基于Hydrus-1D 的濱海圍填造陸區(qū)包氣帶中污染物運移的數(shù)值模擬

葛菲媛， 劉景蘭， 李立偉

（天津市地質(zhì)研究和海洋地質(zhì)中心，天津300170）

本文在某典型圍填造陸區(qū)入駐企業(yè)污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實際勘查結(jié)果，利用Hydrus-1D對特征污染物泄漏進入包氣帶后的運動過程進行模擬，識別特征污染物的運移規(guī)律，為圍填造陸區(qū)的包氣帶和地下水保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究場地概況

研究區(qū)屬于海河平原，地貌類型為海積低平原亞區(qū)，屬溫暖帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。 根據(jù)本次現(xiàn)場勘查及水文地質(zhì)試驗，研究場地內(nèi)包氣帶厚度1.81～2.66 m，平均厚度為2.12 m，包氣帶巖性為人工沖填土，垂向平均滲透系數(shù)為0.15 m／ d，研究場地的包氣帶防污性能屬弱等級。

通過野外實際調(diào)查可知，該場地入駐企業(yè)的污水處理站為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，各池體均為地上式，池底發(fā)生泄漏不易發(fā)現(xiàn)，泄漏的廢水在重力作用下會對土壤和地下水造成污染，因此本次模擬的污染源為污水處理站的廢水。 同時根據(jù)該企業(yè)廢水進水水質(zhì)中重金屬鎳的最大濃度為25 mg ／ L，且鎳在自然界中一旦反應(yīng)為羥基鎳能產(chǎn)生很強的毒性，因此本次預(yù)測因子選擇鎳。

2 模型建立

本次預(yù)測選擇污染物以點源形式垂直進入包氣帶的情形，利用Hydrus-1D 的水流及溶質(zhì)運移兩大模塊進行預(yù)測，預(yù)測模型為一維非連續(xù)點源非飽和溶質(zhì)垂向運移模型。 模型設(shè)定時間單位為d，質(zhì)量單位為mg，長度單位為cm（后文數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)單位的設(shè)定均與此一致）。

2.1 水流模型的選擇及參數(shù)設(shè)定

水流模型選擇發(fā)展已相對成熟，本次模擬選擇目前應(yīng)用最為廣泛的VG 模型來進行模擬計算，不考慮水流運動的滯后現(xiàn)象。

本次模擬污水處理站池體防滲層出現(xiàn)破損發(fā)生跑冒滴漏，污染物進入包氣帶的情形，故水流上邊界條件選擇大氣邊界-可積水。 本次模擬不考慮地下水水位變化對水流及溶質(zhì)運移的影響，故選擇自由排水邊界（Free Drainage）作為下邊界條件。

Hydrus-1D 水流模塊中的Soil Catalog 項包含12種典型土壤介質(zhì)及其土壤水分特征曲線相關(guān)參數(shù)，而該場地包氣帶主要巖性為人工沖填土，不包含其內(nèi)。 因此本次模擬基于土工試驗成果使用Neural network prediction 來計算土壤水分特征曲線參數(shù)。土工試驗成果成果見表1，計算出的土壤水分特征曲線參數(shù)見表2，其中Ks采用場地滲水試驗實測值，15 cm／ d。

表1 土工試驗成果表

表2 水流模型的參數(shù)

2.2 溶質(zhì)運移模型的選擇及參數(shù)設(shè)定

本次模擬使用經(jīng)典對流-彌散方程，不考慮吸附和各種零級、一級及其他反應(yīng)。

根據(jù)污水處理池泄漏的實際情況，溶質(zhì)運移上邊界選擇濃度通量邊界，下邊界選擇零濃度梯度邊界。

本次模擬假設(shè)池體發(fā)生泄漏后，企業(yè)在30 d 可以發(fā)生泄漏并切斷污染源，池體的泄漏量參考《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗收規(guī)范》（ GB50141—2008）中關(guān)于滿水試驗驗收的要求，鋼筋混凝土池體滿水試驗驗收標準為2.0 L／ m2·d，本次滲漏量按照驗收標準的10 倍計算，即20 L／ m2·d，因此上邊界是變化的濃度通量邊界，前30 d 的通量為2 cm／ d（20 L／ m2·d）；30 d 后的通量為0。 池體中鎳的濃度0.025 mg ／ cm3（25 mg ／ L） 。

ρ根據(jù)土工試驗的成果取1 500 mg ／ cm3；DL取包氣帶厚度的十分之一，為21.2 cm。

2.3 包氣帶剖分和模擬時間

根據(jù)場地水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，本次模擬土壤類型為一種，包氣帶自上而下均勻布設(shè)6 個觀測點，埋深分別為5、40、80、120、160、212 cm，以表明溶質(zhì)在垂向上的分布規(guī)律。

本次模擬時間為100 d，輸出5 個時間節(jié)點（1、5、10、20、100 d）的數(shù)據(jù)，以表明包氣帶剖面上溶質(zhì)隨時間的運動變化規(guī)律。

3 模擬結(jié)果及分析

（1）不同深度處鎳濃度隨時間變化曲線如圖1。

圖1 不同深度處土壤中鎳濃度隨時間變化曲線

由圖1 可知，0 ～30 d 內(nèi)由于污染物的滲漏，隨著時間的增加不同深度觀測點位土壤水中鎳的濃度逐漸升高；30 d 時鎳停止泄漏，不同深度觀測點位土壤水中鎳的濃度約在30 d 時也開始趨于穩(wěn)定。其中－160 cm 和－212 cm 處30 d 后仍有緩慢的上升趨勢，這可能是由于少量毛細水在重力作用下仍有向下遷移的趨勢。 同時可以看出不同深度觀測點的濃度最終保持穩(wěn)定不變，說明即使污染源泄漏后被及時發(fā)現(xiàn)及時切斷，但污染物一旦進入土壤，在只有對流-彌散的作用下，會長久的存在于包氣帶內(nèi)，造成土壤環(huán)境的污染。

（2）不同時間包氣帶剖面上土壤水中鎳濃度隨深度變化曲線如圖2。

圖2 剖面上不同時間土壤中鎳濃度隨深度變化曲線

由圖2 可知，不同時刻，包氣帶剖面由頂?shù)降?，土壤中鎳的濃度逐漸降低，100 d 時，頂部濃度為0.0241 mg／ cm3（圖中E 點），底部濃度為0.0149 mg／ cm3（圖中e 點）。 同時結(jié)合圖1 和表3 可以看出，隨著時間的遷移，包氣帶剖面上的濃度梯度逐漸減小，污染物遷移的速率逐漸也減小，這是因為包氣帶存在優(yōu)勢通道，前期污染物泄漏后在重力勢的作用下順著優(yōu)勢通道遷移，遷移速率較大，后期隨著污染物的持續(xù)泄漏，污染物逐漸填充空隙，遷移速率變小。

表3 濃度梯度和遷移速率計算表

另外由表3 可知，隨著模擬時間的增加，鎳逐漸向下遷移，第1 d 鎳遷移的最大距離為53 cm （a點），第5 d 鎳遷移的最大距離為137 cm（b點），第10 d 鎳便遷移到包氣帶底部（c點）。 說明對于滲透性能較好、厚度較小的包氣帶截污能力有限，在只有對流-彌散的作用下，污染物物一旦發(fā)生泄漏，在較短時間內(nèi)便會穿透包氣帶進入地下水含水層，從而對場地內(nèi)潛水產(chǎn)生污染，因此企業(yè)在生產(chǎn)活動中應(yīng)對各個構(gòu)筑物進行嚴格的防滲措施。

4 結(jié)論

隨著污染源的滲漏和切斷，包氣帶中污染物的濃度逐漸升高并趨于穩(wěn)定。 即使污染源泄漏后被及時發(fā)現(xiàn)并切斷，但污染物一旦進入土壤，只有對流-彌散的作用下，會長久的存在于包氣帶內(nèi)，造成土壤環(huán)境的污染。

在只有對流-彌散的作用下，隨著污染物的泄漏，污染物逐漸向下遷移并到達包氣帶底部。 對于滲透性能較好、厚度較小的包氣帶截污能力有限，污染物一旦發(fā)生泄漏，在較短時間內(nèi)便會穿透包氣帶進入地下水含水層，從而對場地內(nèi)潛水產(chǎn)生污染。

企業(yè)在生產(chǎn)活動中應(yīng)對各個污水處理站各構(gòu)筑物進行嚴格的防滲措施，建立土壤和地下水污染防控體系，及時發(fā)現(xiàn)并截斷污染源，避免對場地內(nèi)土壤和地下水造成污染。