一、模拟试验研究的目的
大量的调查评价结果表明，许多城市垃圾多数堆放或填埋于地下资源补给区、城市周围的其他近郊区的旧河道及其两岸、荒地、巨大的采石（砂、土）坑中，在垃圾场地底部均未采取任何防渗措施，垃圾直接堆放在含水层之上或直接与地下含水层相连，垃圾分解后产生的淋滤液与外来水分（包括大气降水、地表水、地下水入渗）所形成的内流水，污染了深层或浅层地下水，成为城市特别是平原地区城市地下含水层的主要污染源之一。
那么，垃圾污染物在各种含水层结构的深层或浅层地下水的运移速度有多大？污染影响范围有多大？这是污染物在地下含水层中迁移模拟试验研究的目的。
根据我们对许多城市垃圾场对地下水污染的调查，发现北京垃圾场对地下水的污染在含水层类型方面十分具有代表性。北京垃圾场主要对下列三种类型的含水层产生污染。一种为以北京市平原区沙子营垃圾场为代表的以砂为主的含水层；第二种以清河营垃圾场为代表的北京市平原区旧（古）河道砂夹砂砾石层结构的含水层系统；第三种以北京市北天堂垃圾场为代表平原区地下水的补给区永定河冲洪积扇顶部砂卵砾石含水层系统。选择这三种类型的含水层结构系统研究垃圾淋滤液污染组分在含水层中的迁移，具有十分重要的理论研究意义和实际应用价值。
由于地下水的污染受许多因素影响，而现阶段的工作无法区分垃圾对地下水污染的影响程度，因此，选用地下水水质模型来预测垃圾淋滤液在含水层中的分布。由于所依托项目任务书要求、调查年限、经费等的限制，我们在野外选择了沙子营垃圾场、清河营垃圾场作了弥散试验，并选择理想条件下污染物迁移方程的解析解，来对垃圾污染物在地下含水层中迁移进行试验与模拟研究，这是在目前条件下最有效的方法。
下面是试验模拟研究的过程及讨论。
二、弥散试验及数据处理
（一）沙子营垃圾场弥散试验过程与结果
弥散试验场位于垃圾填埋场西南角，距其约20m处。地层岩性上部为0.6m厚的砂质粘土，中部为0.5m厚的中细砂，下部则为2m厚的中粗砂，地下水位埋深约0.7m，为潜水含水层，含水层岩性主要为中粗砂，厚度2.4m。
试验前施工了示踪剂投放孔（主孔）和观测孔，主孔孔深为3.60m，观1、观2、观3和观4孔深分别为3.60m、3.60m、3.60m和3.61m，四个观测孔距注入孔的距离分别为2.28m、2.1m、1.85m和1.83m，方位分别为25°、340°、290°和210°（图7-6）。
图7-6 垃圾场弥散试验孔位平面图
通过实测试验场地地下水流向为323°，地下水化学类型为HCO3-Ca·Mg型，Cl-的浓度为158.7mg/L。试验时间为2000年9～10月份，试验时周围农田没有实施灌溉，避免了地下水流场受人为因素的干扰，示踪剂选用NaCl。试验时对观测孔和投放孔进行了定时、定深取样、现场分析化验，在观2和观3孔得到了较为满意的观测结果（见图7-7）。
利用观测资料，采用下面的方法计算弥散系数。根据示踪剂瞬时投放的数学模型：
图7-7 沙子营弥散试验观测结果及曲线匹配图
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
式中：c为投入示踪剂引起地下水浓度变化值（mg/L）;v为地下水实际流速（m/d）;n为含水层有效孔隙度；m为注入示踪剂质量（mg）;DT、DL为纵、横向弥散系数（m2/d）。
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
忽略分子扩散，并设DL＝αL·v、DT＝αT·v，则（1）式的解为：
设
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
则：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
式中：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
利用式（7-12）～（7-14）可计算出不同a值情况下的cR随tR的变化值，从而可绘出cR-R曲线簇，即得标准量板曲线。
根据（5）式变换整理得：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
综合上述，如两观测孔至少有一个不在流向上时，把所得的实测曲线与标准曲线进行匹配，可得出相应的a值，应用（7-15）式即可求出纵向弥散度αT和横向弥散度αL。
经计算得，αL＝0.072m；αT=0.0091m。
（二）清河营垃圾场弥散试验过程与结果
弥散试验场位于垃圾填埋场南侧，距垃圾场约50m。地层岩性上部为0.4m的粉质粘土。中部为0.6m的细砂夹卵石，之下有一0.5m厚的砂质粘土，最下部为1.2m的中粗砂夹卵石，地下水位埋深约0.77m，为潜水含水层，含水层岩性主要为中粗砂夹卵石，厚度约2.2。
试验前施工了示踪剂投放孔（主孔）和观测孔，主孔孔深为3.6m，观1、观2和观3孔深分别为3.60m、3.52m和3.63m，三个观测孔与注入孔的距离分别为2.81m、3.66m和3.00m，分别位于主孔的90°、135°和177°（图7-8）。
图7-8 清河营垃圾场弥散试验孔位平面图
试验前，实测试验场地地下水流向为105°，Cl-的浓度为112.06mg/L。弥散试验完成时间在2000年10月份完成。示踪剂选用NaCl。试验时对观测孔及投放孔进行了定时、定深取样、现场分析化验，在观1和观2孔得到了较为满意的观测结果（图7-9）。
经计算，清河营垃圾填埋场地的纵向弥散度αL=0.0594m，横向弥散度αT=0.000456m。
（三）地下水实际流速的计算
地下水实际流速可根据注入孔的浓度衰减值用下式（7-16）求得：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
式中：d为注入孔直径（m）; n为有效孔隙度；α为综合影响因子，一般取0.5～2.0；Δt为自投入示踪剂后的时间（d）; C0为浓度本底值（mg/L）; C1为投入示踪剂后注入孔浓度（mg/L）; C2为Δt时间后注入孔浓度（mg/L）。
图7-9 清河营弥散试验观测结果及曲线匹配图
两个弥散试验的注入孔直径均为0.3m，在此，将含水层的给水度视为有效孔隙度。根据以往研究成果，沙子营和清河营两地含水层的给水度分别取0.16和0.27；根据试验时的实测资料，浓度本底值分别为174.41mg/L和107.35mg/L，取a=0.87（以往研究的经验值），注入孔投入NaCl后，其中Cl-浓度衰减过程见表7-10，利用（10）式计算的实际流速也列于表中，据此求得的地下水实际流速分别为：沙子营v=（0.22+0.222+0.174）/3=0.205m/d；清河营v=（0.217+0.309+0.388）/3=0.305m/d。
表7-10 注入孔Cl-浓度变化和地下水流速
三、沙子营垃圾场污染物在含水层中的迁移
（一）沙子营垃圾场特征及含水层结构
位于朝阳区沙子营南1100m，西距黄港乡公路南北向约300m，场地南北长约250m，东西宽约150m，垃圾约4m厚，场地北部为水塘，西南方向是围墙，东侧为一条形植树护路带，场地表面有大量白色塑料袋，堆放生活垃圾。北部水塘水呈灰黑色。垃圾已堆放三年，调查时已将坑堆满，停止堆放。
该垃圾场地位于冲洪积扇下部平原区，含水层岩性为交错分布的砂层，层次多，颗粒细，渗透性差，此区地下水主要接受大气降水，灌溉回归水等入渗补给，以垂直循环为主，水平迳流条件和富水性均差。图7-10给出沙子营垃圾堆放场地层结构示意图。
据以往调查资料，北京市潜水水化学组分氯化物的背景值范围为4.3～69.1mg/L。
图7-10 沙子营垃圾堆放场与地层结构关系图
（二）垃圾淋滤液在含水层中分布范围的计算
1.方法概述
由于该区的水交替是以垂直循环为主，但受区域水循环控制，还存在一定的区域水平方向的地下水流动，将其假设为一维稳定均匀流场中的溶质迁移问题。并作如下假设：
（1）含水层是由均匀多孔介质组成的潜水层；
（2）潜水层在平面上无限延伸、厚度不变，地下水沿正x方向的平面均匀流动、实际渗透流速v稳定不变；
（3）排入潜水层的废水量与区域地下水流量相比可被忽略；
（4）在污染物进入含水层前，整个含水层范围内的污染物浓度为零；
（5）降雨通过垃圾体入渗形成的淋滤液假设为连续的，淋滤液进入潜水层是通过整个含水层厚度完成的，并且在垂向上迅速混合。
（6）将垃圾体假设为一点污染源，且在注入点以速率Q连续向含水层中注入污染物浓度为C0的水流。
取垃圾开始堆放处为坐标原点，无限平面为x Oy平面，则上述问题可用下面的数学模型来描述：
式中：C为污染物在地下水中的浓度，M/L3；
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
式中：Dk和DT分别为纵向弥散系数和横向弥散系数，L2/T; v为地下水的实际渗透流速，L/T；λ为污染物质的衰减系数，T-1; Rd为迟滞因子，无量纲；m为单位体积潜水层内污染物的质量进入速率，M/L3T; n为有效孔隙度，无量纲；Q为单位潜水层厚度上的流体体积进入流率，L3/TL; C0为排入含水层中垃圾淋滤液中的污染物浓度，M/L3；δ（x,y）为Darac变数增量函数。
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
上述数学模型的解析解，Wilson和Miller（1978）已经给出，即式中的W（u,r/B）为汉克尔的越流井函数。对于我们的问题在已给出的汉克尔井函数中很难找到所需要的值，采用如下近似公式对该井函数进行计算。即
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
式中：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
当0≤y≤3时：余误差函数
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
其中的a1,a2，…，a6为常数。
而当y>3时：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
当y<0时，用上述二公式和下述关系式来计算：
城市垃圾地质环境影响调查评价方法
2.指示因子的选择
为了确定污染晕存在的最大范围，选择在地下水中保持相对稳定的，随地下水迁移过程中化学变化小，含水介质对其吸附、解吸作用弱，很少发生离子交换吸附作用的Cl-进行研究。因此，上述公式中的迟滞因子Rd为1，衰减系数λ为零。
3.参数
（1）垃圾淋滤液的水量。填埋场在采取防渗与场外防洪等阻水措施的条件下，其垃圾淋滤液的日产量可用下式计算：
q=C·I·A·10-3
式中：q为垃圾淋滤液量（m3/d）;I为降雨强度（mm）; A为垃圾场集雨面积（m2）; C为渗出系数，0.3-0.8，一般取0.5。
计算时，将垃圾场集雨面积处理为随堆放时间的延长而以一均匀速度增加。据调查资料，取垃圾场集雨面积的增加速率为34.25m2/d。降雨强度取北京市22年每月的平均降雨量，考虑含水层的厚度，表7-11为计算的单位潜水层厚度上的流体体积进入流率。
表7-11 计算时间内垃圾淋滤液进入含水层中的量
（2）淋滤液中污染物Cl-的浓度。表7-12为采集淋滤液的时间和淋滤液中Cl-浓度。选用四次采集样品的平均值1688.21mg/L作为C0，而且在计算时间内其值不变。
表7-12 垃圾淋滤液中污染物含量
（3）淋滤液进入地下水时间的估算。根据我们沿地下水流动方向上布设的观测井的观测资料（图7-11），与垃圾已经堆放的时间综合分析认为：垃圾淋滤液到达地下水的时间为两年。
图7-11 距垃圾场不同距离处地下水中Cl-浓度
所需的其他参数前面都已经给出。
4.计算结果与讨论
利用（7-21）式，按三个月的时间递增，计算出xOy平面上地下水中Cl-的浓度分布范围如图7-12所示。污染晕在含水层中的分布以沿地下水流动方向为主，在垂直地下水流方向上仅以弥散带的形式存在，其最大宽度在计算的一个水文年内为5m，而在地下水流方向上，溶质在对流和弥散的影响下，其最大值为86.25m，是垂向弥散带的17倍。随着距注入点距离的增大，地下水流方向上的弥散带宽度与对流带相比越来越小（表7-13），因此，随着垃圾堆放时间的延长，可忽略不计由弥散引起的污染，而用纯对流引起的水质变化来预测垃圾淋滤液在地下水中的分布范围。
图7-12 沙子营垃圾场堆放后淋滤液在含水层中不同时间的分布范围
表7-13 沙子营垃圾场弥散带占对流带的比例
上述计算是在理想化的条件下进行的。在实际应用时需对其进行校正。一方面应考虑将垃圾体作为点污染源带来的误差，另一方面，还应考虑含水层中已经存在的污染物对输入污染物运移的阻碍作用。在我们所研究的地区，区域地下水中的Cl-只有4.3～69.1mg/L，可不考虑其对输入污染物运移的影响。将垃圾体作为点污染源带来的误差，校正时可考虑在上述计算结果的基础上，叠加垃圾体的分布范围作为淋滤液在地下水中的最大影响范围，即垃圾淋滤液在含水层中的分布范围应从垃圾堆放体边缘开始，沿地下水流动方向，在一个水文年内最远能达86.25m。
在北京地区像沙子营这样的浅层地下水含水层（又叫上层滞水）分布比较广泛。在这样的含水层中，一个水文年能迁移86.25m，是穿透力强，生物降解作用弱，基本不与其他物质发生生物化学反应的Cl-离子的速度，代表了水中污染物的最大迁移速度。实际上，含水介质中的垃圾污染物的迁移速度要比其小的多。
四、清河营垃圾场污染物在含水层中的迁移
该场地位于朝阳区清河营村北500m，是生活垃圾与建筑垃圾混合堆放，面积约300×150m2，呈长方形。场地西南角为堆填垃圾未满剩余水坑，水坑中水呈暗粉红色，不透明（混浊），堆填垃圾顶面高出水面约2.0m，调查时堆放一年，并已停止堆放。场地除北面外，其余都是耕地。
该场地位于冲洪积扇下部平原区，含水层岩性不均一，由多层砂砾石及少数砂层组成。图7-13为清河营垃圾堆放场地层结构示意图。
图7-13 清河营垃圾堆放场与地层结构关系图
（二）垃圾淋滤液在含水层中分布范围的计算
所用的方法与第二节相同，下面给出计算时所需的参数。
1.参数
根据调查结果，取垃圾场集雨面积的增加速率为41m2/d。表7-14为计算的单位潜水层厚度上的流体体积进入流量。
淋滤液中污染物Cl-的浓度取实测值367.6mg/L（2000年4月20日样品）。
表7-14 计算时间内垃圾淋滤液进入含水层中的量
2.计算结果
利用前面（7-21）式，计算出xOy平面上不同时期内地下水中Cl-的浓度分布范围如图7-14所示。同样，污染晕在含水层中的分布仍以沿地下水流动方向为：
图7-14 清河营垃圾场的淋滤液在含水层中不同时间的分布范围
在垂直地下水流方向上仅以弥散带的形式存在，其最大宽度在计算的八个月时仅1.33m，而在地下水流方向上，污染质在对流和弥散的影响下，八个月时达83.5m，迁移速度是125.30m/a，是垂向弥散带的63倍。随着距注入点距离的增大，地下水流方向上的弥散带宽度与对流带相比越来越小（表7-15），因此，随着时间的延长，可忽略不计由弥散引起的污染，因而可近似用纯对流引起的水质运移迁范围来预测垃圾淋滤液在地下水中的分布范围。
表7-15 清河营垃圾场弥散带占对流带的比例
五、北天堂垃圾场污染物在含水层中的迁移（一）北天堂垃圾场的特征及含水层结构
垃圾场位于永定河东岸，占地约10×104m2，容积150×104m3，垃圾填埋面积7.5×104m2，平均填埋深度8m。该垃圾场于1987年开始启用，至调查时使用约13年。垃圾填埋在挖砂坑内，挖砂时将地表盖层破坏、去除，表层约4m厚的粉细砂已不存在，之下为砂卵砾石，垃圾直接堆填在其中。
该垃圾场位于永定河冲洪积扇上游地段，据以往调查结果，包气带及含水层岩性为单一的砂卵石组成，其富水条件和渗透性能好，渗透系数K=173m/d。这些地带的水力坡度在2‰，在这些松散层底部为不透水基岩分布。由于以往对该层地下水过量开采，加之永定河常年无水，使得该层含水层逐渐在疏干，水位曾大幅下降。目前，该层含水层已不作为开采层。但由于其处于区域含水层的上游地带，其水质对区域地下水质具有影响。
地下水动态类型属入渗型，地下水位变幅较小，其埋深在丰、枯季分别为21.30m（2000年10月）和20.38m（2000年3月），年变幅约1m。地下水补给与区域地下水补给一致，主要以自西北向东南的侧向径流和大气降水入渗为主。
据以往调查资料显示，永定河冲洪积扇中上部，Cl-的背景值＝31.6～58.2mg/L。
图7-15 北天堂垃圾堆放场地层结构示意图
根据上述，北天堂垃圾场与含水层间存在如图7-15所示的关系。
（二）北天堂垃圾污染物在含水层中范围的确定
根据该层水位的实测资料，可将地下水流场作为稳定流场考虑，含水层颗粒粗，可假设降雨的当年降雨就流过垃圾成为淋滤液补给地下水，影响地下水质。因此，该问题仍可用前面第二节的方法予以解决。
前面的计算结果已经表明，随着淋滤液在含水层中迁移时间的延长，淋滤液在含水层中沿地下水流动方向的距离也增加，而且在一段时间后，淋滤液的弥散带与对流范围相对可忽略不计，淋滤液对地下水的影响范围可近似地用对流的结果来圈定。而地下水的达西流速v=173×2‰＝0.346m/d，则地下水的实际流速v实＝v/n=0.346/0.307=1.13m/d。
由于垃圾堆放时间长，其淋滤液引起地下水质变化范围的圈定用水流质点的运移距离来代替，即沿地下水流方向的距离＝v实×时间。因此，堆放13年的北天堂垃圾场在其地下水流动方向的下游地带距垃圾边缘距离为5361m。当然，这只是用达西定律计算的地下水的流动距离或影响范围。实际上，地下水中的污染物在迁移扩散的过程中，还要发生生物、化学反应，发生物理吸附和生物降解等，实际的扩散距离要小的多。事实上该垃圾场在13年的时间里，垃圾污染物的影响范围实际才650m。
六、结论
垃圾淋滤液在含水层中的迁移受许多因素的综合影响，用地下水质模型可很好地将这些因素间的关系定量描述。由于垃圾淋滤液污染物在含水层中要与含水介质发生吸附、降解等作用，使得垃圾淋滤液污染物在含水层中所影响的距离或范围比像氯离子这样的穿透能力较强的范围要小，因此，选择氯离子作为垃圾淋滤液的污染指示剂来作现场弥散试验、并以其结果参与模拟计算垃圾淋滤液污染物在垃圾场地地下含水层弥散、扩散和迁移，根据此结果来计算预测的场地地下含水层弥散、扩散和迁移距离或范围是最大值。
通过对代表不同类型的含水层介质中垃圾污染物迁移、扩散的计算，得到在不同的含水结构系统中，淋滤液的迁移距离不同，从而初步掌握了北京不同类型的含水层介质中垃圾污染的范围。
（1）沙子营的地下水污染物迁移、弥散试验和模拟计算表明，对于北京市平原区以砂为主的含水层，特别是那些浅层砂为主的含水层，堆放垃圾后淋滤液进入含水层中的迁移距离在一个水文年内可达86.25m，纵向弥散带宽度占对流带9.52%，横向弥散宽度仅为5m。
（2）北京平原区有相当多的垃圾场直接堆放或填埋在旧河道里及其附近，如清河、凉水河旧（古）河道及其两岸。清河营垃圾场的地下水污染物迁移、弥散试验和模拟计算表明，对于北京市平原区旧（古）河道带砂夹砂砾石结构的含水层堆放垃圾后，淋滤液在含水层中的分布范围在淋滤液进入含水层后八个月时达83.5m，即125.30m/年，纵向弥散带的宽度占对流带的比例为5.82%，横向弥散宽度仅为1.33m。
（3）北京北天堂垃圾场代表了位于附图3（北京市平原区垃圾场地的地质环境效应分区评价图）中C区的垃圾场。该区为地下水补给区的永定河冲洪积扇顶部砂卵砾石含水层分布地区，地下水防护能力极差，入渗条件、迁移条件好。北天堂垃圾场污染物在地下水中对流迁移计算结果表明，由于地下含水介质渗透性好，对流速度较快，垃圾堆放时间长，淋滤液中的污染质迁移的最远可近似地用对流带范围圈定，即北天堂垃圾场在堆放的13年时间内在垃圾下游地带达5361m。但实际评价结果是垃圾污染物的影响范围实际才650m。