填埋是固體廢物處置的重要手段，由于兼具低成本和低技術(shù)壁壘等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)尤其是中國、印度和墨西哥等發(fā)展中國家，被作為固體廢物風(fēng)險管控的首選方式。然而研究表明，盡管現(xiàn)代填埋場試圖通過設(shè)計、建設(shè)及建設(shè)過程的質(zhì)量控制、運行管理等控制固廢填埋過程中的滲濾液滲漏和地下水污染風(fēng)險問題，但是絕大多數(shù)填埋場都難以避免土工膜原生缺陷(制造過程產(chǎn)生)和安裝缺陷(土工膜鋪設(shè)及填埋場運行過程的尖銳物穿孔、應(yīng)力撕裂和焊縫開裂)，以及其導(dǎo)致的滲濾液滲漏問題。此外，通過襯墊的蒸汽擴散也將導(dǎo)致滲濾液中污染組分尤其是有機組分通過土工膜滲漏并進入土壤和水生環(huán)境，進而對地下水甚至是填埋場周圍居民產(chǎn)生危害。
國內(nèi)外諸多學(xué)者采用多種方式證實滲濾液及其組分的產(chǎn)生和泄露對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康會產(chǎn)生不利影響。如Fatta等通過取樣和化探的方式分析證實絕大部分填埋場附近地下水不僅存在不同程度的常規(guī)污染物(COD、BOD和氨氮)，還含有許多種類的有毒有害組分(如重金屬和POPs等)，甚至一些新興污染物，如藥物、個人護理產(chǎn)品和納米粒子等的報道也屢見不鮮。其次，一些學(xué)者還通過地面穿透雷達(GPR)、電磁場(EC)和電阻率層析成像(ERT)等物探方式表征滲濾液污染范圍。此外，過程模型方法也被廣泛用于填埋場滲濾液遷移轉(zhuǎn)化、累積模擬及其風(fēng)險評估。如美國環(huán)境保護局風(fēng)險減小實驗室(RiskReductionEngineeringLaboratory)開發(fā)了用于預(yù)測滲濾液產(chǎn)生及滲漏的HELP模型(填埋場水文過程評估模型)，并廣泛應(yīng)用于填埋場的性能評估、設(shè)計優(yōu)化和滲漏預(yù)測，美國環(huán)境保護局開發(fā)的EPACMTP模型(滲濾液遷移轉(zhuǎn)化復(fù)合模型)用于模擬預(yù)測滲濾液滲漏后多組分多介質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程，并評估其多途徑暴露風(fēng)險。
盡管相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者利用物探、污染、模型模擬等諸多手段，從毒理學(xué)、污染風(fēng)險、健康風(fēng)險多角度評估了填埋場滲漏的潛在危害。但是大部分研究均針對“年輕”填埋場，未考慮填埋場核心材料老化對滲漏和長期污染風(fēng)險的影響。然而相關(guān)研究表明：異常高溫或低溫、紫外線輻射、蠕變和化學(xué)腐蝕將使得HDPE膜發(fā)生化學(xué)老化，導(dǎo)致滲透系數(shù)、漏洞數(shù)量和漏洞面積增加，填埋場建設(shè)、運行中的機械破損、堆體沉降等因素會造成土工膜物理破損，如焊縫開裂、機械損傷等。英國GolderAssociates開發(fā)的Landsim模型(填埋場地下水污染風(fēng)險模擬模型)通過概化土工膜材料的老化過程，并將其耦合進入填埋場滲濾液產(chǎn)生過程模型和滲濾液滲漏后遷移轉(zhuǎn)化過程模型，為土工膜材料劣化和缺陷演化條件下的長期環(huán)境風(fēng)險評估提供了好的借鑒和工具方法，徐亞等利用Landsim模型，基于一系列假設(shè)的老化參數(shù)，對危險廢物填埋場長期運行的滲漏環(huán)境風(fēng)險和污染風(fēng)險進行了評估。然而，上述研究所采用的土工膜老化參數(shù)都是基于室內(nèi)老化試驗，對于實際填埋場環(huán)境下的土工膜材料老化和缺陷演化規(guī)律，及其對填埋場長期滲漏影響的研究鮮見報道。
為彌補上述研究中存在的不足，該研究選擇西南區(qū)域某危險廢物填埋場作為研究對象，選擇As作為研究目標，通過現(xiàn)場采樣和室內(nèi)分析獲取土工膜材料老化和缺陷演化的關(guān)鍵指標參數(shù)，基于Landsim模型與HELP模型模擬填埋場防滲材料老化條件下的滲濾液滲漏和地下水污染風(fēng)險演變過程，量化分析其短期(0~5a)、中期(5~10a)和長期(>10a)3個階段的滲濾液滲漏和地下水污染風(fēng)險特征，為危險廢物填埋場的長期環(huán)境風(fēng)險管理提供決策指導(dǎo)和技術(shù)支持。
一、模型與方法
防滲系統(tǒng)HDPE膜(高密度聚乙烯膜)是危險廢物填埋場的核心組件，其性能直接決定填埋場對危險廢物及其有毒有害組分的阻隔能力，即防滲效果。HDPE膜老化對滲濾液滲漏速率的影響主要通過兩個方面產(chǎn)生作用：首先是老化導(dǎo)致滲透系數(shù)降低，根據(jù)達西滲流定律，滲透系數(shù)降低，滲漏速率增大，其次，老化導(dǎo)致HDPE膜力學(xué)性能，如抗撕裂、抗拉伸等性能下降，在同樣的外界應(yīng)力荷載條件下，HDPE膜的缺陷數(shù)量增加或缺陷面積增大，從而導(dǎo)致滲漏速率增加，周邊地下水污染逐漸加重。
在不考慮HDPE膜老化的條件下，填埋場的滲濾液從產(chǎn)生、滲漏直至對地下水造成污染，需要經(jīng)歷降雨、下滲、側(cè)向?qū)?、淋溶、漏洞滲透及飽和-非飽和帶遷移轉(zhuǎn)化等10余個地表地下水文過程。因此，準確評估填埋場滲濾液對地下水的影響，需要綜合考慮上述所有水文過程，計算極為復(fù)雜，再考慮HDPE膜老化導(dǎo)致的性能指標參數(shù)變化，計算更為復(fù)雜。為此，英國環(huán)境保護局委托GolderAssociates開發(fā)了Landsim模型，對HDPE膜老化條件下的滲濾液產(chǎn)生、滲漏及其地下水環(huán)境影響進行預(yù)測，只需要輸入填埋場結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料特性、水文地質(zhì)條件及HDPE膜老化參數(shù)，就可以對HDPE膜老化條件下填埋場滲濾液的產(chǎn)生、滲漏和地下水污染情況進行預(yù)測。
1.1 老化過程的概化及Landsim模型參數(shù)需求
填埋場中HDPE膜常被用于封場覆蓋系統(tǒng)和滲濾液防滲系統(tǒng)，Landsim模型對兩個系統(tǒng)中HDPE膜老化的概化方式不同，所要求輸入的老化參數(shù)亦有所不同。
對于封場覆蓋系統(tǒng)，Landsim模型假設(shè)封場覆蓋系統(tǒng)HDPE膜的老化會影響其堆體入滲量。在未開始老化之前，填埋場堆體入滲量等于設(shè)計入滲量，隨著HDPE膜材料開始老化(t0時刻)，入滲量線性增加，直至t1時刻HDPE膜到達半衰期，此時入滲量達到最大值(見圖1)。因此對于封場覆蓋系統(tǒng)HDPE膜的老化，關(guān)鍵輸入?yún)?shù)是HDPE膜老化開始時間t0和達到半衰期的時間t1，以及對應(yīng)的堆體入滲量(設(shè)計入滲量和最大入滲量)。
對于滲濾液防滲系統(tǒng)，Landsim模型認為HDPE膜老化會導(dǎo)致其漏洞數(shù)量和滲透系數(shù)增加。在未開始老化之前，HDPE膜滲透系數(shù)等于設(shè)計值K0，通常為1×10-14m∕s，漏洞數(shù)量等于初始漏洞數(shù)量N0(即HDPE膜生產(chǎn)過程和鋪設(shè)安裝過程產(chǎn)生的漏洞數(shù)量之和)，當(dāng)其t0時刻開始老化后，假設(shè)老化速率為s(性能每年衰減的百分比)，其滲透系數(shù)和漏洞數(shù)量按照老化速率增大，關(guān)鍵是確定t0、N0和s。
1.2 堆體入滲量的確定
Landsim模型需要設(shè)計入滲量和最大入滲量作為輸入?yún)?shù)。填埋場堆體入滲量受降雨、蒸發(fā)、地表坡度和坡長、植被類型、封場覆蓋系統(tǒng)等情況的影響，該研究采用HELP模型進行計算。HELP模型是美國地質(zhì)調(diào)查局為美國環(huán)境保護局開發(fā)的填埋場水文特性評估模型，該模型不僅集成世界各地近10000個氣象站點的14年氣象數(shù)據(jù)，并基于該數(shù)據(jù)估計出全球3000個以上地點的日、月、年尺度的降雨量、氣溫和太陽輻射數(shù)據(jù)。同時還綜合考慮了表面儲水、徑流、入滲、蒸發(fā)蒸騰等要素對堆體入滲量的影響。只需要根據(jù)填埋場所在位置選擇代表性的氣象站點，并設(shè)置好填埋場封場后的地表參數(shù)(如坡度、坡長、植被類型等)和封場覆蓋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)(雨水導(dǎo)排介質(zhì)滲透系數(shù)、HDPE膜滲透系數(shù)和漏洞數(shù)量等)，就可以對堆體入滲量進行估算。
對于設(shè)計入滲量，通過在HELP模型中設(shè)置相應(yīng)的氣象站點和地表參數(shù)，并假設(shè)HDPE膜滲透系數(shù)為K0(1×10-14m∕s)、漏洞數(shù)量為N0，計算得到。
對于最大入滲量，保持其他參數(shù)不變，假設(shè)HDPE膜完全老化后滲透系數(shù)等于下方黏土的滲透系數(shù)(10-8m∕s)。該條件下，漏洞數(shù)量對堆體入滲量不產(chǎn)生影響，因此可設(shè)定為任一大于N0的值。
1.3 HDPE膜老化時間和老化速率確定
梁森榮等[27]認為HDPE膜老化過程可用3-STAGE模型概化，即認為其老化過程包括STAGEⅠ(抗氧化劑的耗損階段)、STAGEⅡ(聚合物的氧化誘導(dǎo)階段)和STAGEⅢ(老化失效階段)(見圖2)。STAGEⅠ中，HDPE膜主要發(fā)生抗氧化劑的消耗，滲透系數(shù)和力學(xué)性能不發(fā)生任何變化，至STAGEⅡ，HDPE膜的抗氧化劑完全消耗，但直至STAGEⅢ開始之前，力學(xué)性能和滲透系數(shù)均不發(fā)生任何變化，至STAGEⅢ開始，力學(xué)性能和滲透性能均以老化速率s逐漸退化。亦即t0數(shù)值上等于STAGEⅠ和STAGEⅡ長度之和，t1數(shù)值上等于STAGEⅠ、STAGEⅡ和STAGEⅢ之和。
STAGEⅠ的長度通過檢測HDPE膜的OIT(氧化誘發(fā)期)確定，理論上當(dāng)OIT等于0時表示達到STAGEⅠ，STAGEⅡ通過觀測其主要性能指標的變化確定，一旦性能指標開始衰減，即認為達到STAGEⅡ，STAGEⅢ的老化速率通過檢測任意2個時刻的主要性能指標參數(shù)，計算其變化速率并取其最大值確定。當(dāng)任一性能指標的殘余率小于初始性能的50%時，認為達到半衰期。
1.4 初始漏洞檢測
HDPE膜在生產(chǎn)過程和建設(shè)過程中均可能產(chǎn)生破損或缺陷，對應(yīng)的漏洞即初始漏洞。該研究采用美國環(huán)境保護局推薦的偶極子方法(dipolemethod)檢測，其基本原理是利用HDPE膜的高阻特性，在膜的上下兩側(cè)分別放置一個供電電極并接在高壓信號源的兩端，根據(jù)采集到的電勢信號異常對漏洞進行精準定位。
二、案例研究
2.1 填埋場基本信息
填埋場位于我國西南地區(qū)，該區(qū)域是典型的中溫帶大陸性氣候，年均降水量208.4mm，年均蒸發(fā)量2616.9mm，通常被認為非常不利于滲濾液的產(chǎn)生，是危險廢物填埋場選址的有利條件。目標填埋場設(shè)計庫容為360×104m3，填埋庫區(qū)庫底防滲結(jié)構(gòu)采用復(fù)合襯層設(shè)計。水文地質(zhì)勘測資料顯示，該區(qū)域水流維度為一維線性，因此只需考慮包氣帶水流模型的上邊界和下邊界。包氣帶上方與填埋場底部相連，接受滲濾液的滲漏補給，因此其水流邊界可視為給定流量邊界。根據(jù)填埋廢物主要成分確定As為滲濾液中主要污染物，以As為目標污染物進行研究。
2.2 模型基本參數(shù)
Landsim模型進行模擬所需參數(shù)包括入滲參數(shù)、填埋場及廢物特性參數(shù)、防滲系統(tǒng)參數(shù)以及多孔介質(zhì)水流和溶質(zhì)運移參數(shù)四類(見表1)。入滲參數(shù)和防滲系統(tǒng)參數(shù)分別根據(jù)HELP模型計算和現(xiàn)場檢測得到。大部分參數(shù)是通過現(xiàn)場測定或根據(jù)設(shè)計參數(shù)確定，少部分參數(shù)或者通常取值較為固定，或者對風(fēng)險結(jié)果影響較小，因此Landsim模型建議取缺省值即可。
2.2.1 入滲參數(shù)計算
如1.2節(jié)所述，利用HELP模型直接生成研究區(qū)域內(nèi)年氣象數(shù)據(jù)(降雨量、太陽輻射及溫度)，并進行地表徑流量、堆體下滲量和蒸發(fā)量的計算。結(jié)果(見圖3)表明，年降雨量在266~369mm之間，其中208~330mm化為蒸發(fā)量，極小部分化為地表徑流量，另一部分化為堆體下滲量。在不同場景下的入滲強度分別為39~161mm(自然入滲量)和26.1~68.1mm(設(shè)計入滲量)。
2.2.2 老化參數(shù)計算
Landsim模型模擬所需的防滲系統(tǒng)參數(shù)使用1.1節(jié)的試驗方法得到。對該填埋場填埋區(qū)HDPE膜進行檢測，填埋區(qū)防滲層HDPE膜的漏洞數(shù)量為4.9個∕(104m2)。
該填埋場HDPE膜性能指標參數(shù)測試結(jié)果見表2。由表2可見，HDPE膜的OIT測試值為零，這表明HDPE膜已經(jīng)開始老化。由于其各項性能的初始值未知，因此假設(shè)各指標的初始值均為初始性能為CJ∕T234—2006«垃圾填埋場用高密度聚乙烯土工膜»規(guī)定的最低限值。各項性能指標中拉伸斷裂強度(橫向)的退化最快，6a下降了40%(HDPE膜鋪設(shè)時間為2012年，檢測時間為2018年)。同時，其2019年的測試數(shù)據(jù)顯示其拉伸斷裂強度(橫向)殘余率為8%。據(jù)此推算，該填埋場服役環(huán)境下，HDPE膜年老化速率為8%，老化開始時間t0為第2年，半衰期時間t1為8a。
2.3 結(jié)果與討論
選擇典型距離處的暴露點進行風(fēng)險分析，包括50m(廠界內(nèi))、100、200、400m(廠界外)、800m(防護范圍處)和1000m(防護范圍外)，模擬了短期(0~5a)、中期(5~10a)和長期(>10a)的滲濾液滲漏和地下水污染情況，并基于2.2節(jié)老化試驗參數(shù)和其他模型參數(shù)，利用Landsim模型模擬。
2.3.1 滲漏量隨時間的變化規(guī)律
圖4分別模擬了短期、中期和長期滲漏速率隨時間的變化情況，在初始時刻滲漏量接近0，這是因為該填埋場設(shè)置有多層粘土襯墊，其滲透系數(shù)很小，滲濾液穿過粘土襯墊需要經(jīng)歷較長的時間。模擬結(jié)果顯示：短期內(nèi)，滲漏量驟增，P-95%(95%分位值，下同)時滲漏速率變化最大，2a增至9m3∕d，中期滲透速率增加量逐漸減小，滲漏量依然在增加，30a后滲漏量達到最大，滲漏速率趨于穩(wěn)定。這是因為隨著入滲時間的延長，堆體中滲濾液的儲量逐漸增加，防滲膜上的飽和水位升高，進而導(dǎo)致水力壓頭升高，滲漏速率也會逐漸增加。
圖5為不同時間滲漏速率的累計頻率分布。根據(jù)圖5，以滲漏速率平均值進行討論，5a內(nèi)滲漏速率的增長不明顯，而在5~10a滲漏速率較短期(0~5a)有近1倍的增長，至100a滲漏速率的增加更加明顯，較5a內(nèi)有近4倍增長，較5~10a也有近2~3倍增長。以圖5中累積頻率達到0.5時為例，第3年和第5年的滲漏速率分別為6.0和7.8m3∕d。而第10年為11.3m3∕d，增長近1倍，至100a，滲漏速率為32.5m3∕d，較之5a內(nèi)與5~10a均有大幅增長。
2.3.2 地下水污染風(fēng)險
P-50%(50%分位值，下同)為平均風(fēng)險水平下的污染物濃度預(yù)測值，選擇該值進行分析以反映一般情況下填埋場滲漏對地下水的影響。圖6為不同距離暴露點處地下水中ρ(As)隨時間的變化曲線。從圖6可以看出：①短期內(nèi)所有廠界外點位(1000、800、400、200和100m)的峰值ρ(As)極小，幾乎為0mg∕L。50m處，第5年的P-50%也僅為0.0001mg∕L，200m處地下水中ρ(As)雖有波動，但是都遠低于GB∕T14848—2017«地下水質(zhì)量標準»Ⅲ類水質(zhì)標準限值，環(huán)境風(fēng)險可以接受。②中期而言，1000和800m處地下水中ρ(As)為10-8和10-13mg∕L，低于GB∕T14848—2017Ⅲ類水質(zhì)標準限值，400m處地下水中ρ(As)極低，為0.0001mg∕L，200、100m處地下水中ρ(As)分別為0.135和0.413mg∕L，已超出GB∕T14848—2017Ⅲ類水質(zhì)標準限值[31]，50m處地下水中ρ(As)達0.60g∕L，超過GB∕T14848—2017Ⅲ類水質(zhì)標準限值近12倍。
進一步考慮填埋場主要單元老化條件下的長期風(fēng)險，從圖6也可以看出：第22年，距離1000m處(防護范圍外)的地下水中ρ(As)的P-50%均超過GB∕T14848—2017Ⅲ水質(zhì)標準限值，800m處(防護范圍處)地下水中ρ(As)的P-50%在19a超過GB∕T14848—2017Ⅲ類水質(zhì)標準限值。
圖7為考慮填埋長期性能老化條件下，不同距離暴露點處地下水中ρ(As)峰值曲線的累計頻率分布。假設(shè)相關(guān)標準中污染組分i的標準限值為CLi，暴露點處污染組分i的濃度的累計頻率分布為F(Ci)，則暴露點處地下水中ρ(As)超標的概率P可以通過式(1)計算。
根據(jù)式(1)結(jié)合圖7計算可得地下水中ρ(As)的超標概率(見表3)。由表3可見：①短期內(nèi)，廠界外所有模擬點位(100、200、400、800和1000m)，地下水中ρ(As)均為0，風(fēng)險可忽略，廠界內(nèi)模擬點位(50m)地下水中ρ(As)不為0，但其超過GB∕T14848—2017Ⅲ類水質(zhì)標準限值的概率為0，表明風(fēng)險很小。②中期內(nèi)，在考慮填埋場長期性能老化的情況下，200m內(nèi)模擬點位地下水中ρ(As)的超標概率大于80%，廠界內(nèi)距離填埋場邊界50m處地下水中ρ(As)的超標概率更高達97%，但在800m以上及400~800m之間的模擬點位，地下水中ρ(As)超標概率為0。③長期內(nèi)，各個模擬點位，包括距離最遠的1000m處地下水中ρ(As)超標的概率達100%，污染風(fēng)險大。
2.4 不確定性分析
利用過程模型進行風(fēng)險評估容易受到不確定性因素的影響，其中最重要的是模型參數(shù)的不確定性。如EPACMTP模型中含水層孔隙度都具有很大的空間變異性。此外，HELP模型中的降雨量在填埋場規(guī)模上的空間變異性較小，具有很強的時間變異性，各變量的概率分布在2.2節(jié)中確定(見表1)?？紤]參數(shù)不確定性的影響，計算得到地下水中ρ(As)的累計頻率分布，以及不同分位值(P-5%、P-10%、P-50%、P-90%和P-95%)對應(yīng)的質(zhì)量濃度。不確定性可以用P-95%與P-50%的比值來表征，根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)計算得到不同時期(短期、中期和長期)的不確定性分別為1、1~2和1~3。可見，在不同時期不確定性對結(jié)果的影響不同。短期內(nèi)地下水中ρ(As)極小，對結(jié)果基本無影響，中期影響增大，50m處P-95%與P-50%地下水中ρ(As)最大相差1倍，400m及更遠處，影響較小，地下水中ρ(As)相差不大，長期影響較大，而且隨著時間的增長，逐漸增大，P-95%與P-50%地下水中ρ(As)最大可相差2倍。
三、結(jié)論
a)短期內(nèi)，滲漏量驟增，P-95%時滲漏速率變化最大，中期滲透速率增加量逐漸減小，滲漏量依然在增加，30a后滲漏量達到最大，滲漏速率趨于穩(wěn)定，短期內(nèi)滲漏速率的增長緩慢，而在中期滲漏速率較短期有近1倍的增長，至長期滲漏速率增加更加明顯，較短期有近4倍增長，較中期也有近2~3倍增長。
b)在短期內(nèi)導(dǎo)致地下水被污染的風(fēng)險較小(超標概率為0)，在中期內(nèi)，距離填埋場200m內(nèi)污染風(fēng)險較大(超標概率≥80%)但400m外的污染概率為0，而在長期內(nèi)，距離填埋場最遠的1000m處的污染概率達100%，地下水受到嚴重污染。
c)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和Landsim模型評價結(jié)果顯示，填埋場防滲材料劣化及老化等長期性能變化對地下水污染風(fēng)險存在影響，長期滲漏會導(dǎo)致1000m以內(nèi)地下水將全部污染，因此，在填埋場的設(shè)計和運行中有必要考慮防滲膜等重要單元長期性能的變化。( >
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