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1、1 研究意义1.1 概述1水资源是人民生活和工农业生产的战略资源。我国淡水资源总量近 2.8 万亿立方米，位居世界第四位，而人均仅 2100 平方米，仅为世界人均占有量的四分之一，属于联合国公布的 13 个严重缺水的国家之一。在我国，水资源时空分布不均匀，南方占 81%，而北方仅为 19%。当前，全国 660 多个县级及以上城市中已有 400 多个缺水、110 多个严重缺水，城市缺水总量为 60 亿平方米。在很多情况下，地下水是人类赖以生存的饮用水源，而且，随着工农业的发展和人们生活水平的提高，对地下水资源的要求亦有更高的要求。目前，我国共查明地下水天然资源量平均值为 8287.7 亿立方米，
2、约占水资源总量的 30%。可采资源量多年平均值为3527 亿立方米。全国地下水资源量中，山丘区地下水平均年资源量所占比例较大。地下水已经成为我国城市用水的主要水源，全国目前有 67%的城市以地下水作为主要的供水水源。然而，正是由于生产的发展和生活水平的提高，产生的固体、气体及液体废物越来越多，地下水的污染越来越重。有些地区的地下水污染已到了相当严重的程度，对生产建设，尤其是对人体健康造成了很大威胁。地下水污染对人体健康的影响，主要有以下几个方面：1）引起急性和慢性中毒。水体受化学有毒物质污染后，通过饮水或食物链便可造成中毒，如甲基汞中毒(水痦病)、镉中毒(骨痛病)、砷中毒、铬中毒、农药中毒、多
3、氯联苯中毒等。这是水污染对人体健康危害的主要方面。2）致癌作用。某些有致癌作用的化学物质，如砷、铬、镍、铍、苯胺、苯并(a)氏和其他多环芳烃等污染水体后，可在水中悬浮物、底泥和水生生物内蓄积。长期饮用这类水质或食用这类生物就可能诱发癌症。3）发生以水为媒介的传染病。生活污水以及制革、屠宰、医院等废水污染水体，常可引起细菌性肠道传染病和某些寄生虫病，如伤寒、痢疾、肠炎、霍乱、传染性肝炎和血吸虫病等。4）间接影响。水受污染后，常可引起水的感官性状恶化，发生异臭、异味、异色、呈现泡沫和油膜等，抑制水体天然自净能力，影响水的利用与卫生状况。因此研究地下水的污染状况，预测其发展方向，制定相应的控制措施以
4、及净化已污2染的地下水体，已成为环境保护工作的重要内容之一。本文通过垃圾填埋场渗滤液中 Cl-对地下水污染规律的研究，了解地下水污染的污染特点，掌握污染物进入地下水含水层的方式和途径；掌握弥散理论的机理、迁移模型在不同条件下的表示形式和求解以及迁移模型中各参数的确定方法。1.2 城市垃圾填埋场的现状2垃圾是水污染的来源之一，我国城市对垃圾的处理大多采用填埋的方式。我国许多垃圾填埋场采用的是混合填埋法，各种垃圾没有进行分类，统统堆放在一起，且大部分垃圾填埋场防渗层都只有一层结构。由于这种结构，目前我国许多城市已形成了“垃圾包围城市”的严重局面，垃圾填埋场普遍存在渗透问题，没有一个能达到国家污染控
5、制标准。监测表明，我国城市地下水已普遍受到不同程度的污染，其中受到较重污染的城市占 64%，轻污染的城市占 33%。垃圾填埋场长期渗漏积累造成有毒物污染地下水，很容易进入食物链系统，进而影响人体健康。解决城市垃圾填埋场对地下水的污染，刻不容缓。1.3 关于渗滤液3作为垃圾处理过程的副产品，渗滤液问题已严重影响我国垃圾处理事业的健康发展。垃圾填埋场产生大量的渗滤液。目前我国城市生活垃圾的新鲜渗滤液年产量约 2900 万吨，可控点源排放的渗滤液为 1515 万吨，如果加上填埋场历年垃圾产生的渗滤液，则其年产量估计为新鲜渗滤液的数倍，而 1 吨渗滤液相当于 100 吨城市污水所含污染物的浓度，无疑对
6、地下水造成了很大的污染。渗滤液主要来源于垃圾本身含有的水分以及进入填埋场的雨雪水和其它水分，当这些水分扣除垃圾、覆土层的饱和持水量以及填埋场的表面蒸发量，并历经垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度有机废水。这些来源中，相对而言，填埋场的外部水量（地下水）对于渗滤液产量具有关键性作用。渗滤液通过垃圾时，通过淋溶、吸附解析等方式带下垃圾中各类化合物，从而形成形态各异的渗滤液。可以说，考虑特定渗滤液性质时，必须将当地的垃圾状况、气候和地质情况等因素考虑在内。同时，还需考虑填埋场衬底系统的完整性，因为如果衬底系统泄漏，则填埋场内渗滤液容易与地下水相互交换，而影响渗滤液性质。我们有必要了解填埋场与地下水的的
7、迁移过程。这个过程主要包括：在垃圾填埋场中，降水一部分以地表径流形式流失，另一部分通过渗透进入填埋场表层；渗透到填埋场表层的水量，一部分直接蒸发或通过表层植被蒸发，一部分仍留在覆土层中；覆土层中水分达到饱和度后，将直接进入填埋场，与垃圾进行能质交换，渗透到填埋场底部后最终形成渗滤液；填埋场中垃圾的自身降解，形成一定量的渗滤液；非卫生填埋场中，可能有部分地下水进入填埋场形成渗滤液。1.4 渗滤液中的 Cl-4作为一种含高度污染物的废水，渗滤液由于其成分复杂、组成多变、持续时间长等特点，其对周围环境的生理生态习性及遗传毒理效应等的影响引起了人们极大的关注，特别是国内外众多城市垃圾填埋场，由于资金、
8、技术等的原因，在场址建设过程中并没有采取严格的防渗措施，这样一来，这些填埋场就成为一个持续的污染源，不断释放的渗滤液很容易与地下水进行物质、能量交换，从而引发地下水污染，给城市居民饮水等日常生活及生态环境造成巨大的，甚至是永久性的灾害。渗滤液作为一种水溶性的组分，其污染物组成按不同标准可分为不同形式。这里我们研究无机常量成分中的 Cl-，即地下水污染物中的无机污染物。渗滤液中 Cl-对地下水的污染程度仅次于 NO3-。一般渗滤液中的浓度范围在 500-4000mg/L,并且随时间的降解，其变化趋势并不明显，当然也有很少一部分会受到吸附、络合和沉淀作用。渗滤液中 Cl-主要来自 3 个方面：地下
9、水进入场内的水分；垃圾的自身含水；垃圾卫生填埋后由于微生物分解而产生的水分。而影响渗滤液中 Cl-的水量因素主要包括地形条件、渗入的地下水、垃圾成分、气候条件和填埋技术等。Cl-进入地下水之后会发生下列 3 种变化：稀释在通常情况下含水层中的地下水水体要远比含 Cl-的下渗水大得多，因为含水层厚度可由几米到几十米，所以 Cl-进入地下含水层之后会由于稀释作用使其浓度大大地降低；转化含水层的颗粒一般比较粗大，比表面积小，只有较小的吸附能力；迁移当 Cl-进入地下水之后，会产生沿地下水的纵向弥散和垂直于流向平行于地下水面的横向弥散以及沿含水层厚度的竖向弥散。此外，随着水体的流动还会产生对流扩散。C
10、l-对人的危害极大，人一旦饮入 Cl-污染的地下水会在短期内对人的黏膜组织灼伤。还会刺激人的头皮、皮肤及毛发细胞，造成脱毛、加速皮肤老化。严重的还可能诱发心脏病及各种癌症。但地下水受到 Cl-污染后，往往不易从颜色、气味等方面鉴别出来，对人体的影响往往是慢性的长期效应。因此，研究垃圾填埋场渗滤液中 Cl-对地下水的污染规律有着重要的现实意义。42 研究现状早在 60 年代，尤其是 70 年代以来国内外已着手研究地下水中渗滤液污染问题。通常整体研究地下水污染问题，再研究渗滤液的污染。2.1 国内研究现状5我国 20 世纪 80 年代初才开始研究污染物在含水层中的运移。1980 年初山东地质局、长
11、春地质学院、地质部水文地质研究所、山东大学等单位在济南市郊区进行了为预测地下水污染发展趋势的地下水质模拟试验研究工作,对地下水污染与水质模拟实验的基本理论及计算方法进行了探讨和阐述,探索了弥散系数的野外测定方法和手段,研讨了地下水质模拟的计算方法与模型建立问题,并编制了相应的计算机程序。我国对地下水质模型的研究起步很晚,直到 20 世纪 80 年代才开始这项工作。北京市环境保护研究所等单位建立了我国第一个地下水质模型,采用食盐荧光染料及放射性示踪剂在野外实测了弥散系数,取得了国内首批弥散系数野外观测资料。1982 年武汉水利电力学院应用伽辽金有限元法求解了在渗流区有抽水井条件下的二维溶质迁移及
12、在自由表面上有入渗补给时二维渗流中的溶质迁移问题。这以后许多学者开始进行这方面的理论和工程应用研究。其中对流弥散模型是使用最多的数学模型,许多研究者将该模型加以修正以使模型适用于不同的工程情况。针对垃圾填埋场渗滤液污染地下水这一具体问题,国内研究较多的是有关垃圾渗滤液的处理及防渗问题,而对评价垃圾填埋场渗滤液中对地下水环境、土壤污染的影响研究还处于初期,到目前为止,也有一些研究成果。如王晓红等给出了多孔介质和双重介质中垃圾渗滤液运移模型的定解问题,运用该模型预测垃圾填埋场的污染扩散范围,为防止垃圾渗滤液污染地下水提供了定量的依据。夏立江等对城市垃圾渗滤液引起地下水氮污染进行了研究,结果表明垃圾
13、渗滤液中含有高浓度氨态氮。蒋惠忠等人通过对北京北天堂垃圾填埋场渗滤液污染组分在含水介质中运移的室内模拟实验分析,揭示了有机污染物等污染组分在含水介质中的运移转化规律,为垃圾填埋场底部防渗层的设计和渗滤液对地下水污染程度的预报提供了依据。刘建国等人对垃圾填埋场水分运移进行了室内模拟实验,研究了盖层渗透性较强而衬层渗透性较弱和盖层、衬层渗透性均较弱的两种不同防渗配置下系统内的水分运移规律,为填埋场防渗系统的设计提供了依据。2.2 国外研究现状6国外专家的对地下水污染研究总体上主要有以下几个方面： 1)监测地下水质动态,建立水质资料数据库,预报地下水中污染物的发展趋势。有些国家已建立了地下水质观测站
14、网,如美国现有两万多个地下水观测井,五千余个水质测量站,在全国组成了 250 多个水质监测网,对 26 个洲的地下水污染状况进行了全面调查及专门性区域地下水污染的监测工作。日、英、法等国也都建立了水质监测站网,进行地下水资源污染情况的监测工作。同时这些国家也相继建立了水质资料数据库,如美国地质调查局的水资料储存和检索系统(WATSTORE)于 1971 年开始运转,下设上百个终端,用户直接从终端获得资料。其中水质档案(WQFILE)储存有包括地表水和地下水的一百多种生物的、化学的、物理的和放射性化学特征值的 140 万个分析样资料。这些资料对分析地下水水质动态,预报地下水污染发展趋势大有帮助。
15、2)地下水水质模型的研究。地下水质模型是 20 世纪 70 年代后期发展起来的。目前在一些国家已经使用的评价地下水质的数学模型有确定性模型、随机模型和“黑箱”模型,它们都被用于地下水污染控制,防止海水倒灌和土地盐碱化以及地下水盆地管理等各方面。3)地下水污染数学模型求解方法的研究。国外研究者将边界元法应用于截水流问题,它是将偏微分方程定解问题化为边界积分方程求解,这个方法要比有限元法和有限差分法优越。特别在解无限区域的问题时,边界元法是行之有效的。目前在国外已将此方法应用到解稳定流和非稳定流的问题上。但此方法是近些年发展起来的一种数值解法,在国外也是刚刚开始,所以它在水质模拟问题上的实际应用还
16、是一个空白。但鉴于它在研究地下水污染问题上有着广阔的发展前景,已引起国外水文地质研究者的高度重视。4)地下水污染数学模拟研究及应用。早在 20 世纪初,国外就开始应用数学模型来研究地下水问题,但把数学模型应用于地下水质模拟研究则是 60 年代以后的事情。近年来,国外学者在地下水溶质运移理论和试验研究方面又取得了新的进展。深入研究了污染物固相和液相浓度的相互转化关系,吸附条件则由平衡等温模式发展到考虑非平衡吸附模式。特别是在边界条件和初始条件设定方面,更趋于合理和全面。美国、英国、荷兰等国的期刊上,对污染物在地下水中迁移转化的一维模型解析解方面,不断有新的成果出现。在迁移载体水分运动方面,又发展到考虑可动水体和不可动水体等因素。6许多学者进行了有关垃圾渗滤液对地下水污染方面的试验和理论研究,取得了很大成就。其主要研究内容包括垃圾渗滤液的产生机理、运移过程、污染范围、污染物的生物化学转化过程等。其主要方法是将地下水溶质运移模型应用进来,通过建立数学模型和利用数值模拟方法,建立了水质模拟数学模型包括确定性模型和随机性模型,模型中参数的
