利用HYDRUS-2D軟件模擬污染事故后三氮污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律*

尹芝華 杜青青 翟遠征 楊 潔 郭永麗 左 銳#

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875;2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西 桂林 541004)

利用HYDRUS-2D軟件模擬污染事故后三氮污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律*

尹芝華1杜青青1翟遠征1楊 潔1郭永麗2左 銳1#

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875;2.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部/廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西 桂林 541004)

以某污水處理池泄露污染水環(huán)境為例，利用HYDRUS-2D軟件構(gòu)建土壤水分運動和溶質(zhì)運移模型，模擬三氮在該場地非飽和帶垂向以及向下游地表水體的遷移轉(zhuǎn)化過程，為定量預(yù)測識別該污水泄漏場地對下伏含水層和下游河流的影響提供技術(shù)參考。結(jié)果表明：(1)三氮在非飽和帶垂向100cm以內(nèi)明顯富集，但富集規(guī)律各異；(2)氨氮和亞硝態(tài)氮在整個模擬期內(nèi)并未遷移至潛水面，對下游河流的影響微乎其微，最終污染下伏含水層和下游河流的是硝態(tài)氮；(3)硝態(tài)氮在污水泄漏事件發(fā)生后的第1 095天以0.024 0mg/cm3(即24mg/L)到達下伏潛水面，超過《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848—93)中Ⅲ類限值(20mg/L)；(4)硝態(tài)氮在污水泄漏事件發(fā)生后的第938天以0.468 5mg/cm3(即468.5mg/L)的峰值到達下游河流，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中規(guī)定的Ⅴ類限值(2.0mg/L)。

三氮 非飽和帶 遷移轉(zhuǎn)化 數(shù)值模擬HYDRUS-2D

近年來，污染場地作為一個世界性環(huán)境問題，對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴重威脅，并顯著影響了土地和地下水資源的安全使用[1]。污染場地是由多種介質(zhì)和種類繁多的污染物組成的復(fù)合系統(tǒng)，其中三氮在非飽和帶中受復(fù)雜的物理化學(xué)生物過程影響，是污染場地地下水中典型的無機污染物。國土資源部發(fā)布的《2015中國國土資源公報》顯示，全國202個地市級行政區(qū)5 118個地下水水質(zhì)監(jiān)測點中，42.5%的點位水質(zhì)呈較差或極差狀態(tài)，主要超標組分為三氮、總硬度、溶解性總固體、鐵、錳等。位于地下水位以上的非飽和帶是控制地下水污染的關(guān)鍵區(qū)域，非飽和帶作為三氮由地表向地下傳輸?shù)倪^渡帶，對遷移其中的三氮進行滯留阻截和消散，是保護地下水的天然屏障[2]。因此，研究三氮在非飽和帶中的遷移轉(zhuǎn)化過程是控制地下水污染的基礎(chǔ)，對保護水環(huán)境具有重要意義?，F(xiàn)有研究主要針對三氮通過非飽和帶對地下水[3-6]和地表水體[7-11]的污染過程及程度等方面進行探討，對三氮在非飽和帶遷移轉(zhuǎn)化后對地下水和地表水體影響的聯(lián)合研究較少。

對于非飽和帶中的水分運動和溶質(zhì)運移過程研究，由于空間和時間上的強烈變異性，需要采用大量的測量工作且較為復(fù)雜[12-14]。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法模擬非飽和帶土壤水分運動和溶質(zhì)運移越來越受人們關(guān)注，且是目前解決復(fù)雜條件下土壤水分運動問題的有效方法[15]。本研究以某污水處理池泄露污染水環(huán)境為例，利用HYDRUS-2D軟件對非飽和帶構(gòu)建水流運動和溶質(zhì)運移模型，模擬污水處理池滲漏液中的特征污染物三氮在非飽和帶垂向以及向下游地表水體的遷移轉(zhuǎn)化過程，并預(yù)測三氮到達下伏潛水含水層和下游河流的時間和穩(wěn)定濃度值，為定量預(yù)測識別該污水泄漏場地對下伏含水層和下游河流的影響提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

污水處理池位于某沙漠邊緣，長8 m，寬6 m，深2 m，污水成分主要為氨氮，由于年久失修可能會發(fā)生泄漏情況。本次假定未來某一時刻泄漏事件發(fā)生，且3年后被發(fā)現(xiàn)，模擬污水成分對下伏含水層及下游河流的影響程度，單位面積滲漏量根據(jù)已有資料確定為0.003 6 m3/d。

污水處理池所在場地整體地勢西高東低，場區(qū)西側(cè)為山區(qū)，東部約30 m處有河流自北向南流過，該河流對于附近居民農(nóng)業(yè)方面有重要意義。場地所在區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂騾^(qū)，日照充足，晝夜溫差大，年降水量和蒸發(fā)量很少。經(jīng)過實地調(diào)查，場地分布有灰漠土，邊緣有沙化灰漠土，絕大多數(shù)地表為農(nóng)田。主要的土種有立土、平土和漏沙土，類型以沙壤土為主，滲透系數(shù)18.76 cm/d。地下水類型為第四系松散層孔隙水。由于當?shù)鼗臒o人煙，地下水流場處于天然狀態(tài)，水位埋深約5 m。

2 模型建立

2.1 場地條件概化

根據(jù)場地水文地質(zhì)勘查結(jié)果，下伏含水層接近非飽和帶底部。污水處理池西側(cè)為山區(qū)，東側(cè)為河流。存在河流補給地下水的微弱水力聯(lián)系。水流模型可概化為非均質(zhì)各向同性多孔介質(zhì)非飽和剖面二維非穩(wěn)定流，上邊界為地表，下邊界為潛水面，污水處理池泄漏點距潛水面約380 mm，研究區(qū)左右兩側(cè)為定壓力水頭。土壤溶質(zhì)運移模型根據(jù)多孔介質(zhì)溶質(zhì)運移理論，考慮三氮之間的轉(zhuǎn)化。

經(jīng)過工程勘察后，選取典型土壤樣品在實驗室測定土壤特征參數(shù)，以確定后期模擬相關(guān)參數(shù)。本次模擬選擇滲漏液中濃度及影響較大的三氮作為特征污染物，其中氨氮初始泄漏水平根據(jù)污水處理池污水成分檢測結(jié)果所定，為1.152 0 mg/cm3。

2.2 數(shù)值模型

目前，非飽和帶多孔介質(zhì)中的水分運動和溶質(zhì)運移過程通常由Richards方程和對流-彌散方程(CDE)來刻畫[16]。運用Richards方程描述水分運動時，通常不考慮液體流動過程中氣體和熱梯度的影響。Richards方程中土壤水力特性參數(shù)由目前應(yīng)用最廣泛的van Genuchten-Mualem模型[17]計算，且不考慮水流運動的滯后現(xiàn)象。

運用CDE[18]描述三氮遷移轉(zhuǎn)化過程時，假定三氮之間的轉(zhuǎn)化過程是一個全程硝化反硝化過程，兩個反應(yīng)獨立進行，即氨氮通過亞硝化作用生成亞硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮通過硝化反應(yīng)生成硝態(tài)氮，反硝化過程中對硝態(tài)氮的代謝全部為異化代謝，即全部被還原成氣態(tài)氮，而不發(fā)生同化代謝生成氨氮和亞硝態(tài)氮。

2.3 初始條件和邊界條件

根據(jù)研究區(qū)域周邊實際情況，選擇定壓力水頭邊界，模型左、右側(cè)邊界水頭分別設(shè)置為400、180 cm，保持線性平衡分布。對于水分運動上邊界，河流周圍定為定壓力水頭邊界，設(shè)置為80 cm，河流左側(cè)設(shè)置為滲出面邊界，模型下邊界概化為自由排水邊界。

溶質(zhì)運移側(cè)向邊界與水分運動側(cè)向邊界相一致。垂向邊界設(shè)置為第三類邊界，在河流左側(cè)設(shè)置濃度邊界，邊界濃度根據(jù)野外鉆孔中所取土樣的浸出試驗結(jié)果取平均值給定，氨氮質(zhì)量濃度為1.152 0 mg/cm3，下邊界設(shè)置為濃度零梯度邊界。

由于氮的轉(zhuǎn)化過程十分復(fù)雜，建模時假設(shè)三氮的轉(zhuǎn)化過程遵循氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮再轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，忽略土壤中有機氮的礦化作用和土壤顆粒對亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附。同時，假定氨氮和亞硝態(tài)氮的硝化作用和硝態(tài)氮的反硝化作用均符合一級動力學(xué)反應(yīng)規(guī)律。本次模擬假定非飽和帶中氨氮、亞硝態(tài)氮、硝酸鹽氮的初始質(zhì)量濃度均為零，即假定非飽和帶在污水處理池泄漏前未接受氮源補給。

表1 土壤水力參數(shù)

表2 溶質(zhì)運移模型參數(shù)

注：1)指在純水中的分子擴散系數(shù)。

2.4 參數(shù)率定

(1) 水分運動參數(shù)率定方面，土壤水力參數(shù)包括土壤的殘余含水率(θr，cm3/cm3)、土壤的飽和含水率(θs，cm3/cm3)、進氣值倒數(shù)(α，m-1)、孔徑分布指數(shù)(n)、滲透系數(shù)(Ks，cm/d)、土壤介質(zhì)孔隙連通性能參數(shù)(l)，其中Ks為實測值，其他土壤水力參數(shù)根據(jù)HYDRUS-2D軟件內(nèi)置Rosetta模型，通過輸入實測土壤粒徑比例預(yù)測參數(shù)初值，經(jīng)過調(diào)整后的van Genuchten-Mualem公式中各個土壤水力參數(shù)值見表1。

(2) 溶質(zhì)運移參數(shù)率定方面，三氮的吸附主要表現(xiàn)為線性吸附，吸附能力高低取決于分配系數(shù)的大小，一般來說，分配系數(shù)越大越易吸附而越不易遷移。沙壤土的吸附分配系數(shù)通過以下公式計算：

Kd=1.34+0.083CL

(1)

式中：Kd為吸附分配系數(shù)，cm3/mg；CL為黏粒質(zhì)量分數(shù)，%，數(shù)值從《第四紀松散沉積物分類命名表》[19]中查得。

彌散度具有很大的尺度效應(yīng)，實驗室與野外現(xiàn)場所測數(shù)值可以相差數(shù)個數(shù)量級[20]。王全九等[21]研究發(fā)現(xiàn)，可以根據(jù)非飽和帶土壤飽和導(dǎo)水率推求彌散度。其中，橫向彌散度大約為縱向彌散度的1/10～1/3[22]。土壤容重參考不同巖性土壤密度經(jīng)驗值[23]確定。主要溶質(zhì)運移參數(shù)如一級反應(yīng)速率常數(shù)等在以上數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上確定，具體方法為：在軟件中反演程序中輸入不同時間和土壤深度的溶質(zhì)濃度實測值，然后通過反演對參數(shù)進行優(yōu)化，從而得到參數(shù)值，率定后的參數(shù)見表2。

2.5 空間離散和時間離散

數(shù)值求解過程中，采用Galerkin有限元法對土壤剖面進行空間離散，采用隱式差分格式進行時間離散。根據(jù)研究區(qū)的邊界條件和水動力條件，在整個模擬區(qū)域內(nèi)，把模型剖分成1 513個節(jié)點和2 859個三角形單元網(wǎng)格。為更加直觀地表現(xiàn)三氮垂向變化，對縱向刻度做擴大處理。對于時間步長，選擇模型內(nèi)部推薦步長，即初始時間步長為110-4d，最小時間步長為110-5d。模擬總時長為5年(1 825 d)，其中前3年(1 095 d)為污水泄漏期。整個模擬區(qū)共選擇1個觀測孔M1，其在模擬區(qū)的位置和模型網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 模型網(wǎng)格剖分Fig.1 Grid splitting map of model

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

由于場地現(xiàn)場驗證困難大，為檢驗HYDRUS-2D軟件模擬效果的可靠性，在研究區(qū)采集土壤和污水開展室內(nèi)土柱試驗，并使用HYDRUS-2D軟件對土柱內(nèi)土壤中氨氮的遷移轉(zhuǎn)化過程進行模擬，用試驗結(jié)果對模擬結(jié)果進行驗證。土柱試驗設(shè)計模擬剖面深度為65 cm，將24 h后的模擬值和土柱試驗24 h后的實測值進行對比，結(jié)果見圖2。由圖2可見，擬合值與實測值擬合效果較好，說明所建數(shù)值模型比較可靠，可用于模擬預(yù)測。

3.2 三氮在非飽和帶中的演化規(guī)律預(yù)測

在上述建模與參數(shù)識別、模型驗證的基礎(chǔ)上，經(jīng)過數(shù)值模擬過程得到三氮在非飽和帶中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，其中模擬剖面上氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的污染暈分別見圖3至圖5。根據(jù)模擬結(jié)果，在非飽和帶中，氨氮、亞硝態(tài)氮在模擬期結(jié)束前已停止運移且質(zhì)量濃度減為0 mg/cm3，硝態(tài)氮在整個模擬期內(nèi)都存在。

圖2 氨氮質(zhì)量濃度實測值與模擬值的對比Fig.2 Comparison of measured and simulated values of ammonia nitrogen

3.2.1 三氮在非飽和帶中的垂向遷移轉(zhuǎn)化

在污染點垂直方向上，三氮在第50、365、730、1 095天的分布情況見圖6。總體看來，沙壤土介質(zhì)中三氮在非飽和帶垂向100 cm以內(nèi)明顯富集，但遷移規(guī)律略有差異。氨氮從地表進入土層后，隨水分向下遷移過程中濃度迅速降低，但遷移速度較慢。整個模擬期氨氮的遷移主要發(fā)生在地表以下300 cm以內(nèi)。在第50天，氨氮在埋深0～180 cm的剖面上從1.152 mg/cm3迅速降到0 mg/cm3。第365天氨氮在土壤表層開始出現(xiàn)累積，但累積量并不大，大約在地下10 cm處累積量達到1.171 0 mg/cm3，遷移深度達到地下280 cm深處。第730天最大累積量出現(xiàn)在地下約16 cm處，達到1.197 0 mg/cm3，遷移深度達到地下340 cm深處。第1 095天氨氮在表層逐步累積，向下遷移現(xiàn)象不明顯，最大累積量出現(xiàn)在地下32 cm深處。亞硝態(tài)氮隨水分向下運移速度較快，但到第730天后較少向下遷移。整個模擬期亞硝態(tài)氮的遷移主要發(fā)生在地表以下375 cm以內(nèi)。在第50天，亞硝態(tài)氮在土壤表面出現(xiàn)了累積現(xiàn)象，最大累積量出現(xiàn)在約19 cm深處，約為1.042 0 mg/cm3，并向下遷移了212 cm。第365天亞硝態(tài)氮在地下約26 cm深處達到最大累積量1.051 0 mg/cm3，遷移深度達到地下330 cm深處。第730天最大累積量出現(xiàn)在地下約36 cm深處，達1.061 0 mg/cm3，遷移深度達到地下352 cm深處。第1 095天亞硝態(tài)氮最大累積量出現(xiàn)在地下約42 cm處，達1.064 0 mg/cm3，遷移深度達到地下375 cm深處，但并未遷移至潛水面。硝態(tài)氮隨水分向下運移速度較快，且在土壤表層同樣有累積現(xiàn)象。在第50天，硝態(tài)氮最大累積量出現(xiàn)在約23 cm深處，為1.036 0 mg/cm3，并向下遷移190 cm。第365天硝態(tài)氮在地下約38 cm處達到最大累積量1.063 0 mg/cm3，遷移深度達到地下280 cm深處。第730天最大累積量出現(xiàn)在地下約42 cm深處，達到1.074 0 mg/cm3，遷移深度達到地下326 cm深處。第1 095天硝態(tài)氮最大累積量出現(xiàn)在地下約44 cm深處，達到1.080 0 mg/cm3，且隨水流遷移至潛水面，最終進入潛水面的硝態(tài)氮為0.024 0 mg/cm3，即24 mg/L，超過《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—93)中硝態(tài)氮的Ⅲ類限值(20 mg/L)；第1 095天后，由于泄露事件停止，氨氮和亞硝態(tài)氮含量急劇下降，硝化反應(yīng)作用下降，三氮累積量逐漸降低，小于峰值濃度。

圖3 模擬剖面上氨氮的污染暈變化Fig.3 The variation of ammonia nitrogen pollution halo in the simulated profile

圖4 模擬剖面上亞硝態(tài)氮的污染暈變化Fig.4 The variation of nitrite pollution halo in the simulated profile

圖5 模擬剖面上硝態(tài)氮的污染暈變化Fig.5 The variation of nitrate pollution halo in the simulated profile

圖6 不同時間的三氮垂向分布Fig.6 Vertical distribution of three nitrogens concentration in different time

總體來看，氨氮進入土壤后，隨深度增加，其遷移能力減弱，考慮到土壤對氨氮的吸附及氨氮自身的轉(zhuǎn)化作用等因素，氨氮進入土層后濃度迅速減少，同時在土壤表層出現(xiàn)累積現(xiàn)象，說明土壤表層對氨氮的吸附已趨于飽和。相似地，亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮也在土壤表層出現(xiàn)累積現(xiàn)象，但土壤顆粒對亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮幾乎不吸附，而且沙壤土巖性顆粒粗，透水性好，使得亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在垂向上遷移速度較快。隨著水樣的不斷垂向滲透，非飽和帶毛細效果減弱，土壤孔隙中自由水含量減小，飽和度降低，氧化性增強，促進硝化反應(yīng)的進行，加上亞硝態(tài)氮本身的不穩(wěn)定性，極易通過硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)為硝態(tài)氮，故最后通過非飽和帶進入地下水的三氮組分主要為硝態(tài)氮。同時，在遷移過程中，土層中的含氧量隨深度逐漸降低，硝化作用由強變?nèi)?，到達一定非飽和帶深度后硝化作用幾乎為零。所以垂向上，氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度分布上總體上高下低，在一定深度以下濃度降至零。

3.2.2 三氮向河流的遷移轉(zhuǎn)化

M1觀測孔位于地表水和地下水交錯帶的核心地帶，其三氮質(zhì)量濃度的時間變化見圖7。由圖7可見，氨氮在非飽和帶經(jīng)過遷移轉(zhuǎn)化作用后，進入河流的濃度微乎其微，可忽略不計，亞硝態(tài)氮遷移趨勢與氨氮相似。硝態(tài)氮濃度整體上呈現(xiàn)出先迅速升高至穩(wěn)定并維持一段時間后再迅速降低的發(fā)展規(guī)律。硝態(tài)氮從第490天左右進入河流，在第938天達到峰值，為0.468 5 mg/cm3(即468.5 mg/L)，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中規(guī)定的TN Ⅴ類標準限值(2.0 mg/L)。第1 600天后河流中的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度急劇降低，在第1 825天時，進入河流的硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度為0.058 0 mg/cm3?？梢姡钡蛠喯鯌B(tài)氮在非飽和帶中的遷移與轉(zhuǎn)化過程非常迅速。同時，由于沙壤土土質(zhì)較為疏松，巖性顆粒粗，空隙稍大，其中含氧量較高，促進硝化反應(yīng)的進行，故硝態(tài)氮含量不斷增高，直至穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏停止后，氮源減少，硝態(tài)氮在反硝化作用下，濃度逐漸降低。

圖7 M1觀測孔中三氮質(zhì)量濃度的時間變化Fig.7 Time variation of three nitrogens concentration in M1 observation well

4 結(jié) 論

(1) 模擬場地的非飽和帶介質(zhì)以壤土為主，厚度約500 cm，是氮污染負荷的有效緩沖區(qū)，對下伏含水層和下游河流能起到一定的保護作用，但是由于非飽和帶對亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附能力相對較弱，導(dǎo)致兩者的下滲量相對較大。而亞硝態(tài)氮不穩(wěn)定，大部分經(jīng)過硝化過程轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的硝態(tài)氮，因此硝態(tài)氮為主要污染物。

(2) 模擬期內(nèi)三氮在非飽和帶垂向100 cm以內(nèi)明顯富集，氨氮和亞硝態(tài)氮并未到達潛水面，硝態(tài)氮在第1 095天以0.024 0 mg/cm3(即24 mg/L)到達潛水面，超過GB/T 14848—93中規(guī)定的Ⅲ類限值(20 mg/L)。

(3) 模擬期內(nèi)氨氮和亞硝態(tài)氮進入河流的濃度微乎其微，可以忽略不計。硝態(tài)氮在第490天到達地表水體，并在第938天達到穩(wěn)定質(zhì)量濃度0.468 5 mg/cm3(即468.5 mg/L)，遠超GB 3838—2002中規(guī)定的Ⅴ類限值(2.0 mg/L)。

[1] 廖曉勇,陶歡,閻秀蘭,等.污染場地修復(fù)決策支持系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題探討[J].環(huán)境科學(xué),2014,35(4):1576-1585.

[2] 郭敏麗,王金生,楊志兵,等.非正規(guī)垃圾填埋場包氣帶介質(zhì)的污染物阻滯能力研究[J].環(huán)境污染與防治,2012,34(1):24-26.

[3] 陳英旭,梁新強.氮磷在農(nóng)田土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對水環(huán)境質(zhì)量的影響[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[4] 黃亮,吳乃成,唐濤,等.水生植物對富營養(yǎng)化水系統(tǒng)中氮、磷的富集與轉(zhuǎn)移[J].中國環(huán)境科學(xué),2010,30(1):1-6.

[5] 劉海軍,李艷,張睿昊,等.北京市集約化種植土壤硝態(tài)氮分布和遷移速率研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,49(2):266-270.

[6] GU B,GE Y,CHANG S X,et al.Nitrate in groundwater of China:sources and driving forces[J].Global Environmental Change,2013,23(5):1112-1121.

[7] 左銳,馬丁山,劉麗,等.傍河水源地氨氮分布特征及其影響因素分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,51(6):626-630.

[8] 趙麗,張韻,張丹,等.重慶西部紅層淺層地下水中“三氮”污染現(xiàn)狀及影響因素分析[J].環(huán)境污染與防治,2016,38(6):46-53.

[9] 陳海洋,滕彥國,王金生,等.晉江流域非點源氮磷負荷及污染源解析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(5):213-219.

[10] 李遠,常學(xué)禮,孫朋,等.降水波動背景下嫩江干流氨氮污染變化趨勢分析[J].環(huán)境污染與防治,2013,35(5):1-5.

[11] 傅國偉,程聲通.水污染控制規(guī)劃[M].北京:清華大學(xué)出版社,1985.

[12] 郭勁松,李勝海,龍騰銳.水質(zhì)模型及其應(yīng)用研究進展[J].土木建筑與環(huán)境工程,2002,24(2):109-115.

[13] 丁素玲.非均質(zhì)包氣帶中“三氮”遷移轉(zhuǎn)化數(shù)值模擬[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京),2012.

[14] 董曉華,劉瀟鈞,彭濤,等.利用Hydrus-1D模擬分層土壤剖面的水流運動[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(4):29-31.

[15] 邵明安,王全九,黃明斌.土壤物理學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[16] 楊金中,蔡樹英,王旭升.地下水運動數(shù)學(xué)模型[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[17] VAN GENUCHTEN M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980,44(5):892-898.

[18] 王小丹,鳳蔚,王文科,等.基于HYDRUS-1D模型模擬關(guān)中盆地氮在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[J].地質(zhì)調(diào)查與研究,2015,38(4):291-298.

[19] 何江濤，馬文潔，張聽.基于過程單元模型參數(shù)替代防污性能評價方法研究——以北京市平原區(qū)為例[M].北京：地質(zhì)出版社，2012.

[20] 許秀元,陳同斌.土壤中溶質(zhì)運移模擬的理論與應(yīng)用[J].地理研究,1998,17(1):99-106.

[21] 王全九,邵明安,鄭紀勇.土壤中水分運動與溶質(zhì)遷移[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

[22] 鄭春苗.地下水污染物遷移模擬[M].2版.北京:高等教育出版社,2009.

[23] 唐大雄,劉佑榮,張文殊,等.工程巖土學(xué)[M].2版.北京:地質(zhì)出版社,1999.

SimulationandpredictionofleakageincidentonmigrationandtransformationofthreenitrogensbasedonHYDRUS-2Dsoftware

YINZhihua1,DUQingqing1,ZHAIYuanzheng1,YANGJie1,GUOYongli2,ZUORui1.

(1.CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,EngineeringResearchCenterofGroundwaterPollutionControlandRemediation,MinistryofEducation,Beijing100875;2.InstituteofKarstGeology,ChineseAcadamyofGeologicalScience，KarstDynamicsLaboratory,MinistryofLandandResources&Guangxi,GuilinGuangxi541004)

A sewage treatment tank leakage of water pollution was taken as an example to construct the soil water migration and solute transport model by using HYDRUS-2D software. The migration process of the three nitrogens in the unsaturated zone and the downstream surface water were simulated,providing the technical reference of quantitative prediction to identify the impact of the wastewater spill site on the underlying groundwater and downstream rivers. The results show that: (1) three nitrogens were enriching within 100 cm of the unsaturated zone,but the enrichment regulations were different. (2) Ammonia nitrogen and nitrite nitrogen did not migrate to the diving surface during the whole simulation period and their impacts on the downstream river were negligible. The final contamination entering the lower aquifer and downstream river was the nitrate. (3) Nitrate nitrogen reached the lower diving surface at a stable peak concentration of 0.024 0 mg/cm3(24 mg/L) on the 1 095th day after the occurrence of the sewage spill,exceeding the Ⅲ limit of nitrate nitrogen (20 mg/L) in the “Groundwater quality standard” (GB/T 14848-93). (4) Nitrate nitrogen reached the downstream river at a peak concentration of 0.468 5 mg/cm3(468.5 mg/L) on the 938th day after the occurrence of the sewage spill and simultaneously the total nitrogen content exceeds the total nitrogen Ⅴ limit (2.0 mg/L) stipulated in the “Surface water environmental quality standard” (GB 3838-2002).

three nitrogens; unsaturated zone; migration and transformation; numerical simulation; HYDRUS-2D

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.006

尹芝華，男，1991年生，碩士研究生，研究方向為非飽和-飽和帶污染遷移的數(shù)值模擬。#

。

*國家水體污染控制與治理科技重大專項(No.2014ZX07201-010)；巖溶動力學(xué)重點實驗室基金資助項目(No.KDL201505)。

2017-03-06)