填埋場環境下HDPE膜老化特性及其對周邊地下水污染風險的影響
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壁壘等優點，在世界范圍內尤其是中國、印度和墨西哥等發展中國家，被作為固體廢物風險管控的首選方式.然而研究表明，盡管現代填埋場試圖通過設計、建設及建設過程的質量控制、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險問題，絕大多數填埋場都難以避免土工膜原生缺陷(制造過程產生)和安裝缺陷(土工膜鋪設及填埋場運行過程的尖銳物穿孔、應力撕裂和焊縫開裂)，以及由此導致的滲濾液滲漏問題。除此以外，通過襯墊的蒸汽擴散也將導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境，進而對地下水甚至是填埋場周圍居民產生危害。國內外諸多學者采用多種方式證實滲濾液及其組分的產生和泄露對生態系統和人類健康會產生不利影響。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、個人護理產品和納米粒子等的報道也屢見不鮮。其次，一些學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。除此以外，過程模型方法也被廣泛用于填埋場滲濾液遷移轉化和累計模擬以及風險評估。如美國環境保護局風險減小實驗室(RiskReductionEngineeringLaboratory)開發了用于預測滲濾液產生及滲漏的HELP模型，并廣泛應用于填埋場的性能評估、設計優化和滲漏預測；美國環境保護局開發的EPACMTP模型(滲濾液遷移轉化復合模型)用于模擬預測滲濾液滲漏后多組分多介質遷移轉化過程，并評估其多途徑暴露風險。
盡管相關領域的學者利用物探、污染、模型模擬等諸多手段，從毒理學、污染風險、健康風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險的影響。然而相關研究表明，異常高溫或低溫、紫外線輻射、蠕變和化學腐蝕將使得HDPE膜發生化學老化，導致滲透系數、漏洞數量和漏洞面積增加；填埋場建設、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開發的Landsim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生過程模型和滲濾液滲漏后遷移轉化過程模型，為土工膜材料劣化和缺陷演化條件下的長期環境風險評估提供了好的借鑒和工具方法；徐亞等利用Landsim模型模型，基于一系列假設的老化參數，對危險廢物填埋場長期運行的滲漏環境風險和污染風險進行了評估。然而，上述研究所采用的土工膜老化參數都是基于室內老化試驗，對于實際填埋場環境下的土工膜材料老化和缺陷演化規律，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，該研究選擇西南區域某危廢填埋場作為研究對象，選擇As作為研究目標，通過現場采樣和室內分析獲取土工膜材料老化和缺陷演化的關鍵指標參數，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險演變過程，量化分析其短期、中期和長期3個階段的滲濾液滲漏和地下水污染風險特征，為危險廢物填埋場的長期環境風險管理提供決策指導和技術支持.
一、研究模型和方法
防滲系統HDPE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生作用：首先是老化導致滲透系數降低，根據達西滲流定律，滲透系數降低，滲漏速率增大。其次，老化導致HDPE膜力學性能，如抗撕裂、抗拉伸等性能下降，在同樣的外界應力荷載條件下，HDPE膜的缺陷數量增加或缺陷面積增大，從而導致滲漏速率增加。顯然隨著滲漏速率增加，周邊地下水污染將逐漸加重。
在不考慮HDPE膜老化的條件下，填埋場的滲濾液從產生、滲漏直至對地下水造成污染，需要經歷降雨、下滲、側向導排、淋溶、漏洞滲透和飽和-非飽和帶遷移-轉化等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，計算將極為復雜。再考慮HDPE膜老化導致的性能指標參數變化，計算將更為復雜。為此，英國環保局委托GolderAssociates開發了Landsim模型，對HDPE膜老化條件下的滲濾液產生、滲漏及其地下水環境影響進行預測。只需要輸入填埋場結構設計、材料特性、水文地質條件及HDPE膜老化參數，就可以對HDPE膜老化條件下填埋場滲濾液的產生、滲漏和地下水污染情況進行預測.模型所需的主要參數詳見表1，所有參數當中，結構、材料特性參數通常根據設計資料確定、水文地質參數通過場地勘探確定，最為關鍵的是HDPE膜老化參數的確定。
注：N、Lt、Lu、U分別表示正態、對數三角、對數均勻和均勻分布。“數據來源”中1表示參數通過現場測定或者來自設計值；2表示參數通過計算得到；3表示參數參考Landsim給定的缺省值.
1、老化過程的概化及Landsim參數需求
填埋場中HDPE膜常被用于封場覆蓋系統和滲濾液防滲系統，Landsim對兩個系統中HDPE膜老化的概化方式不同，所要求輸入的老化參數亦有所不同。對于封場覆蓋系統，Landsim模型假設封場覆蓋系統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HDPE膜的老化，關鍵輸入參數是HDPE膜老化開始時間t0和達到半衰期的時間t1，以及對應的堆體入滲量-設計入滲量和最大入滲量。
對于滲濾液防滲系統，Landsim模型認為HDPE膜老化會導致其漏洞數量和滲透系數增加：在未開始老化之前，HDPE膜滲透系數等于設計值K0，通常為1×10-14m/s，漏洞數量等于初始漏洞數量N0(即HDPE膜生產過程和鋪設安裝過程產生的漏洞數量之和).當其t0時刻開始老化后，假設老化速率為s(性能每年衰減的百分比)，其滲透系數和漏洞數量按照老化速率增大.關鍵是確定t0、N0和s。
2、堆體入滲量的確定Landsim
需要設計入滲量和最大入滲量作為輸入參數。填埋場堆體入滲量受降雨、蒸發、地表坡度和坡長、植被類型、封場覆蓋系統等情況的影響，該研究采用HELP模型進行計算。HELP模型是美國地質調查局為美國環境保護局開發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14a氣象數據，并基于該數據估計出全球3000個以上地點的日、月、年尺度的降雨量、氣溫和太陽輻射數據。同時還綜合考慮了表面儲水、徑流、入滲、蒸發蒸騰等要素對堆體入滲量的影響。只需要根據填埋場所在位置選擇代表性的氣象站點，并設置好填埋場封場后的地表參數(如坡度、坡長、植被類型等)和封場覆蓋系統的結構和材料參數(雨水導排介質滲透系數、HDPE膜滲透系數和漏洞數量等)，就可以對堆體入滲量進行估算。對于設計入滲量，通過在HELP膜中設置相應的氣象站點和地表參數，并假設HDPE膜滲透系數等于初始滲透系數K0(10-14m/s)和漏洞數量N0，計算得到。
對于最大入滲量，保持其他參數不變，假設HDPE膜完全老化后滲透系數等于下方黏土的滲透系數(10-8m/s)。該條件下，漏洞數量對堆體入滲量不產生影響，因此可設定為任一大于N0的值。
3、HDPE膜老化時間和老化速率確定
梁森榮等認為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(聚合物的氧化誘導階段)和STAGEⅢ(老化失效階段)(見圖3)。在STAGEI，HDPE膜主要發生抗氧化劑的消耗，滲透系數和力學性能不發生任何變化；至STAGEII，HDPE膜的抗氧化劑完全消耗，但直至STAGEIII開始之前，力學性能和滲透系數均不發生任何變化；至STAGEIII開始，力學性能和滲透性能均以老化速率s逐漸退化.也就是說t0數值上等于STAGEI和STAGEII長度之和，t1數值上等于STAGEI、STAGEII和STAGEIII之和。
STAGEI的長度通過檢測HDPE膜的OIT(氧化誘發期)確定，理論上當OIT等于0時表示達到STAGEI；STAGEII通過觀測其主要性能指標(見表2)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，計算其變化速率并取其最大值確定。當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。
4、初始漏洞檢測
HDPE膜在生產過程和建設過程中均可能產生破損或缺陷，對應的漏洞即初始漏洞。該研究采用美國環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，在膜的上下兩側分別放置一個供電電極并接在高壓信號源的兩端，根據采集到的電勢信號異常對漏洞進行精準定位。
二、應用案例研究
1、填埋場基本信息
填埋場位于我國西南地區，該區域是典型的中溫帶大陸性氣候，年均降水量208.4mm，年均蒸發量2616.9mm，通常被認為非常不利于滲濾液的產生，是危廢填埋場選址的有利條件。目標填埋場設計庫容為360×104m3，填埋庫區庫底防滲結構采用復合襯層設計。水文地質勘測資料顯示，該區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、模型基本參數
Landsim模型進行模擬所需參數包括入滲參數、填埋場及廢物特性參數、防滲系統參數以及多孔介質水流和溶質運移參數四類(見表1)。表中的入滲參數和防滲系統參數分別根據HELP模型計算和現場檢測得到。主要參數是通過現場測定或根據設計參數確定，部分參數或者通常取值較為固定，或者對風險結果影響較小，因此Landsim模型建議取缺省值即可。
入滲參數計算如上文所述，利用HELP模型直接生成項目所在區域內月值和年值氣象數據(降雨量、太陽輻射以及溫度)，并進行地表徑流、下滲和蒸發量的計算。結果表明其年降雨量在266~369mm之間，其中208~330mm化為蒸發量，極小部分化為地表徑流，另一部分化為堆體下滲量(見圖4).在不同場景下(自然入滲)和(設計入滲)的入滲強度分別為39~161和26.1~68.1mm。
老化參數計算Landsim模型模擬所需的防滲系統參數使用上述的試驗方法得到。對該填埋場填埋區HDPE膜進行檢測，填埋區防滲層HDPE膜的漏洞數量為4.9個/(104m2)。該填埋場HDPE膜性能指標參數測試結果見表2。由表2可見，HDPE膜的OIT測試值為零，這表明HDPE膜已經開始老化。由于其各項性能的初始值未知，因此假設各指標的初始值均為初始性能為CJ/T234—2006規定的最低限值。各項性能指標中拉伸斷裂強度(橫向)的退化最快，6a間下降40%(HDPE膜鋪設時間為2012年，檢測時間為2018年)。同時，其2019年的測試數據顯示其拉伸斷裂強度(橫向)殘余率為8%。據此推算，該填埋場服役環境下，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8年。
三、主要結論與討論
選擇典型距離處的暴露點進行風險分析，包括50m(廠界內)、100、200和400m(廠界外)、800m(防護范圍處)和1000m(防護范圍外)，模擬了短期(3~5a)、中期(5~10a)和長期(10~100a)的滲濾液滲漏和地下水污染情況，并基于上述老化試驗參數和其他模型參數，利用Landsim模型模擬。
滲漏量隨時間的變化規律圖5分別模擬了短期、中期和長期滲漏強度隨時間的變化情況，在初始時刻滲漏量接近0，這是因為該填埋場設置有多層粘土襯墊，其滲透系數很小，滲漏液穿過粘土襯墊需要經歷較長的時間。模擬結果顯示在短期內，滲漏量驟增，P-95%(95%分位值)時滲漏速率變化最大，2a增至9m3/天；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，進而導致水力壓頭升高，滲漏強度也會逐漸增加。
圖6為不同時間滲漏強度的累計頻率分布。從圖6可以看出，短期內滲漏強度的增長不明顯，而在中期滲漏強度較短期有近1倍的增長，至100a滲漏強度增加更加明顯，較短期有近4倍增長，較中期也有近2~3倍增長。
以圖7中累積頻率達到0.5時為例，第3年和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，較之短期與中期有大幅增長。
地下水污染風險圖7為不同暴露點處，ρ(As)隨時間的變化。P-50%(50%分位值)為平均風險水平下的污染物濃度預測值，選擇該值進行分析以反應一般情況下填埋場滲漏對地下水的影響。
從圖8可以看出，短期內所有廠界外點位(1000、800、400、200和100m)的峰值ρ(As)極小，幾乎為0mg/L.而在距離50m處，第5年的P-50%也僅為0.0001mg/L，200m處，ρ(As)雖有波動，但是都遠低于GB/T14848—2017《地下水質量標準》III類水質標準，環境風險可以接受中期而言(見圖7)，1000和800m處地下水中ρ(As)為10-8和10-13mg/L，低于GB/T14848—2017III類水質標準；400m處ρ(As)極低(0.0001mg/L)；200、100m處ρ(As)分別為0.135和0.413mg/L，已超出GB/T14848—2017III類水質標準；50m處ρ(As)達到0.60g/L，超過GB/T14848—2017III類標準限值近12倍。
進一步考慮填埋場主要單元老化條件下的長期風險，從圖7可以看出，在第22年，距離1000m處(防護范圍外)的地下水ρ(As)的50%分位值均超過III類III類水質標準；800m處(防護范圍處)地下水ρ(As)的50%分位值在19a超過III類III類水質標準。
圖7為考慮填埋長期性能老化條件下，不同暴露點處As峰值濃度的累計頻率分布。假設相關標準中污染組分i的標準限值是CLi，暴露點的污染組分i的濃度累計頻率分布為F(Ci)，則暴露點處濃度超標的概率P可以通過式(1)計算。
P=P(Ci≥CLi)=1-F（Ci）（1）
根據式(1)結合圖8計算可得ρ(As)的超標概率(見表3)。由表3可見：短期內，廠界外所有模擬點位(100、200、400、800和1000m)，地下水中目標污染物ρ(As)均為0，風險可忽略；廠界內模擬點位(50m)ρ(As)不為0，但其超過III類III類水質標準的概率為0，表明風險很小；中期內，在考慮填埋場長期性能老化的情況下，200m內模擬點位目標污染物As的超標概率大于80%；廠界內距離填埋場邊界50m處目標污染物As的超標概率更高達97%；但在防護范圍外(800m以上)及400~800m之間的模擬點位，超標概率為0；長期內，各個模擬點位，包括距離最遠的1000m處地下水中As超標的概率達到100%，污染風險大。
進一步考慮填埋場主要單元老化條件下的長期風險，從圖7可以看出，在第22年，距離1000m處(防護范圍外)的地下水ρ(As)的50%分位值均超過III類III類水質標準；800m處(防護范圍處)地下水ρ(As)的50%分位值在19a超過III類III類水質標準。
不確定性分析利用過程模型進行風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上文中確定(見表1)。考慮參數不確定性的影響，計算得到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%)對應的質量濃度。不確定性可以用P-95%與P-50%的比值來表征，根據圖7中的數據計算得到不同時期(短、中和長期)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果的影響不同：短期內污染物濃度極小，對結果基本無影響；中期影響增大，50m處P-95%與P-50%的污染物濃度最大相差1倍，400m及更遠處，影響較小，污染物濃度相差不大；長期影響較大，而且隨著時間的增長，逐漸增大，P-95%與P-50%的污染物濃度最大可相差2倍。
三、主要結論
a)短期內，滲漏量驟增，P-95%(95%分位值)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，滲漏速率趨于穩定；短期內滲漏強度的增長緩慢，而在中期滲漏強度較短期有近1倍的增長，至長期滲漏強度增加更加明顯，較短期有近4倍增長，較中期也有近2~3倍增長。
b)在短期內導致地下水被污染的風險較小(超標概率為0)；在中期內，距離填埋場200m內污染風險較大(超標概率≥80%)，但400m外的污染概率為0；而在長期內，距離填埋場最遠的1000m的污染概率達100%，地下水受到嚴重污染。
c)現場檢測數據和Landsim模型評價結果顯示，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險存在影響，長期滲漏會導致1000m以內地下水將全部污染，因此，在填埋場的設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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