COD污染物在包氣帶中遷移的HYDRUS-1D模型預(yù)測(cè)
——以某碳酸鋰項(xiàng)目為例

任華麗

（永清環(huán)保股份有限公司，北京 100035）

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(jìn)入含水層的重要媒介，也是地下水免遭污染的良好保護(hù)層[1]。地下水環(huán)境評(píng)價(jià)中，對(duì)于范圍較廣或巨厚包氣帶地區(qū)，大量現(xiàn)場(chǎng)取樣非常困難甚至難以實(shí)現(xiàn)，故需要在參照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算。目前包氣帶中污染物運(yùn)移研究的普遍方法是采用Hydrus-1D軟件建立水文地質(zhì)模型，模擬污染物在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)變化。

Hydrus-1D是由美國農(nóng)業(yè)部、農(nóng)業(yè)研究會(huì)、美國鹽土改良中心（US Salinity laboratory）等機(jī)構(gòu)在SUMATRA、WORM及SWMI等模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建發(fā)展而來的，模擬宏觀及微觀尺度上飽和及非飽和介質(zhì)中一維水流、溶質(zhì)、熱和二氧化碳運(yùn)移和反應(yīng)的軟件，用它可以解算在不同邊界條件制約下的數(shù)學(xué)模型。在農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，許多研究者用Hydrus-1D對(duì)污染物在包氣帶運(yùn)移進(jìn)行了研究，并取得一定成果。

本文應(yīng)用Hydrus-1D軟件，主要模擬污染物隨污水進(jìn)入包氣帶后的遷移轉(zhuǎn)化過程，即水流運(yùn)動(dòng)及溶質(zhì)在運(yùn)移過程中發(fā)生的反應(yīng)。對(duì)研究區(qū)包氣帶物質(zhì)組成、邊界條件及初始條件等做簡(jiǎn)化，在簡(jiǎn)化的水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上開展包氣帶污染物運(yùn)移的研究。本研究的特點(diǎn)是，通過數(shù)值模擬的方法研究了污染物在包氣帶中沿垂向向下運(yùn)移范圍及不同位置污染物濃度隨時(shí)間變化特征。意義在于了解污染物在包氣帶中的運(yùn)移規(guī)律，為污染物對(duì)包氣帶環(huán)境影響的預(yù)防、防治及監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 包氣帶特征及模型概化

項(xiàng)目所在區(qū)域基礎(chǔ)下第一巖層為厚度很大的礫砂層，透水但不具備儲(chǔ)水條件，為透水不含水的包氣帶層。根據(jù)廠區(qū)地層特征，包氣帶厚度在110m左右，污染物必須入滲穿過很厚的巖層才有可能到達(dá)下部含水層中。根據(jù)鉆孔資料，將包氣帶概化為一維非均質(zhì)各向同性的系統(tǒng)。由于廢水池為地埋式，深3m，滲漏處距離含水層107m，因此將項(xiàng)目區(qū)包氣帶概化為1層，模擬厚度107m，巖層為礫砂，滲透系數(shù)為9.42m/d。

2 建立數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立與求解

（1）水流模型。包氣帶水分運(yùn)移采用Richards方程的修改形式表示。土壤水分運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：h—壓力水頭，m；θ—土壤體積含水率，m3/m3；t—水分運(yùn)移時(shí)間，d；α—水流方向與縱軸夾角，本次為水流一維連續(xù)垂向入滲，故α=0；

K（h）—土壤水的非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，可由方程K（h，x）=Ks（x）Kr（x）計(jì)算得出，其中，Ks為飽和滲透系數(shù)，Kr為相對(duì)滲透系數(shù)。

初始條件：

上邊界條件：

下邊界條件：

Hydrus-1D軟件中對(duì)土壤水力特性的描述提供了5中土壤水力模型，本次評(píng)價(jià)選用目前使用最廣泛的Van Genuchten-Mualem模型計(jì)算土壤水利特性參數(shù)，且不考慮水流運(yùn)動(dòng)的滯后現(xiàn)象。上邊界處理為定水頭邊界；下邊界為自由排水邊界。

（2）溶質(zhì)運(yùn)移方程。溶質(zhì)運(yùn)移方程：

式中：c—污染物介質(zhì)中的濃度，mg/L；D—彌散系數(shù)，m2/d；q—滲流速度，m/d；z—沿z軸的距離，m；t—時(shí)間變量，d；θ—土壤含水率，%。

初始條件：

邊界條件：

a第一類Uirichlet邊界條件：

連續(xù)點(diǎn)源：

非連續(xù)點(diǎn)源：

b第二類 Neumann 零梯度邊界條件：

將廢水池看做注入的點(diǎn)源，上邊界為變通量邊界，下邊界為零通量梯度邊界。

2.2 模型離散

在Hydrus-1D的SoilProfile-GraphiclEditor模塊中剖分包氣帶結(jié)構(gòu)，根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)鉆孔揭露的地層巖性，廠區(qū)在垂向上將模擬區(qū)剖分為1層，整個(gè)模擬層厚度共計(jì)約107m，在垂向上對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行剖分，將包氣帶按照0.5m一層進(jìn)行剖分，剖分網(wǎng)格數(shù)為214，單個(gè)網(wǎng)格厚度約為0.5m。

2.3 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的分析，結(jié)合擬建廠址區(qū)巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘探資料、軟件中給出參數(shù)組合并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法，獲得的水文地質(zhì)參數(shù)作為初始值。

2.3.1 水分特征曲線參數(shù)

Hydrus-1D水流模塊中的SoilCatalog項(xiàng)包含砂土、粉土、黏土等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)，軟件還提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)的方法，輸入土壤中砂土、粉土及黏土的百分比估算出土壤層的相關(guān)水分特征曲線參數(shù)。綜合已有參數(shù)、預(yù)測(cè)參數(shù)和實(shí)測(cè)參數(shù)，獲得模擬區(qū)巖層水分特征曲線參數(shù)，具體參數(shù)詳見表1。

表1 土壤水分特征曲線參數(shù)值

2.3.2 溶質(zhì)反應(yīng)參數(shù)

污染物在土壤中的運(yùn)移受吸附/解析作用影響大部分污染物的吸附符合Freundlish、Langmuir等溫吸附規(guī)律，且以各種形式存在于土壤環(huán)境中的污染物物質(zhì)，會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)和生化作用，本次評(píng)價(jià)只考慮溶質(zhì)在固液相間的線性平衡等溫吸附作用，忽略物理、化學(xué)和生化作用。根據(jù)查閱文獻(xiàn)資料給出CODMn污染物的溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)值分配系數(shù)Kd、Langmuir等溫吸附系數(shù)Nu、Freundlish吸附系數(shù)Beta、液相與氣象分配系數(shù)Henry、降解速率等，具體參數(shù)詳見表2。

表2 土壤水分特征曲線參數(shù)值

3 觀測(cè)點(diǎn)及時(shí)間設(shè)置

模型構(gòu)建時(shí)根據(jù)相鄰最近鉆孔的地層資料進(jìn)行概化，在模型不同深度分布設(shè)置深度不同的7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)：N1：3m、N2：10m、N3：20m、N4：40m、N5：60m、N6：80m、N7：107m，來分析不同污染深度污染物濃度隨時(shí)間變化的情況。模型輸出時(shí)間，分布結(jié)算模型運(yùn)行時(shí)間為30天、90天、180天、365天（1年）、1825天（5年）、3650天（10年）、5475天（15年）、7300天（20年）。

4 污染情景設(shè)定

4.1 正常狀況

正常狀況下，為有效防止廢水泄露對(duì)區(qū)域土壤產(chǎn)生影響，進(jìn)行分區(qū)防腐、防滲處理，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)廢水輸送管道的維護(hù)和管理，防止廢水的跑、冒、滴、漏和非正常排水。在不受外界因素作用下，按照設(shè)備操作規(guī)程進(jìn)行合理、規(guī)范操作，廢水池不會(huì)發(fā)生泄漏事故。因此，正常狀況下建設(shè)項(xiàng)目不會(huì)發(fā)生滲漏污染土壤的情景。

4.2 非正常狀況

由于廢水池為地下式水池，廢水池發(fā)生泄漏，管理人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，致使少量污水通過泄漏部位滲入包氣帶，最終進(jìn)入含水層。

廢水池為鋼筋混凝土構(gòu)筑物，根據(jù)《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50141-2008）中規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水池滲水量不得超過2L/（m2·d），非正常狀況下廢水池因老化或者腐蝕產(chǎn)生的滲漏量按正常工況下最大允許滲漏量的10倍考慮，廢水池池體底面為水平矩形，容積為216m3（9m×6m×4m），有效貯水深度3m，有效容積為120m3，按涉池壁和池底的浸濕面積計(jì)算滲漏量，則滲漏量為2.88m3/d。將發(fā)現(xiàn)污染物泄漏并采取措施停止泄漏的時(shí)間確定為3個(gè)月。根據(jù)廢水池廢水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)因子COD濃度取78mg/L。由于地下水評(píng)價(jià)工作中通常采用耗氧量（CODMn）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)COD和CODMn的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，認(rèn)為COD濃度與4倍的耗氧量等效。預(yù)測(cè)因子源強(qiáng)如下：

CODMn：19.5mg/L×2.88m3/d×90d=5.05kg

表3 污染源強(qiáng)列表

5 污染預(yù)測(cè)結(jié)果

廢水池破裂，廢水中CODMn持續(xù)滲入土壤并逐漸向下運(yùn)移。初始濃度為19.5mg/L，在土壤剖面不同觀測(cè)點(diǎn)CODMn濃度隨時(shí)間變化模擬結(jié)果如圖1所示，在不同水平年CODMn沿土壤遷移模擬結(jié)果如圖2。

圖1 土壤剖面觀測(cè)點(diǎn)土壤水中CODMn濃度變化曲線圖

（T0：0d，T1：30d，T2：90d，T3：180d，T4：365d，T5：1825d，T6：3650d，T7：5475d，T8：7300d）

由圖1～圖2土壤模擬結(jié)果可知，CODMn在土壤中隨時(shí)間不斷向下遷移，隨著入滲水量增加，污染物濃度逐漸增加，當(dāng)停止泄漏后，流入地下水的水量減少，污染物濃度逐漸降低。滲漏30d后，在包氣帶深度27.5m處CODMn濃度達(dá)到3mg/L（土壤含量0.2mg/kg）；滲漏90d后，在包氣帶深度69.5m處CODMn濃度達(dá)到3mg/L，潛水面CODMn濃度達(dá)到檢出限值0.05mg/L，潛水面CODMn濃度逐漸增大；第142d，潛水面CODMn濃度達(dá)到3mg/L；第225d，潛水面CODMn濃度達(dá)到最大值12.7mg/L（土壤含量1.662mg/kg），然后逐漸降低；第476d，潛水面CODMn濃度降低到檢出限值0.05mg/L，不再滲出。

6 結(jié)論

本文采用Hydrus-1D軟件對(duì)非正常工況下廢水池發(fā)生泄漏后COD污染物在包氣帶中的運(yùn)移情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，濃度隨時(shí)間先增加后降低；距離入滲點(diǎn)越近的位置，污染物濃度越高；距離入滲點(diǎn)越遠(yuǎn)的位置，污染物濃度越低。在土壤縱剖面上，隨著污染物入滲和停止，土壤中污染物的含量增大后減小。在潛水面上，污染物濃度先增加后減小[11]。

本文采用Hydrus-1D軟件建立水文地質(zhì)模型，模擬污染物在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)變化，具有極強(qiáng)的便利性，為污染物對(duì)包氣帶環(huán)境影響的預(yù)防、防治及監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。