwater pollution； risk assessment
但缺乏监管， 各种城市固体废物甚至化工废物和医疗垃圾随意 倾倒其中， 已经发现其下游地下水产生了明显的污染晕 。 填埋 场东北方向是城市供水水源地核心区 ， 如果水源地加大地下水 开采量， 那么地下水漏斗将会扩大到填埋场区域 ， 这将对城市 供水安全造成很大的威胁 。
源强 C / （ L·d － 1 ） C1 ≤C ＜ C2