基于Hydrus-1D的包氣帶污染物運移規(guī)律研究

武 斌，陳建東

(1.華北科技學院 研究生院，北京 東燕郊 065201；2.河北煤炭科學研究院，河北 邢臺 054000)

地下水環(huán)境評價中，天然包氣帶的污染風險評價較為復雜卻尤為重要。包氣帶指的是地表到潛水位之間的非飽和帶，它既是污染物自地表進入含水層的重要媒介，也是地下水免遭污染的良好保護層[1]。對于范圍較廣或巨厚包氣帶地區(qū)，大量現(xiàn)場取樣非常困難甚至難以實現(xiàn)。將Hydrus-1D軟件應用到包氣帶溶質運移中，模擬污染物在時間和空間上的動態(tài)變化過程，具有極強的便利性，其結果可作為污染物進入含水層的判斷依據(jù)，使地下水環(huán)境評價更加科學、完善[2-5]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省廊坊市某化工建設場地，面積約為20 km2。該區(qū)域地處潮白河的中下游，地勢低平，地面自然縱坡1/1500左右，屬于暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫11.1℃，總降雨量為905.1 mm，年蒸發(fā)量1681.9 mm。歷史平均降水量為617.4 mm。相對溫度平均為58%，全年日照時數(shù)平均為2870小時，歷年平均無霜期183天，最大凍土深度77 cm，最大降雪厚度26 cm。園區(qū)內淺部含水層巖性以多層結構的砂層及多層結構砂層夾少數(shù)砂礫石層為主。土壤類型以砂土、砂質壤土為主。

根據(jù)資料可知研究區(qū)包氣帶厚度約為43.5 m，水源補給主要是大氣降水和側向補給。選擇化工園區(qū)典型有機污染物為研究對象，采集土壤剖面樣本，實驗獲取場地包氣帶各地層結構土壤含水率及污染物初始濃度分布情況。采用環(huán)刀取樣法自地表起每隔0.5 m采集1個土壤樣品，取樣深度為5 m，共采集2組。實驗室內通過篩分法進行包氣帶土壤粒度成分測定，使用土壤水分儀測定各樣品土壤含水率。樣品定名、土壤含水率及DOC檢測結果見表1。

表1 土樣名稱及含水率、DOC測試結果

2 模型構建

Hydrus模擬污染物隨降水進入包氣帶后的遷移本質就是研究水流運動及溶質遷移過程中的濃度變化。構建土壤剖面模型并應用軟件的水流及溶質運移兩大模塊，模擬主要研究長時間降雨入滲條件下的地下水污染風險，故將模擬時間分時段設為30天，100天和1000天[6]。

2.1 土壤剖面構建

根據(jù)研究區(qū)16個鉆孔點資料，將研究區(qū)的包氣帶概化為一維非均質各向同性結構模型，化工園區(qū)場地地層結構及巖性自上而下由砂巖和砂質泥巖交替構成，刻畫出研究區(qū)各地層巖性及厚度的精細剖面圖，如圖1所示。

圖1 包氣帶地層概化圖

試驗模擬水流在分層土壤中的流動。降水數(shù)據(jù)采用當?shù)貧庀蟛块T多年平均降雨量，據(jù)氣象資料顯示2006～2016年三河市年平均降雨量為526 mm。模型將土壤剖面分為5個單元，共2種土層[7]。土壤參數(shù)取經(jīng)驗值如表2：

2.2 水流模型構建

在污染物隨降雨入滲過程中，土壤水分運動僅考慮一維垂向運移而忽略水平及側向水流運動，通過Richards方程來描述水流在非均質各向同性多孔介質中的一維平衡運動[8]：

(1)

式(1)中：h為壓力水頭，m；θ為體積含水率，m3/m3；t為時間，a；S為源匯項，m3/(m3·a)；α為水流方向與縱軸夾角，認為水流一維連續(xù)垂向入滲，故α=0;K(h)為非飽滲透系數(shù)，m/a。

表2 土壤水分特征參數(shù)

在Hydrus-1D提供的數(shù)學模型中，選用VG模型來計算非飽和介質中土壤水力學參數(shù)，以土壤水分特征參數(shù)函數(shù)的形式預測非飽和滲透系數(shù)，不考慮水流運動的滯后現(xiàn)象，其公式如下：

(2)

(3)

式(2)、(3)中：θr為土壤介質殘余含水率，m3/m3；θs為土壤介質飽和含水率，m3/m3；α和n為土壤水分特征曲線相關系數(shù)，α單位為m-1，n無量綱；Ks為飽和滲透系數(shù)，m/a；l為孔隙連通性系數(shù)，一般取值為0.5，無量綱。

考慮是自然降雨連續(xù)入滲，初始條件的設定不會對結果產(chǎn)生較大影響，故水流上邊界條件選擇定水頭邊界，依據(jù)地表水分通量設定頂部水頭為0.05 m。因研究區(qū)包氣帶較厚且底部水量交換很少，潛水位變化對水流及溶質運移的影響不大，故下邊界條件選擇自由排水邊界。

2.3 溶質運移模型構建

選擇化工園區(qū)典型有機污染物為研究對象，用化學需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)表示。依據(jù)多孔介質溶質運移理論，采用經(jīng)典對流-彌散方程來描述一維溶質運移[8]：

(4)

式(4)中：c為溶質液相濃度，g/m3；s為溶質固相濃，g/g；D為彌散系數(shù)，m2/a，指分子擴散及水動力彌散，縱向彌散度DL設定為包氣帶厚度的1/10；q為體積流動通量密度，m/a；Δ 為源匯項，g/(m3·a)。

溶質運移的邊界條件設置選擇以液相濃度作為模型的初始條件，上邊界選擇定溶質濃度通量邊界而下邊界選擇零濃度梯度邊界。初始時刻在不考慮土壤背景值的情況下認為土壤中污染物濃度為零。由2016年全年監(jiān)測資料可知，工業(yè)廢水中COD值主要分布在1240.0～3607.7 ng/L，選擇全年平均值1985.5 ng/L作為模型輸入值進行模擬。

2.4 模擬結果

根據(jù)試驗需要將地面邊界設置為可產(chǎn)生積水的大氣邊界，下端邊界類型為自由下滲排水。根據(jù)以上設定的參數(shù)及邊界條件，運行Hydrus-1D軟件，運行后輸出模擬結果可得出污染物各時間節(jié)點在包氣帶中的運移情況。

圖2 30天污染物運移模擬示意圖

圖3 100天污染物運移模擬示意圖

圖4 1000天污染物運移模擬示意圖

污染物參數(shù)30d100d1000d地表濃度(mg/L)1432 5735 630COD中心點濃度(mg/L)1032 5585 8355 07最大遷移距離m6 810 715 5

根據(jù)預測結果，早期污染物濃度在垂向上隨入滲深度增大而遞減。污染物隨降水進入表層土壤時因砂土層滲透系數(shù)相對較低，下滲速率較慢，從而導致COD濃度按梯度分布，最大遷移距離為6.8 m(圖2)。100天時，隨著入滲深度的增加，由于水動力特征和一系列復雜的物理化學變化過程，可使污染物被吸附、絡合沉降從而降低其濃度，故而污染物濃度峰值離開地表開始向下轉移，污染羽擴大至10.7 m(圖3)。1000天時，污染物在土壤中經(jīng)過分解、稀釋和轉移等一系列綜合反應，濃度大幅下降且趨于均勻化，污染羽整體下降但并未擴大，最大運移距離為15.5 m，遠離地表但并未進入含水層(圖4)。

3 模擬驗證

為驗證模型模擬結果的可靠性，在100天時采集土壤樣本進行COD檢測分析，并使用Hydrus-1D按照包氣帶剖面介質類型構建驗證模型，模擬100天降雨入滲中高錳酸鹽的垂向運移，得出土壤中污染物運移規(guī)律并將模擬結果與測試結果進行對比，結果如圖5。

圖5 土壤樣品COD測試結果及模擬結果對比

通過實測與模擬結果對比可以看出，有機污染物濃度的垂向變化具有一致性，不同點在于表層0～1 m處污染物濃度模擬值均高于實測值，深度達到1 m后，實測濃度值下降趨勢呈波動型而模擬濃度值呈直線型迅速降低。

考慮在相同介質中污染物運移發(fā)生的主要反應有吸附和衰減，因而模擬中污染物隨雨水繼續(xù)下滲濃度極低。而在實際入滲過程中，污染物除了被吸附及衰減外還可能會發(fā)生共遷移，沿孔隙、裂隙快速下滲等多種反應及運動方式造成在深部的污染物濃度實測值往往大于模擬值[9]。

綜上所述，COD的實測濃度值與模擬濃度值擬合效果較好，實際值與模擬值趨勢變化基本一致，能夠客觀反映研究區(qū)有機污染物在包氣帶中的運移特征，其計算結果能夠應用于包氣帶污染風險評價。

4 結論

(1) 通過Hydrus-1D模擬包氣帶中污染物運移可以得出，在觀測期內研究區(qū)剖面上污染羽自上而下逐漸均勻化，最大運移距離為15.5 m，污染物未進入含水層(含水層埋深44 m)，符合環(huán)保要求。

(2) 預測結果可知，污染物遷移距離在30天時為6.8 m，100天時為10.7 m，1000天時達到15.5 m，針對不同污染物下滲時期采取相對應的治理措施，能及時有效的對土壤進行系統(tǒng)修復。

(3) 通過分析可知，土壤對污染物雖有一定的吸附過濾能力，但不能無限制地對污染質進行阻截。建議施工方及時排污處理并定期檢測土壤污染物濃度含量是否達標，以免造成嚴重的包氣帶污染，甚至污染地下水。

[1] 李純,武強. 地下水有機污染的研究進展[J]. 工程勘察,2007(1):27-30.

[2] 國家環(huán)境保護部. 環(huán)境影響評價技術導則地下水環(huán)境[S]. 中國環(huán)境科學出版2016.1.7.

[3] 李瑋,何江濤,劉麗雅,等. Hydrus-1D軟件在地下水污染風險評價中的應用[J]. 中國環(huán)境科學,2013, 33(4):639-648.

[4] Simunek J, Sejna M, Jacques D,et al. Numerical Modeling of Vadose Zone Processes using Hydrus and its Specialized Modules[J].Science of the Total Environment, 2014:30.

[5] Minh N N,Stefan D, Jorn K. Simulation of retention and transport of copper, lead and zinc in a paddy soil of the Red River Delta,Vietnam[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009, 129(1):8-16.

[6] 薛強, 梁冰,劉曉麗,等. 土壤水環(huán)境中有機污染物運移環(huán)境預測模型的研究[J].水利學報, 2003, 34(6):48-55.

[7] 來劍斌. 土壤水分運動特征及其參數(shù)確定[D]. 西安：西安理工大學,2003.

[8] Simunek J, Sejna M. The HYDRUS-1D Software package for simulating the movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media [EB/OL].2009.

[9] 李建東,全占軍,劉記來,等. 半干旱巨厚包氣帶區(qū)污染物運移模擬研究[J]. 節(jié)水灌溉,2015(1):65-67.