第六章(3)-地下水數(shù)值模擬模型的應(yīng)用實例xiugai

其它結(jié)論地下水溶質(zhì)運移模型模擬結(jié)果顯示，受地下水流場的控制，污染物主要向北、東方向擴展。到2006年12月氯離子60mg/l等值線向北擴展250m左右，已經(jīng)到達河西村。人中村處于地下水流動的上游，雖然離垃圾場很近，但被垃圾滲濾液污染的可能性較小。垃圾滲濾液將有可觀的數(shù)量，排泄到地表水體中。地下水溶質(zhì)運移模型—BTEX

BTEX在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化途徑主要包括大氣、地表水及地下水中的轉(zhuǎn)化（圖5-26）。BTEX在環(huán)境中的自然轉(zhuǎn)化圖地下水系統(tǒng)中一個較長時間存在的污染源生物化學(xué)作用分區(qū)地下水溶質(zhì)運移模型建立BTEX的生物降解化學(xué)反應(yīng)模型在本次模擬中共考慮5個BTEX的降解過程：（1）有氧狀態(tài)下有機物BTEX的好氧呼吸作用。（2）厭氧狀態(tài)下在反硝化細菌作用下，NO3-作為電子接受體，接受電子氧化BTEX。（3）厭氧狀態(tài)下在鐵還原菌的作用下，F(xiàn)e(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ)接受電子，氧化BTEX。（4）厭氧狀態(tài)下在硫酸根還原菌的作用下，S6+還原為S2-接受電子，氧化BTEX。（5）厭氧狀態(tài)下在產(chǎn)甲烷菌的作用下BTEX的降解。假設(shè)以上5個作用發(fā)生的順序1→2→3→4→5，且所有的反應(yīng)均發(fā)生在地下水中。模擬區(qū)范圍及模擬放大區(qū)域位置圖模擬結(jié)果分析1、BTEX在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

從模擬結(jié)果看0.01mg/l等值線在垃圾場運行10年左右向北擴展50m、20年擴展84m。垃圾填埋場區(qū)BTEX濃度最高，整個場區(qū)濃度均在1.5mg/l以上。這是由于雖然垃圾填埋場中BTEX的降解速率是比較高的，但是由于垃圾滲濾液中BTEX不斷補充，BTEX的濃度仍然保持上升的趨勢，污染羽逐漸向四周擴展。BTEX濃度變化特點

圖5-37為垃圾填埋場區(qū)BTEX濃度變化，從圖中可以看出，從垃圾填埋場運行開始，填埋場內(nèi)BTEX濃度波動上升，垃圾場運行10年左右BTEX濃度穩(wěn)定在2mg/l左右。垃圾填埋場區(qū)BTEX濃度變化（mg/l）

圖5-38為觀測井DG3中BTEX濃度變化，該井距離垃圾填埋場約100m。從圖中可以看出，垃圾填埋場運行16年（6000天）左右，該井中的地下水受到BTEX的影響。垃圾填埋場運行9000天左右，該井中BTEX濃度升高到0.0004mg/l。圖5-38井DG3中BTEX濃度變化（mg/l）BTEX濃度變化特點2、溶解氧在地下水中的濃度分布規(guī)律

從圖5-49～5-51中看出垃圾填埋場運行2年左右，填埋場中心區(qū)就完全進入缺氧狀態(tài)，BTEX在該填埋場中主要通過厭氧條件下的生物化學(xué)作用降解。越遠離垃圾場溶解氧的消耗速率越慢。當距填埋場中心超過150m左右時，可以看到溶解氧的濃度隨季節(jié)變化明顯，而填埋場中心溶解氧濃度則受季節(jié)降雨影響較弱.

這只是由于溶解氧在填埋場中心的消耗速率過快而將季節(jié)降雨的影響掩蓋了。降雨是影響溶解氧濃度的因素之一。圖5-49垃圾場中心（cellId：4867）溶解氧濃度變化曲線圖5-50距垃圾場中心約100m（cellId：4467）溶解氧濃度變化曲線圖5-51距垃圾場中心約150m（cellId：4227）溶解氧濃度變化曲線3、硫酸根在地下水中的濃度分布規(guī)律圖5-64距垃圾場中心約250m（cellId：3987）硫酸根濃度變化曲線

圖5-63距垃圾場中心約200m污染羽邊緣（cellId：4147）硫酸根濃度變化曲線圖5-60垃圾場中心（cellId：4867）硫酸根濃度變化曲線在所有點中硫酸根都隨季節(jié)有輕微的波動，這可能是由于雨季降雨對地下水中隨酸根的稀釋作用。在填埋場中心，由于硫酸根是補給源，硫酸根的濃度是持續(xù)上升的，并在6000d左右時基本穩(wěn)定。隨著距填埋場的距離增加，硫酸根上升的速率逐漸降低。在污染羽邊緣（約200m）處，硫酸根先是降低然后增加，這是因為一開始該區(qū)域固有的硫酸根先與BTEX反應(yīng)，而垃圾滲濾液中的硫酸根還沒有補給到這一區(qū)域，所以硫酸根離子先降低，隨后硫酸根逐漸補給，故其濃度又開始逐漸增加。在污染羽范圍之外，硫酸根離子則是逐漸降低。4、亞鐵離子在地下水中的濃度分布規(guī)律圖5-71垃圾場中心（cellId：4867）亞鐵離子濃度變化曲線圖5-72距垃圾場中心約100m（cellId：4467）亞鐵離子濃度變化曲線圖5-73距垃圾場中心約150m（cellId：4307）亞鐵離子濃度變化曲線

我們?nèi)∪齻€點的濃度歷時曲線來觀察亞鐵離子的濃度變化特點，很明顯亞鐵離子都是出于逐漸上升的趨勢。在填埋場中心亞鐵離子濃度在5000d左右時基本穩(wěn)定在25mg/l。越接近填埋場中心，亞鐵離子隨季節(jié)降雨變化明顯。

5、硝酸根在地下水中的濃度分布規(guī)律圖5-82垃圾場中心（cellId：4867）硝酸根濃度變化曲線圖5-83距垃圾場中心約100m（cellId：4467）硝酸根濃度變化曲線圖5-84距垃圾場中心約200m（cellId：4867）硝酸根濃度變化曲線

硝酸根最容易參與BTEX的生物降解過程，作為電子受體，為微生物生長提供能量。模型中設(shè)定的補給濃度20mg/l，模擬結(jié)果顯示，在垃圾填埋場區(qū)地下水中硝酸根離子濃度并不高。填埋場運行三年左右，填埋場中心的硝酸根濃度基本上為0，隨季節(jié)降雨有非常輕微的浮動。距垃圾場約100m的地區(qū)在垃圾場運行4500d左右時，硝酸根濃度基本為0。越遠離填埋場，硝酸根的消耗速率越慢。硝酸根的濃度值隨季節(jié)降雨變化較明顯。模型參數(shù)敏感性分析－－孔隙度隨著孔隙度的增加，BTEX的濃度降低。隨著孔隙度的增加，溶解氧的消耗速率降低。初期，隨著孔隙度增加，硝酸根離子濃度減小。之后，隨著孔隙度增加，硝酸根離子濃度增加。隨著孔隙度增加，亞鐵離子的濃度降低，直至亞鐵離子的濃度均穩(wěn)定在25mg/l

隨著孔隙度增加，硫酸根離子的濃度降低孔隙度的改變對模型的各個反應(yīng)過程均有影響，但最重要的結(jié)論是孔隙度的增加可以促進BTEX的降解。模型參數(shù)敏感性分析－－孔隙度模型參數(shù)敏感性分析－－縱向彌散系數(shù)

雖然縱向彌散系數(shù)對于BTEX生物降解模型的各個反應(yīng)過程都有不同程度的影響，但綜合來看，圖5-90表示了在本模型中縱向彌散系數(shù)的改變對于BTEX降解的影響是微乎其微的。湖州松鼠嶺垃圾填埋場滲濾液在

含水層中遷移規(guī)律數(shù)值模擬研究a：概念模型場區(qū)為三面環(huán)山地形，與單斜地層基本構(gòu)成一獨立的水文地質(zhì)單元。填埋場地下方分布有新生界第四系及中生界侏羅系、古生界二疊系地層。本區(qū)第四系地層分布不甚規(guī)律，缺少全新統(tǒng)。上更新統(tǒng)下段洪積層（蓮花組PLQ3）以黃色粘土、亞粘土組成，缺少砂礫層位。平均厚度約3米左右；中更新統(tǒng)洪積層（之江組PLQ2）以棕紅色粘土、亞粘土組成，結(jié)構(gòu)緊密，層厚一般為7米左右。第四系下覆有埋藏型裂隙巖溶水，含水層由古生界二疊系下統(tǒng)棲霞組（P3q）、石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）、中統(tǒng)黃龍組（Czh）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成。

第四系中、上更新統(tǒng)地層主要物理性質(zhì)為：天然含水率約22.3%~27.5%，天然容重約18.7~20.5KN/m3，比重約2.67~2.76/m3，孔隙比約0.65~0.91，天然滲透系數(shù)約4.7*10-6米/晝夜。填埋場處在地下水位以上，地面為中生界侏羅系黃尖組（J3h）含礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r風(fēng)化后的黃色粘土。滲濾水對地下水的污染下滲過程，根據(jù)地下水污染源上游與下游水的化學(xué)、微生物等監(jiān)測結(jié)果進行評價。地下水的試樣是從完全穿透粘土層的3個監(jiān)測井中取得，污染擴散效應(yīng)見表5.湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究

在填埋場上游處的地下水天然特性可由1號測井為代表。在距填埋場邊緣約10米處的2號井和下游30米處的3號井數(shù)據(jù)相差不大，說明滲濾水的污染擴散效應(yīng)較弱。同時，對填埋場東側(cè)小溪流經(jīng)的83029部隊深井水質(zhì)進行了調(diào)查。調(diào)查結(jié)果除F-含量為1.42mg/L，超GB5749-85標準外，其余指標均在飲用水質(zhì)允許范圍內(nèi)。模擬區(qū)總體上可以概化為三個含水層：1.淺部孔隙水含水層；2.基巖孔隙—裂隙水含水層；3.下部基巖裂隙含水層。淺部孔隙水含水層與基巖孔隙—裂隙水含水層接受大氣降水補給，一方面垂直入滲補給下部基巖裂隙含水層，另一方面從地勢高處向低處排泄，于陡坎處以泉流方式出露地表，泉流量0.005-0.03l/s。地下水的流向基本與地形一直，從周邊向溝谷方向流動，沿溝谷由北向南流動（圖6-7）。研究區(qū)整可以概化為非均質(zhì)各向異性的地下水三維非穩(wěn)定流動系統(tǒng)湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究圖6-7松鼠嶺垃圾填埋場周邊環(huán)境、淺層地下水流向及部分采樣點位置湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究b:網(wǎng)格剖分本次模擬研究采用等間距矩形網(wǎng)格對模擬區(qū)域進行離散化，X方向網(wǎng)格間距約為39m，Y方向網(wǎng)格間距為40m。依據(jù)概念模型，根據(jù)巖性分布狀況，模型在垂向上分為3層。平面上整個研究區(qū)剖分為1945個單元，整個模擬區(qū)域共剖分為5862個單元（右圖）。湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究網(wǎng)格剖分立體圖c：初始水位

在地下水數(shù)值模擬中，通常根據(jù)研究區(qū)內(nèi)所有觀測孔、抽水孔(井)和地表水位資料，插值獲得各結(jié)點的初始水頭值。本次模擬研究開始于垃圾填埋場填埋時刻（1991年），因此很難獲得當時的觀測水位。由于研究區(qū)地下水位比較穩(wěn)定且模擬面積較少的特點，根據(jù)水均衡原理，首先應(yīng)用穩(wěn)定流模型，模擬出初始流場(右圖)，用作模型的初始水位。湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究d：模擬時段及模型檢驗本次模擬時間從1991年1月-2050年1月，應(yīng)力期以月為單位，時間步長為1天。由于該區(qū)沒有長觀孔，因此只能用調(diào)查的地表出露水位進行模型檢驗。該模擬區(qū)沒有大的開采井，地下水位比較穩(wěn)定，地表水出露較多，因此在沒有觀測井的情況下采用地表出露水位檢驗?zāi)Ｐ停ㄓ覉D）。從檢驗結(jié)果看，模型基本上能夠反映出該區(qū)地下水位的變化狀態(tài)。湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究

湖州松鼠嶺垃圾填埋場位于溝谷之內(nèi)，較容易接受降雨的補給，垃圾產(chǎn)液量較高。在本次模擬中，采用降雨量即是垃圾滲濾液產(chǎn)量的方法，粗略模擬垃圾滲濾液的影響范圍。湖州垃圾填埋場填埋垃圾已經(jīng)達15年之久，采樣分析時間只是在最近三年展開。從采樣分析結(jié)果看,氯離子濃度非常高，且濃度變化大（圖6-12）。因此本次模擬中應(yīng)用五次采樣的平均濃度（5547mg/l）作為垃圾滲濾液的氯離子濃度。圖6-12垃圾滲濾液中氯離子含量變化圖e：污染源強度及彌散參數(shù)取值由于該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性變化大，要獲取準確的彌散參數(shù)非常困難，因此在本次模擬中采用經(jīng)驗值計算（表6.1）。研究中采用氯離子作為保守性離子模擬污染羽的擴展范圍，沒有考慮吸附解吸及其他化學(xué)作用表6.1溶質(zhì)遷移模擬參數(shù)表

參數(shù)第一層第二層第三層aL(m)0.50.20.20.40.30.2湖州松鼠嶺垃圾填埋場數(shù)值模擬研究f：模擬結(jié)果分析垃圾填埋場從1991年開始填埋垃圾，到1996年12月孔隙含水層中5mg/l等值線向南移動800m左右。永力機械廠的供水深井HS119已經(jīng)處于垃圾滲濾液的影響范圍之內(nèi)。第二模擬層中，到1996年12月氯離子5mg/l等值線向西南方向擴展300m左右。第三模擬層中地下水，到1996年12月幾乎沒有受到滲濾液影響。對比2008年12月與1996年12月第一模擬層氯離子等值線發(fā)現(xiàn)，5mg/l等值線展布范圍在這12年中幾乎沒有發(fā)生遷移。分析原因可能是該區(qū)溝谷地形，地下水的側(cè)向補給比較大，垃圾滲濾液到了下游受到的稀釋作用比較大。f：模擬結(jié)果分析（2）

該模擬區(qū)最重要的一口開采深井為永力機械廠的供水井，處于垃圾填埋場下游800m左右的竹林中。圖6-18為井HS119所在位置淺層含水層中氯離子濃度變化曲線。從圖中可以看出，垃圾填埋場運行4年左右，該區(qū)就受到垃圾滲濾液的影響，氯離子濃度穩(wěn)定在0.25mg/l左右。f：模擬結(jié)果分析（2）圖6-18井HS119所在位置淺層含水層中氯離子濃度變化（mg/l）井HS119所在位置深層含水層中氯離子濃度變化（mg/l）

圖為井HS119所在位置，深層含水層中氯離子濃度變化曲線。從圖中可以看出垃圾填埋場運行14年（5000天）左右，該含水層受到垃圾滲濾液的影響，氯離子濃度穩(wěn)定在0.00007mg/l左右。模擬結(jié)果顯示該井明顯的受到了垃圾滲濾液的影響，這與采樣分析的結(jié)果相吻合。f：模擬結(jié)果分析（2）

在本次模擬中主要考慮地下水對垃圾滲濾液中污染物的傳輸作用，而沒有模擬溝谷溪水對垃圾滲濾液的運移作用。實際上研究區(qū)溝谷中的小溪，對滲漏垃圾滲濾液的遠距離輸送起到非常關(guān)鍵的作用，可能會導(dǎo)致垃圾填埋場下游較遠距離的地表水及地下水污染。f：模擬結(jié)果分析（2）

由于該區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、巖性變化大，模型的彌散參數(shù)采用經(jīng)驗值，因此只分析三個典型參數(shù)對模擬結(jié)果的影響，即水平滲透系數(shù)HorizonalK、垂直滲透系數(shù)VerticalK和孔隙度Porosity對模擬結(jié)果的影響。本次分析采用單一變量原則，分析對HorizonalK、VerticalK和Porosity放大到200%和縮小到50%后，與原模型參數(shù)相比.g：模型參數(shù)影響分析參數(shù)變化對水頭的影響1、等水頭線變化趨勢與模型原參數(shù)變化趨勢相同

2、局部放大后可發(fā)現(xiàn)，與模型原參數(shù)等水頭線相比，50m等水頭線都后退一段距離，這與水文地質(zhì)學(xué)常識相符。

3、當三個參數(shù)都變化0.5倍時，孔隙度Porosity對水頭的影響最大，其次為垂直滲透系數(shù)VerticalK和水平滲透系數(shù)HorizonalK可以初步得出結(jié)論，孔隙度Porosity對模型的影響更為敏感

1、等水頭線變化趨勢與模型原參數(shù)變化趨勢相同2、局部放大后可發(fā)現(xiàn)，與模型原參數(shù)等水頭線相比，50m等水頭線都前進一段距離，這與水文地質(zhì)學(xué)常識相符。3、觀察上圖可發(fā)現(xiàn)，1991年11月第三層50m等水頭線的前后分布順序與圖6-17相符，都是綠色線前進最遠，其次為紅線和黑線。而2020年1月第一層的等水頭線與參數(shù)不變化時相比前進一段距離，但三條等水頭線基本重合，此時參數(shù)變化對模擬結(jié)果影響相同，分析其原因可能是由于局部巖性所致。(1)參數(shù)變化對水頭的影響(2)參數(shù)變化對Cl-1濃度的影響

當三個參數(shù)分別縮小0.5倍時，HorizonalK、VerticalK和Porosity對三個網(wǎng)格Cl-的濃度變化影響很小，與模型原參數(shù)基本一致。由此可見，當參數(shù)縮小時，Cl-的濃度變幾乎沒有影響。

當三個參數(shù)分別放大2倍時，erticalK和Porosity對三個網(wǎng)格Cl-的濃度變影響很小，而當水平滲透系數(shù)HorizonalK放大兩倍時，Cl-的濃度差別與其他三項差別很大。由此可見，水平滲透數(shù)HorizonalK對該地區(qū)Cl-分布較為敏感。主要成果及認識最終成果（1）嘉興垃圾填埋場垃圾滲濾液在地下水中的遷移數(shù)值模擬研究報告（2）湖州松鼠嶺垃圾填埋場垃圾滲濾液在地下水中的遷移數(shù)值模擬研究報告嘉興垃圾填埋場研究結(jié)論嘉興垃圾填埋場處于降雨豐富、河網(wǎng)密布的杭嘉湖平原上，是一個沒有經(jīng)過任何防護處理的垃圾堆放場。垃圾場從1996年開始堆放垃圾，至今已經(jīng)堆放垃圾70萬m3。由于垃圾山高出地面20多m，且沒有經(jīng)過有效的防護處理，導(dǎo)致垃圾滲濾液對周圍的環(huán)境產(chǎn)生嚴重的影響。通過研究主要得出以下結(jié)論：（1）該垃圾場瀕臨北郊河、平湖塘，降雨時候，大量的垃圾滲濾液直接從垃圾山上流入河流，導(dǎo)致地表水體遭受嚴重污染。（2）野外采樣分析發(fā)現(xiàn)，地下水中有機物單項指標濃度均不高，檢出率較高的為二氯甲烷、氯仿、1.2-二氯甲烷、苯、1.2-二氯丙烷及甲苯。（3）通土柱淋濾實驗研究發(fā)現(xiàn)：

a：在不同的土質(zhì)中，Cl-保守性存在差異，當Cl-濃度較高時該區(qū)廣泛分布的粉沙土對Cl-具有一定的吸附作用。在平衡濃度為4445mg/l時，氯離子的分配系數(shù)為0.18l/kg。

b：

SO42-和F-隨垃圾滲濾液通過粉砂土?xí)r，能夠被粉砂土大量的吸附，SO42-在平衡濃度為145mg/l時，分配系數(shù)為0.69l/kg。細沙對SO42-基本有吸附作用，壤土有小量的吸附。

c：離子交換作用從土柱中解吸出來的陰離子主要是NO3-。該區(qū)被垃圾滲濾液污染的地下水中NO3-將會有上升的趨勢，會導(dǎo)致地下水中NO3-濃度超標。（4）雖然該區(qū)巖性滲透性較低，但模擬結(jié)果表明，到2009年1月份氯離子10mg/l等值線向北移動220m左右，到2011年整個河西浜完全處于垃圾滲濾液的影響范圍。嘉興垃圾填埋場研究結(jié)論（5）當BTEX的補給濃度為10mg/l時，通過多電子接受體（溶解氧、硝酸根、硫酸根、鐵離子）的BTEX生物降解反應(yīng)數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)：

a：

BTEX0.01mg/l等值線在垃圾場運行10年左右向北擴展50m、20年擴展84m，垃圾填埋場區(qū)BTEX濃度最高，整個垃圾場區(qū)濃度均在1.5mg/l以上。ｂ：模型分析發(fā)現(xiàn)，垃圾填埋場運行兩年左右，在垃圾填埋區(qū)就出現(xiàn)了無氧區(qū)。隨著反應(yīng)的進行亞鐵離子不多積累，導(dǎo)致地下水中亞鐵離子含量不斷升高。硝酸根消耗較大，濃度不是很高。

嘉興垃圾填埋場研究結(jié)論總的來說，該區(qū)地下水流動速度慢，微生物有較充分的時間及電子接受體來降解有機物，因此地下水中有機物濃度不是很高。湖州松鼠嶺垃圾填埋場研究雖然湖州松鼠嶺垃圾填埋場是一個經(jīng)過防護處理的衛(wèi)生填埋場，但由于其位于灰?guī)r裂隙及巖溶較發(fā)育區(qū)的溝谷中，且垃圾滲濾液產(chǎn)量較高，可能對深部地下水造成嚴重的污染。

通過研究發(fā)現(xiàn)：（1）該垃圾填埋場滲濾液中有機物濃度含量極高，2007年1月份的采樣分析發(fā)現(xiàn)COD為50539mg/l。（2）該垃圾填埋場滲濾液已經(jīng)滲漏，且對周邊灰?guī)r產(chǎn)生強烈的侵蝕作用。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)該垃圾場滲濾液中含碳酸氫根的濃度極高（2007.1測為14490mg/l），分析主要因為垃圾滲濾液侵蝕灰?guī)r導(dǎo)