基于HYDRUS模型水庫土壤污染模擬與處置方案研究

付震，張福超，安禹辰

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

工業(yè)拆遷遺留區(qū)域的土壤污染問題日益嚴重，特別是“水十條”“土十條”頒布以前，部分地區(qū)的一些小型工業(yè)企業(yè)私排偷排嚴重，很多滲坑滲井不易發(fā)現(xiàn)，成為土壤污染治理的重點難點。南水北調(diào)中線工程線路較長，天津干線工程穿越華北平原中部。王慶坨水庫是天津干線的重要調(diào)節(jié)水庫，占地范圍在歷史上存在多處工業(yè)企業(yè)。水庫施工過程中，庫區(qū)表土剝離后局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)了污染土壤的痕跡。掌握工業(yè)遺留區(qū)土壤污染特性并提出處置措施，對保障施工與水庫水質(zhì)安全具有重要意義。

傳統(tǒng)的大范圍鉆孔、多點取樣的監(jiān)測手段費時費力，影響工期，同時極易造成庫區(qū)底部黏土層穿透風險升高。相比傳統(tǒng)方法，數(shù)學模型可以模擬土壤中污染物溶質(zhì)運移過程，是土壤污染特性研究的重要方法。HYDRUS-1D軟件是用于模擬飽和-非飽和多孔介質(zhì)中水分運移和溶質(zhì)運移的數(shù)值模型，在土壤污染物運移、地下水污染風險評價方面得到了廣泛運用。

為確保王慶坨水庫水質(zhì)安全，在盡量不影響施工工期、避免庫區(qū)滲漏的前提下，利用地質(zhì)勘察、污染源調(diào)查、HYDRUS模擬等綜合手段，構(gòu)建了一套工業(yè)滲坑土壤重金屬污染模擬方法，并依據(jù)模擬結(jié)果制定處置方案。方案實施后，取得了顯著環(huán)境效益，為新建水庫土壤重金屬污染處置提供了借鑒。

1 研究區(qū)域概況

王慶坨水庫屬新建中型平原水庫，位于華北平原中北部，庫區(qū)面積4.21 km2，調(diào)節(jié)庫容1 500萬m3，總庫容2 000萬m3。作為南水北調(diào)天津干線的事故和維修備用水庫，遇特殊供水事故時，作為城市備用水源，同時調(diào)節(jié)南水北調(diào)來水的不均勻性，保障供水穩(wěn)定。水庫呈較為規(guī)則的四邊形，占壓建設用地4.87 hm2，拆遷18家企業(yè)和1家單位。工程于2017年開工，2019年完工并投入運行。

2 研究方法

2.1 地質(zhì)勘察

施工中發(fā)現(xiàn)污染土壤痕跡后，立即開展應急修復，首先進行地質(zhì)勘察、現(xiàn)場標準貫入試驗及室內(nèi)常規(guī)物理力學試驗。地質(zhì)勘察結(jié)果表明，按地表以下10～18 m范圍內(nèi)地層組合劃分地質(zhì)結(jié)構(gòu)，污染區(qū)為砂、黏雙層結(jié)構(gòu)，上部為全新統(tǒng)上段陸相沖積砂壤土及粉土、粉砂，厚度0.5～3.1 m；下部為全新統(tǒng)上段陸相沖積及全新統(tǒng)中段湖沼相沉積壤土和黏土，厚度1.4～5.6 m。將試驗數(shù)據(jù)按地層時代、成因類型、巖性分類進行統(tǒng)計，土的物理力學指標詳見表1。

表1 土的物理力學指標建議值

2.2 污染源調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，水庫庫底污染區(qū)原為小型電鍍企業(yè)，約建于20世紀90年代末，2016年拆除，持續(xù)生產(chǎn)15～16 a。生產(chǎn)產(chǎn)品為自行車金屬加工零件，詳細生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)工藝、污水排放量已經(jīng)無法調(diào)查。根據(jù)水庫現(xiàn)場污染分布狀況，可憑經(jīng)驗判斷該企業(yè)歷史上存在滲坑或滲井偷排現(xiàn)象。

水庫庫區(qū)施工開挖后，大氣降雨使土壤污染區(qū)短期內(nèi)殘存有地表積水，相當于土壤淋洗溶液，渾濁呈紅色?，F(xiàn)場對污染區(qū)土壤及水質(zhì)進行環(huán)境監(jiān)測，土壤取樣深度為表層0.2 m及下層2 m，水質(zhì)取樣為地表積水，監(jiān)測結(jié)果顯示：①地表積水強酸性pH值2.78，鐵離子濃度已超過3×104mg/L；②土壤中鐵含量達到48.8～76 g/kg。根據(jù)以上結(jié)果，可判斷該區(qū)域已被工業(yè)滲坑污染，且污染持續(xù)時間長、積累嚴重。

2.3 數(shù)學模型

2.3.1 方法與目的

掌握污染區(qū)的地質(zhì)、表層土壤及水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，尚無法對工業(yè)滲坑的污染范圍和程度作出科學判斷。采用HYDRUS模型，模擬分析工業(yè)污水排放和污染溶質(zhì)在土壤介質(zhì)中的運移。一方面，為污染處置提供科學依據(jù)，縮短因應急處置而停擺的施工時間，保障工程順利實施；另一方面，避免大范圍、多鉆孔取樣，減少庫區(qū)底部黏土層的穿透風險，減輕水庫建成后的污染風險。

2.3.2 水動力學模型

污水在土壤中的下滲采用修改的Richards對流-彌散方程和迦遼金有限元法進行數(shù)值求解?；痉匠虨椋?/p>

式中：t為時間（d）；h為負壓水頭（m）；θ為包氣帶體積含水率（%）；K為水力傳導系數(shù)；S為根系吸水項，在本處為0；θe為包氣帶有效含水率（%）；θr為包氣帶殘余含水率（%）；θs為包氣帶飽和含水率（%）；Ks為滲透系數(shù)；n，m，α均為經(jīng)驗參數(shù)。初始邊界條件為：

式中：z為空間坐標，原點在地面，向下為正；h0為初始包氣帶剖面負壓值（cm）；ε1為庫底補給強度（cm/d）；l為地下水埋深（cm）；其余變量含義同上。

2.3.3 溶質(zhì)運移模型

溶質(zhì)運動描述采用CDE對流-彌散方程，基本方程為：

式中：D為水動力彌散系數(shù)；c為土壤溶液中污染質(zhì)濃度（g/cm3）；s為被吸附的固相濃度（%）；q為土體中水的流速（cm/s）；ρ0，ρb為流體密度（g/cm3）；λ1，λ2為經(jīng)驗常數(shù)，與包氣帶土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關；其余變量含義同上。初始條件與邊界條件為：

式中：c0為初始土壤剖面污染質(zhì)濃度（g/cm3）；cm為土壤溶液污染質(zhì)飽和濃度（g/cm3）；cd為地下水中的污染質(zhì)濃度（g/cm3）；其余變量含義同上。

2.4 參數(shù)和邊界條件

模型參數(shù)賦值在地勘實測及參考文獻中獲得。以金屬加工工業(yè)酸洗工藝特征污染物Fe2+離子為模擬溶質(zhì)，假設原工業(yè)企業(yè)在一個主汛期中連續(xù)排放污水，模擬地表以下20 m土壤從空間及時間上的污染進程。如有必要，調(diào)整模型將模擬時間尺度最大放寬至15 a。由于項目為平原新建水庫，地下黏土隔水層對蓄水后的滲漏、污染阻隔至關重要，因此在隔水層底部增加觀察點。模型主要參數(shù)詳見表2，邊界及初始條件詳見表3。

表2 土壤水分和溶質(zhì)運移參數(shù)

表3 模型邊界及初始條件

3 結(jié)果與分析

假設歷史上的企業(yè)污水毫無處理、滲坑連續(xù)偷排，在此最不利條件下，模擬顯示在一個主汛期內(nèi)，僅需8 d滲坑地表土壤Fe2+離子濃度已超過1×104mg/m3，主汛期末期地表土壤Fe2+離子濃度已達3.5×104g/m3，如圖1所示。地表濃度模擬值與應急環(huán)境實測值相近，說明模擬擬合效果較好。水庫工程最為關注的原狀土壤黏土層底部，28 d時被滲坑污染物擊穿，隨著汛期降雨及滲坑偷排的連續(xù)作用，到主汛期末期，黏土層底部Fe2+離子濃度預計可達1×103g/m3，如圖2所示。在地勘鉆孔的20 m土層底部，53 d時被滲坑污染物擊穿，主汛期末期底部Fe2+離子濃度超過0.1 g/m3，如圖3所示。整個土壤剖面污染分布以地表以下10 m為主，濃度由上至下逐步變小，且隨著地表以下深度的增加污染物濃度削減速率逐漸增快，如圖4所示。

圖1 土壤表層濃度時間關系曲線

圖2 黏土層底部濃度時間關系曲線

圖3 土壤底層濃度時間關系曲線

圖4 不同排放周期土壤剖面濃度曲線

4 處置方案

依據(jù)前述HYDRUS模擬結(jié)果，必須對污染土壤采取處置措施。由于該區(qū)域是飲用水水庫，水質(zhì)安全十分重要，處置措施選擇污染區(qū)整體換填方案。清理范圍以現(xiàn)有污染區(qū)域為中心，向外圍延伸，按1 m深度逐層清理。每層清挖后，作業(yè)面必須擱置至少3～4 h，觀察是否發(fā)生顏色變化（注：富含鐵的土壤接觸空氣后，會由黑色變?yōu)辄S、紅色）。如再無顏色變化，即可停止清除。清理最大深度不超過天然黏土層底部，一般清挖控制深度小于7 m。清理后換填4 m厚黏土和3 m厚壤土，機械夯實。在污染土方處置的同時，做好地下水倒排及處理工序。

清理后的污染土壤運至指定棄土場，摻加石灰調(diào)節(jié)pH值至堿性。棄土場底部及邊坡鋪設人工防滲膜，棄土完畢后進行覆土，覆土厚度不低于1 m，覆土完畢后撒播草籽。工程完畢后，棄土場嚴格避免用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可在自然凈化一段時間后，用于制磚、建筑等工程性處置。

5 結(jié)論

掌握工業(yè)拆遷遺留土壤污染特性并提出應急處置措施對確保水庫水質(zhì)安全具有重要意義。利用地質(zhì)勘察、環(huán)境監(jiān)測、污染源分析、HYDRUS模型等綜合手段，對平原區(qū)新建水庫的污染土壤特性進行了研究。結(jié)果表明，在研究區(qū)域特定土壤、降雨條件下，工業(yè)企業(yè)特征污染物在一個主汛期內(nèi)可擴散至黏土層以下，且隨著地表以下深度的增加污染物濃度削減速率逐漸增快，水庫區(qū)域土壤已被污染。在不破壞庫底隔水層、確保水庫無滲漏風險的前提下，依據(jù)模擬結(jié)果開展了以換填土為核心的修復方案，確保了南水北調(diào)水質(zhì)安全。實踐表明，運用HYDRUS模型數(shù)值模擬預測方法能較好地預測工業(yè)拆遷遺留土壤污染特性，較傳統(tǒng)的大范圍鉆孔取樣、分層環(huán)境監(jiān)測的方式時效性較好，對減少水庫滲漏風險、縮短應急反應時間、確保施工順利進行等均較有利。