【正文】 AL MODFLOW軟件以其良好的輸入、輸出界面成為目前國際上最流行和應(yīng)用最多的地下水模擬軟件。Cary. J 和 Craigh. H等使用了二維和三維的水質(zhì)模型比較了在三種不同的合成防滲襯里溶質(zhì)的遷移速率、流量,以及垃圾滲濾液通過各種防滲層時(shí)的運(yùn)移特點(diǎn)和遷移速率,比較了各種合成防滲材料對不同運(yùn)移特點(diǎn)和遷移速率污染物質(zhì)的截留程度,為減少垃圾對地下水的污染提供了防滲參考。再如Mackay等建立了一個(gè)二維模型模擬農(nóng)場某工業(yè)廢液填埋場中的Cl的遷移。到目前為止,已有比較完善和成熟的計(jì)算方法和數(shù)值模擬軟件。其主要研究內(nèi)容包括垃圾滲濾液的產(chǎn)生機(jī)理、運(yùn)移過程、污染范圍、污染物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程等。在遷移載體水分運(yùn)動(dòng)方面,又發(fā)展到考慮可動(dòng)水體和不可動(dòng)水體等因素。特別是在邊界條件和初始條件設(shè)定方面,更趨于合理和全面。近年來,國外學(xué)者在地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論和試驗(yàn)研究方面又取得了新的進(jìn)展。4)地下水污染數(shù)學(xué)模擬研究及應(yīng)用。但此方法是近些年發(fā)展起來的一種數(shù)值解法,在國外也是剛剛開始,所以它在水質(zhì)模擬問題上的實(shí)際應(yīng)用還是一個(gè)空白。特別在解無限區(qū)域的問題時(shí),邊界元法是行之有效的。3)地下水污染數(shù)學(xué)模型求解方法的研究。地下水質(zhì)模型是20世紀(jì) 70 年代后期發(fā)展起來的。這些資料對分析地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài),預(yù)報(bào)地下水污染發(fā)展趨勢大有幫助。同時(shí)這些國家也相繼建立了水質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫,如美國地質(zhì)調(diào)查局的水資料儲存和檢索系統(tǒng)(WATSTORE)于 1971 年開始運(yùn)轉(zhuǎn),下設(shè)上百個(gè)終端,用戶直接從終端獲得資料。有些國家已建立了地下水質(zhì)觀測站網(wǎng),如美國現(xiàn)有兩萬多個(gè)地下水觀測井,五千余個(gè)水質(zhì)測量站,在全國組成了 250 多個(gè)水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng),對 26 個(gè)洲的地下水污染狀況進(jìn)行了全面調(diào)查及專門性區(qū)域地下水污染的監(jiān)測工作。劉建國等人對垃圾填埋場水分運(yùn)移進(jìn)行了室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),研究了蓋層滲透性較強(qiáng)而襯層滲透性較弱和蓋層、襯層滲透性均較弱的兩種不同防滲配置下系統(tǒng)內(nèi)的水分運(yùn)移規(guī)律,為填埋場防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。夏立江等對城市垃圾滲濾液引起地下水氮污染進(jìn)行了研究,結(jié)果表明垃圾滲濾液中含有高濃度氨態(tài)氮。針對垃圾填埋場滲濾液污染地下水這一具體問題,國內(nèi)研究較多的是有關(guān)垃圾滲濾液的處理及防滲問題,而對評價(jià)垃圾填埋場滲濾液中對地下水環(huán)境、土壤污染的影響研究還處于初期,到目前為止,也有一些研究成果。這以后許多學(xué)者開始進(jìn)行這方面的理論和工程應(yīng)用研究。北京市環(huán)境保護(hù)研究所等單位建立了我國第一個(gè)地下水質(zhì)模型,采用食鹽熒光染料及放射性示蹤劑在野外實(shí)測了彌散系數(shù),取得了國內(nèi)首批彌散系數(shù)野外觀測資料。1980年初山東地質(zhì)局、長春地質(zhì)學(xué)院、地質(zhì)部水文地質(zhì)研究所、山東大學(xué)等單位在濟(jì)南市郊區(qū)進(jìn)行了為預(yù)測地下水污染發(fā)展趨勢的地下水質(zhì)模擬試驗(yàn)研究工作,對地下水污染與水質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)的基本理論及計(jì)算方法進(jìn)行了探討和闡述,探索了彌散系數(shù)的野外測定方法和手段,研討了地下水質(zhì)模擬的計(jì)算方法與模型建立問題,并編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。通常整體研究地下水污染問題，再研究滲濾液的污染。因此，研究垃圾填埋場滲濾液中Cl對地下水的污染規(guī)律有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。嚴(yán)重的還可能誘發(fā)心臟病及各種癌癥。Cl對人的危害極大，人一旦飲入Cl污染的地下水會(huì)在短期內(nèi)對人的黏膜組織灼傷。Cl進(jìn)入地下水之后會(huì)發(fā)生下列3種變化：①稀釋——在通常情況下含水層中的地下水水體要遠(yuǎn)比含Cl的下滲水大得多，因?yàn)楹畬雍穸瓤捎蓭酌椎綆资?，所以Cl進(jìn)入地下含水層之后會(huì)由于稀釋作用使其濃度大大地降低；②轉(zhuǎn)化——含水層的顆粒一般比較粗大，比表面積小，只有較小的吸附能力；③遷移——當(dāng)Cl進(jìn)入地下水之后，會(huì)產(chǎn)生沿地下水的縱向彌散和垂直于流向平行于地下水面的橫向彌散以及沿含水層厚度的豎向彌散。滲濾液中Cl主要來自3個(gè)方面：①地下水進(jìn)入場內(nèi)的水分；②垃圾的自身含水；③垃圾衛(wèi)生填埋后由于微生物分解而產(chǎn)生的水分。滲濾液中Cl對地下水的污染程度僅次于NO3。滲濾液作為一種水溶性的組分，其污染物組成按不同標(biāo)準(zhǔn)可分為不同形式。這個(gè)過程主要包括：①在垃圾填埋場中，降水一部分以地表徑流形式流失，另一部分通過滲透進(jìn)入填埋場表層；②滲透到填埋場表層的水量，一部分直接蒸發(fā)或通過表層植被蒸發(fā)，一部分仍留在覆土層中；③覆土層中水分達(dá)到飽和度后，將直接進(jìn)入填埋場，與垃圾進(jìn)行能質(zhì)交換，滲透到填埋場底部后最終形成滲濾液；④填埋場中垃圾的自身降解，形成一定量的滲濾液；⑤非衛(wèi)生填埋場中，可能有部分地下水進(jìn)入填埋場形成滲濾液。同時(shí)，還需考慮填埋場襯底系統(tǒng)的完整性，因?yàn)槿绻r底系統(tǒng)泄漏，則填埋場內(nèi)滲濾液容易與地下水相互交換，而影響滲濾液性質(zhì)。滲濾液通過垃圾時(shí)，通過淋溶、吸附解析等方式帶下垃圾中各類化合物，從而形成形態(tài)各異的滲濾液。滲濾液主要來源于垃圾本身含有的水分以及進(jìn)入填埋場的雨雪水和其它水分，當(dāng)這些水分扣除垃圾、覆土層的飽和持水量以及填埋場的表面蒸發(fā)量，并歷經(jīng)垃圾層和覆土層而形成的一種高濃度有機(jī)廢水。垃圾填埋場產(chǎn)生大量的滲濾液。解決城市垃圾填埋場對地下水的污染，刻不容緩。監(jiān)測表明，我國城市地下水已普遍受到不同程度的污染，其中受到較重污染的城市占64%，輕污染的城市占33%。我國許多垃圾填埋場采用的是混合填埋法，各種垃圾沒有進(jìn)行分類，統(tǒng)統(tǒng)堆放在一起，且大部分垃圾填埋場防滲層都只有一層結(jié)構(gòu)。本文通過垃圾填埋場滲濾液中Cl對地下水污染規(guī)律的研究，了解地下水污染的污染特點(diǎn)，掌握污染物進(jìn)入地下水含水層的方式和途徑；掌握彌散理論的機(jī)理、遷移模型在不同條件下的表示形式和求解以及遷移模型中各參數(shù)的確定方法。水受污染后，?？梢鹚母泄傩誀類夯?，發(fā)生異臭、異味、異色、呈現(xiàn)泡沫和油膜等，抑制水體天然自凈能力，影響水的利用與衛(wèi)生狀況。生活污水以及制革、屠宰、醫(yī)院等廢水污染水體，?？梢鸺?xì)菌性腸道傳染病和某些寄生蟲病，如傷寒、痢疾、腸炎、霍亂、傳染性肝炎和血吸蟲病等。長期飲用這類水質(zhì)或食用這類生物就可能誘發(fā)癌癥。2）致癌作用。水體受化學(xué)有毒物質(zhì)污染后，通過飲水或食物鏈便可造成中毒，如甲基汞中毒(水痦病)、鎘中毒(骨痛病)、砷中毒、鉻中毒、農(nóng)藥中毒、多氯聯(lián)苯中毒等。有些地區(qū)的地下水污染已到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度，對生產(chǎn)建設(shè)，尤其是對人體健康造成了很大威脅。地下水已經(jīng)成為我國城市用水的主要水源，全國目前有67%的城市以地下水作為主要的供水水源?？刹少Y源量多年平均值為3527億立方米。在很多情況下，地下水是人類賴以生存的飲用水源，而且，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，對地下水資源的要求亦有更高的要求。在我國，水資源時(shí)空分布不均勻，南方占81%，而北方僅為19%。1 研究意義 概述[1]水資源是人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的戰(zhàn)略資源。位居世界第四位，而人均僅2100平方米，僅為世界人均占有量的四分之一，屬于聯(lián)合國公布的13個(gè)嚴(yán)重缺水的國家之一。當(dāng)前，全國660多個(gè)縣級及以上城市中已有400多個(gè)缺水、110多個(gè)嚴(yán)重缺水，城市缺水總量為60億平方米。目前，約占水資源總量的30%。全國地下水資源量中，山丘區(qū)地下水平均年資源量所占比例較大。然而，正是由于生產(chǎn)的發(fā)展和生活水平的提高，產(chǎn)生的固體、氣體及液體廢物越來越多，地下水的污染越來越重。地下水污染對人體健康的影響，主要有以下幾個(gè)方面：1）引起急性和慢性中毒。這是水污染對人體健康危害的主要方面。某些有致癌作用的化學(xué)物質(zhì)，如砷、鉻、鎳、鈹、苯胺、苯并(a)氏和其他多環(huán)芳烴等污染水體后，可在水中懸浮物、底泥和水生生物內(nèi)蓄積。3）發(fā)生以水為媒介的傳染病。4）間接影響。因此研究地下水的污染狀況，預(yù)測其發(fā)展方向，制定相應(yīng)的控制措施以及凈化已污染的地下水體，已成為環(huán)境保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一。 城市垃圾填埋場的現(xiàn)狀[2]垃圾是水污染的來源之一，我國城市對垃圾的處理大多采用填埋的方式。由于這種結(jié)構(gòu)，目前我國許多城市已形成了“垃圾包圍城市”的嚴(yán)重局面，垃圾填埋場普遍存在滲透問題，沒有一個(gè)能達(dá)到國家污染控制標(biāo)準(zhǔn)。垃圾填埋場長期滲漏積累造成有毒物污染地下水，很容易進(jìn)入食物鏈系統(tǒng)，進(jìn)而影響人體健康。 關(guān)于滲濾液[3]作為垃圾處理過程的副產(chǎn)品，滲濾液問題已嚴(yán)重影響我國垃圾處理事業(yè)的健康發(fā)展。目前我國城市生活垃圾的新鮮滲濾液年產(chǎn)量約2900萬噸，可控點(diǎn)源排放的滲濾液為1515萬噸，如果加上填埋場歷年垃圾產(chǎn)生的滲濾液，則其年產(chǎn)量估計(jì)為新鮮滲濾液的數(shù)倍，而1噸滲濾液相當(dāng)于100噸城市污水所含污染物的濃度，無疑對地下水造成了很大的污染。這些來源中，相對而言，填埋場的外部水量（地下水）對于滲濾液產(chǎn)量具有關(guān)鍵性作用?？梢哉f，考慮特定滲濾液性質(zhì)時(shí)，必須將當(dāng)?shù)氐睦鵂顩r、氣候和地質(zhì)情況等因素考慮在內(nèi)。我們有必要了解填埋場與地下水的的遷移過程。 滲濾液中的Cl[4]作為一種含高度污染物的廢水，滲濾液由于其成分復(fù)雜、組成多變、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)，其對周圍環(huán)境的生理生態(tài)習(xí)性及遺傳毒理效應(yīng)等的影響引起了人們極大的關(guān)注，特別是國內(nèi)外眾多城市垃圾填埋場，由于資金、技術(shù)等的原因，在場址建設(shè)過程中并沒有采取嚴(yán)格的防滲措施，這樣一來，這些填埋場就成為一個(gè)持續(xù)的污染源，不斷釋放的滲濾液很容易與地下水進(jìn)行物質(zhì)、能量交換，從而引發(fā)地下水污染，給城市居民飲水等日常生活及生態(tài)環(huán)境造成巨大的，甚至是永久性的災(zāi)害。這里我們研究無機(jī)常量成分中的Cl，即地下水污染物中的無機(jī)污染物。一般滲濾液中的濃度范圍在5004000mg/L,并且隨時(shí)間的降解，其變化趨勢并不明顯，當(dāng)然也有很少一部分會(huì)受到吸附、絡(luò)合和沉淀作用。而影響滲濾液中Cl的水量因素主要包括地形條件、滲入的地下水、垃圾成分、氣候條件和填埋技術(shù)等。此外，隨著水體的流動(dòng)還會(huì)產(chǎn)生對流擴(kuò)散。還會(huì)刺激人的頭皮、皮膚及毛發(fā)細(xì)胞，造成脫毛、加速皮膚老化。但地下水受到Cl污染后，往往不易從顏色、氣味等方面鑒別出來，對人體的影響往往是慢性的長期效應(yīng)。2 研究現(xiàn)狀早在60年代，尤其是70年代以來國內(nèi)外已著手研究地下水中滲濾液污染問題。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀[5]我國20世紀(jì)80年代初才開始研究污染物在含水層中的運(yùn)移。我國對地下水質(zhì)模型的研究起步很晚,直到 20 世紀(jì) 80 年代才開始這項(xiàng)工作。1982 年武漢水利電力學(xué)院應(yīng)用伽遼金有限元法求解了在滲流區(qū)有抽水井條件下的二維溶質(zhì)遷移及在自由表面上有入滲補(bǔ)給時(shí)二維滲流中的溶質(zhì)遷移問題。其中對流彌散模型是使用最多的數(shù)學(xué)模型,許多研究者將該模型加以修正以使模型適用于不同的工程情況。如王曉紅等給出了多孔介質(zhì)和雙重介質(zhì)中垃圾滲濾液運(yùn)移模型的定解問題,運(yùn)用該模型預(yù)測垃圾填埋場的污染擴(kuò)散范圍,為防止垃圾滲濾液污染地下水提供了定量的依據(jù)。蔣惠忠等人通過對北京北天堂垃圾填埋場滲濾液污染組分在含水介質(zhì)中運(yùn)移的室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)分析,揭示了有機(jī)污染物等污染組分在含水介質(zhì)中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律,為垃圾填埋場底部防滲層的設(shè)計(jì)和滲濾液對地下水污染程度的預(yù)報(bào)提供了依據(jù)。 國外研究現(xiàn)狀[6]國外專家的對地下水污染研究總體上主要有以下幾個(gè)方面： 1)監(jiān)測地下水質(zhì)動(dòng)態(tài),建立水質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫,預(yù)報(bào)地下水中污染物的發(fā)展趨勢。日、英、法等國也都建立了水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng),進(jìn)行地下水資源污染情況的監(jiān)測工作。其中水質(zhì)檔案(WQFILE)儲存有包括地表水和地下水的一百多種生物的、化學(xué)的、物理的和放射性化學(xué)特征值的 140 萬個(gè)分析樣資料。2)地下水水質(zhì)模型的研究。目前在一些國家已經(jīng)使用的評價(jià)地下水質(zhì)的數(shù)學(xué)模型有確定性模型、隨機(jī)模型和“黑箱”模型,它們都被用于地下水污染控制,防止海水倒灌和土地鹽堿化以及地下水盆地管理等各方面。國外研究者將邊界元法應(yīng)用于截水流問題,它是將偏微分方程定解問題化為邊界積分方程求解,這個(gè)方法要比有限元法和有限差分法優(yōu)越。目前在國外已將此方法應(yīng)用到解穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流的問題上。但鑒于它在研究地下水污染問題上有著廣闊的發(fā)展前景,已引起國外水文地質(zhì)研究者的高度重視。早在 20世紀(jì)初,國外就開始應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來研究地下水問題,但把數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于地下水質(zhì)模擬研究則是 60 年代以后的事情。深入研究了污染物固相和液相濃度的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,吸附條件則由平衡等溫模式發(fā)展到考慮非平衡吸附模式。美國、英國、荷蘭等國的期刊上,對污染物在地下水中遷移轉(zhuǎn)化的一維模型解析解方面,不斷有新的成果出現(xiàn)。許多學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)垃圾滲濾液對地下水污染方面的試驗(yàn)和理論研究,取得了很大成就。其主要方法是將地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型應(yīng)用進(jìn)來,通過建立數(shù)學(xué)模型和利用數(shù)值模擬方法,建立了水質(zhì)模擬數(shù)學(xué)模型包括確定性模型和隨機(jī)性模型,模型中參數(shù)的確定通過試驗(yàn)計(jì)算得到。如Ellsworth(1996)在露天場進(jìn)行了微區(qū)試驗(yàn)，研究了Cl隨水流在非飽和土壤中的遷移規(guī)律。模型考慮了對流擴(kuò)散降解和吸附的作用,利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)的方法確定含水層的不確定性參數(shù),模型通過以往的試驗(yàn)資料進(jìn)行了率定,結(jié)果表明模擬比較符合實(shí)際污染物的運(yùn)移特點(diǎn)Dmitry， Rudakov等人對固體廢物堆放引起地下含水層污染進(jìn)行了解析模擬,對二維和三維污染物質(zhì)在地下水中的遷移進(jìn)行了研究,為防止地下水污染提供了理論依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)的普及及其性能的提高,出現(xiàn)了許多地下水污染物運(yùn)移的比較成熟的模擬軟件。 存在的問題[7]一個(gè)現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場的建設(shè)必須具備合適的水文、地質(zhì)和環(huán)境條件,并要進(jìn)行專門的規(guī)劃、設(shè)計(jì),精心的施工和科學(xué)的管理。我國已建填埋場往往不重視控制地下徑流和地表水入滲,致使填埋場滲濾液Cl產(chǎn)生量過大,使與之配套的滲濾液處理系統(tǒng)不能滿足處理要求。再則,垃圾污染監(jiān)測系統(tǒng)不健全,垃圾場生態(tài)恢復(fù)意識淡薄等等,都帶來了諸多的問題。主要有以下幾方面:1)切斷污染源頭是控制垃圾滲濾液污染地下水的根本途徑,因此今后應(yīng)研制新型的具有抗老化、耐腐蝕、抗撕裂等適合滲濾液防滲的材料,設(shè)計(jì)合理的防滲結(jié)構(gòu)形式,對各種防滲措施、防滲層滲漏檢測技術(shù)做進(jìn)一步試驗(yàn)研究,找出最優(yōu)的防滲策略。3)現(xiàn)有垃圾填埋場排滲設(shè)施經(jīng)常發(fā)生淤堵現(xiàn)象,垃圾填埋場排滲設(shè)施淤堵的機(jī)理以及抗淤堵的對策(包括水力、機(jī)械、化學(xué)的方法等)需要進(jìn)一步研究。在這方面存在以下幾個(gè)方面的問題及需要進(jìn)一步研究：①對垃圾滲濾液的污染重視不夠,尤其缺少對垃圾滲濾液的系統(tǒng)觀測以及垃圾滲濾液對地下水環(huán)境影響動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的觀測,嚴(yán)重阻礙了垃圾滲濾液對地下水污染的研究進(jìn)展和防滲技術(shù)措施的制定。此外,研究利用一些新的物探技術(shù)對垃圾場周邊進(jìn)行監(jiān)測,如探地雷達(dá)測試技術(shù)可以進(jìn)行地下掩埋垃圾場的調(diào)查,確定年代久遠(yuǎn)垃圾