基于Visual MODFLOW Flex的硝酸鹽氮遷移轉(zhuǎn)化特性研究

郝晨西，董 深，呂 謀

（青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266000）

人類活動(dòng)對地下水環(huán)境氮素的輸入具有重要影響，硝酸鹽氮作為“三氮”污染物的主要存在形式被高度關(guān)注［1］。超出預(yù)警閾值的硝酸鹽氮被人體攝入后，轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽增大人體細(xì)胞發(fā)生癌變、突變的概率［2］。世界衛(wèi)生組織規(guī)定飲用水中硝酸鹽氮質(zhì)量濃度限值為10 mg／L［3］。地下水中硝酸鹽氮主要來源于未經(jīng)嚴(yán)格處理的城市污水、工農(nóng)業(yè)廢水直接排放形成的點(diǎn)狀污染源［4］，農(nóng)業(yè)氮肥施用、畜禽排泄物長期堆放形成的面狀污染源［5］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對硝酸鹽氮污染地下水進(jìn)行了大量研究，Carrey Raúl等［6］將同位素分析與微生物來源追蹤技術(shù)相結(jié)合，識(shí)別了西班牙東北部地下水中硝酸鹽氮的來源；余靜等［7］利用磁性殼聚糖微球固定氫自養(yǎng)反硝化菌，為硝酸鹽氮的去除提供了高效途徑；Zhang Wen等［8］將經(jīng)生化耦合處理的農(nóng)作物秸稈作為農(nóng)田修復(fù)PRB填料的替代品去除硝酸鹽氮，提高了廢料利用率。多數(shù)學(xué)者把研究重心放在污染溯源和去除方法的探索上，對不同投加工況下溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究較少。同時(shí)，一些地區(qū)受地形環(huán)境影響，原位試驗(yàn)操作受限，部分水文地質(zhì)參數(shù)只能通過巖性勘察或選取經(jīng)驗(yàn)值等方法確定［9］，如何提升數(shù)值模型的精度成為現(xiàn)階段面臨的重要挑戰(zhàn)。筆者依據(jù)硝酸鹽氮在地下水中的主要污染來源，探究兩種典型投加工況下溶質(zhì)的遷移規(guī)律及污染羽的擴(kuò)散情況，通過模型校正，建立Visual MODFLOW Flex數(shù)值模型，使其更加真實(shí)地還原研究區(qū)環(huán)境，以期為掌握地下水系統(tǒng)特征污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及硝酸鹽氮污染的控制等提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇

1.1 室內(nèi)砂槽模型裝置設(shè)計(jì)

室內(nèi)砂槽模型［10］用2 cm厚的有機(jī)玻璃板制成，槽體尺寸為1.5 m×1.0 m×1.0 m（長×寬×高），外圍設(shè)有金屬框架支撐。裝置內(nèi)均質(zhì)砂粒填充高度為0.6 m。砂槽底部設(shè)有8個(gè)觀測孔（OBS1～OBS8），與固定在槽體外壁的8根玻璃刻度管通過橡皮管連接，形成簡易連通器用來觀測水位變化和采集水樣。槽內(nèi)設(shè)置2眼注水井（IW1、IW2）、2眼抽水井（PW1、PW2），抽、注水井均安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)和控制閥門以達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)水和出水流量的目的，井內(nèi)徑均為25 mm。前后內(nèi)壁布設(shè)上下兩排（共12個(gè)）側(cè)向補(bǔ)給孔，上排補(bǔ)給孔位于砂層之上用來模擬降水、地表淋濾等自然條件；下排補(bǔ)給孔處于砂層中部，用于模擬砂槽飽和帶地下水側(cè)向徑流流態(tài)。試驗(yàn)裝置還包括水箱、水泵和電動(dòng)機(jī)等為試驗(yàn)提供穩(wěn)定水源和抽灌動(dòng)力源。井群布置以及地表滲漏污染區(qū)域（中心矩形）見圖1。

圖1 室內(nèi)砂槽模型平面（單位：m）

1.2 硝酸鹽氮檢測方法及參數(shù)選擇

將硝酸鹽氮作為溶質(zhì)運(yùn)移模型的目標(biāo)污染物，因其不易被土壤吸附固定，故不考慮非飽和－飽和土壤（包氣帶）對污染物的阻滯作用和凈化作用［12］。室內(nèi)砂槽模型沒有額外添加化學(xué)試劑，氧化還原環(huán)境是硝酸鹽氮衰減的主要影響因素。綜上所述，根據(jù)硝酸鹽氮的特性，采用溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)的對流彌散作用以及硝酸鹽氮的生物反硝化作用共同描述其自然衰減過程，其中反硝化作用可以借助K－mobile參數(shù)（溶解相溶質(zhì)一階反應(yīng)速率常數(shù)）運(yùn)用準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)反應(yīng)表達(dá)［13］。

2 室內(nèi)砂槽數(shù)值模型建立

2.1 基于Visual MODFLOW Flex的模型概化

Visual MODFLOW Flex作為新一代模擬地下水系統(tǒng)的數(shù)值建模軟件，在兼容Visual MODFLOW老版本的同時(shí)，所有建模步驟可以直觀地在操作界面呈現(xiàn)，且可以建立不同工況的多個(gè)模擬場景，以便于橫向比較。同時(shí)，該軟件具有水流模擬程序（MODFLOW 2000／2005）、三維溶質(zhì)運(yùn)移模型（MT3DMS）等，可用于水位預(yù)報(bào)、水質(zhì)模擬等。

在室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立Visual MODFLOW Flex數(shù)值模型，對含水層進(jìn)行概化。模型上邊界是水位隨著抽灌作用不斷變化的浸潤自由面，底部因沒有水力交換而可看作隔水邊界。滲流區(qū)兩側(cè)均無源匯項(xiàng)，每側(cè)均等距分布4眼觀測井以便獲取水頭信息，將其概化為給定水頭邊界。左、右邊界分別設(shè)有平行排列的2眼抽水井和注水井，可以通過源匯項(xiàng)的形式實(shí)現(xiàn)排泄和補(bǔ)給，流量計(jì)可監(jiān)測單位時(shí)間內(nèi)流入和流出的水量。運(yùn)用有限差分法對模擬區(qū)進(jìn)行剖分，為探究垂向不同深度的污染情況，將模型劃分為6層，各層參數(shù)設(shè)置相同。模擬區(qū)共剖分成3 600個(gè)單元格，每個(gè)單元格尺寸為0.05 m×0.05 m。

2.2 模型構(gòu)建

（1）水流模型。砂槽內(nèi)砂質(zhì)均勻，滲流場所有節(jié)點(diǎn)滲透系數(shù)相同，且不考慮各向異性。研究區(qū)概化為均質(zhì)、各向同性的非穩(wěn)定流地下水流系統(tǒng)。依據(jù)含水層特征及邊界條件，采用地下水流運(yùn)動(dòng)方程及其定解條件描述：

式中：K為滲透系數(shù)，m／d；h為潛水含水層厚度，m；H為潛水含水層水位，m；W為源匯項(xiàng)（源為正、匯為負(fù)）；μ為給水度；t為時(shí)間，min；D為滲流區(qū)域；H0為初始水位，m；H1為觀測水位，m；S1為給定水頭邊界；n為二類邊界的法線方向；S2為隔水邊界。

（2）溶質(zhì)運(yùn)移模型。溶質(zhì)運(yùn)移模型采用三維溶質(zhì)運(yùn)移模塊，采用有限差分法（UFD）求解，溶質(zhì)運(yùn)移方程及定解條件：

式中：C為溶質(zhì)質(zhì)量濃度，mg／L；Dx、Dy、Dz為各坐標(biāo)軸方向的水動(dòng)力彌散系數(shù)；ux、uy、uz為各方向的流速分量；I為溶質(zhì)源匯項(xiàng)；Rk為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)（代表溶質(zhì)的反硝化作用）；C0為初始質(zhì)量濃度（本研究為0），mg／L；Γ1為一類邊界；C1為實(shí)測溶質(zhì)質(zhì)量濃度，mg／L。

2.3 模型的識(shí)別校正與參數(shù)率定

為提升模型精度，利用井灌注水試驗(yàn)對模型進(jìn)行校正。通過試驗(yàn)水位觀測值調(diào)整滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)，通過溶質(zhì)實(shí)測值反演彌散度（縱向彌散度DL、橫向與縱向彌散度之比DH／DL、垂向與縱向彌散度之比DV／DL）、K－mobile以及有效孔隙度等參數(shù)，以達(dá)到修正水流模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型的目的。

（1）井灌注水試驗(yàn)。試驗(yàn)用水為合成水，將定量分析純級硝酸鈉粉末投加到水箱中，配制成－N質(zhì)量濃度為100 mg／L的含氮廢水作為補(bǔ)給水源，攪拌后靜置20 min使其全部溶解。由于室內(nèi)砂槽體積有限，因此只開啟單井（IW2）連通閥，采用離心泵以1 m3／d的速率向含水層連續(xù)注水30 min。

（2）水流模型的校正。選擇30 min的注水期作為水流模型識(shí)別期，為減小水流擾動(dòng)對觀測結(jié)果的影響，選擇距離注水井IW2相對較遠(yuǎn)的觀測井OBS1、OBS2、OBS7記錄水位數(shù)據(jù)。實(shí)際觀測水位與模擬水位擬合曲線見圖2，標(biāo)準(zhǔn)均方誤差為2.17%，誤差較小。

圖2 注水期水流模型擬合曲線

（3）溶質(zhì)運(yùn)移模型校正。選擇30 min注水期作為溶質(zhì)運(yùn)移模型識(shí)別期，分別從8個(gè)觀測井中進(jìn)行水樣采集，參考檢測結(jié)果調(diào)整溶質(zhì)模型參數(shù)。其中觀測井OBS4、OBS8在注水期均未檢測到目標(biāo)污染物，剩余6眼觀測井的－N質(zhì)量濃度擬合情況見圖3，標(biāo)準(zhǔn)均方誤差為2.089%，擬合結(jié)果較好。

圖3 注水期N質(zhì)量濃度擬合曲線

將注水30 min時(shí)檢測到的硝酸鹽氮質(zhì)量濃度作為初始濃度，將30 min～10 d的靜置期作為驗(yàn)證期檢驗(yàn)溶質(zhì)運(yùn)移模型的準(zhǔn)確性。8眼觀測井硝酸鹽氮質(zhì)量濃度實(shí)測值與模擬值擬合曲線見圖4，標(biāo)準(zhǔn)均方誤差為1.91%，硝酸鹽氮質(zhì)量濃度實(shí)測值與模擬值變化趨勢一致，說明該模型能較真實(shí)地反映硝酸鹽氮在室內(nèi)砂槽中的分布情況。模型參數(shù)率定結(jié)果：橫向、縱向、垂向滲透系數(shù)均為18.6 m／d，給水度μ為0.25，有效孔隙度為0.3，總孔隙度為0.33，縱向彌散度DL為0.8，橫向與縱向彌散度之比DH／DL為0.3，垂向與縱向彌散度之比DV／DL為0.02，溶解相溶質(zhì)一階反應(yīng)速率常數(shù)Kmobile為0.012／d。

圖4 靜置期N質(zhì)量濃度擬合曲線

3 硝酸鹽氮遷移轉(zhuǎn)化特性分析與預(yù)測

在注水試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模型，對硝酸鹽氮以點(diǎn)源井灌的形式進(jìn)入砂槽后的水力分布情況及溶質(zhì)運(yùn)移行為展開分析，并模擬預(yù)測硝酸鹽氮以地表滲漏形式進(jìn)入淺層含水層的遷移情況。

3.1 點(diǎn)源井灌污染模擬分析

將生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中硝酸鹽氮的限值（10 mg／L）作為污染下限劃定污染區(qū)域，分析井灌注水試驗(yàn)中硝酸鹽氮的運(yùn)移規(guī)律。注水過程中，注水井附近硝酸鹽氮質(zhì)量濃度漲幅較大，污染暈持續(xù)擴(kuò)張，在連續(xù)注水30 min后到達(dá)砂槽中部，井中心處質(zhì)量濃度峰值為52 mg／L。停止投加污染物后，污染源中心形成較大水位差，此時(shí)外界施加的水力作用大于污染物在介質(zhì)中的自然滲透作用，污染物的平均擴(kuò)散速度約為5 cm／d。區(qū)域內(nèi)水位在靜置5 d后基本處于同等高度0.305 m，污染區(qū)域不再有明顯擴(kuò)張，污染物質(zhì)量濃度呈下降趨勢。

3.2 硝酸鹽氮遷移轉(zhuǎn)化趨勢預(yù)測

將質(zhì)量濃度為1 000 mg／L的硝酸鹽氮以2.25×10－3m3／d的速率從地表污染源（見圖1）滲漏1 d，滲漏完成后靜置0、5、10、20 d時(shí)滲漏污染區(qū)域垂向截面硝酸鹽氮質(zhì)量濃度見圖5，依據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)將硝酸鹽氮質(zhì)量濃度為10 mg／L等值線包圍的區(qū)域作為污染區(qū)域。從圖5可以看出，污染源附近硝酸鹽氮質(zhì)量濃度較高，由于彌散作用（主導(dǎo)因素）與溶質(zhì)的自然衰減作用，因此滲漏中心硝酸鹽氮質(zhì)量濃度在5 d內(nèi)從500 mg／L下降到100 mg／L。隨著水力停留時(shí)間的增加，污染物繼續(xù)向更深層飽和區(qū)擴(kuò)展，靜置10 d后到達(dá)飽和區(qū)底部，污染中心垂向擴(kuò)散速率最快，約為2.4 cm／d。

圖5 滲漏后N垂向質(zhì)量濃度分布（單位：mg／L）

硝酸鹽氮滲漏后，潛層含水層水平方向污染最嚴(yán)重的一層質(zhì)量濃度分布見圖6。自停止?jié)B漏，0～8 d污染暈范圍逐漸擴(kuò)大，x方向擴(kuò)散速率約為1.4 cm／d，y方向擴(kuò)散速率約為0.8 cm／d。靜置10 d后污染物擴(kuò)散速度減緩，x方向基本停止擴(kuò)散，y方向擴(kuò)散速度約為0.65 cm／d，污染暈開始縱向延展，20 d達(dá)到最大污染范圍（約為0.64 m2），10～20 d的去除效率約為36%。20 d后污染暈呈縮小趨勢，砂槽中氧含量降低，逐漸趨向于還原環(huán)境，有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，硝酸鹽氮的自然衰減作用增強(qiáng)，去除效率約為46.8%。靜置50 d時(shí)整個(gè)砂槽中硝酸鹽氮質(zhì)量濃度小于20 mg／L，滿足Ⅲ類地下水中硝酸鹽氮的限值要求。

圖6 滲漏后含水層污染物質(zhì)量濃度分布（單位：mg／L）

4 結(jié) 語

采用物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法建立地下水仿真模擬系統(tǒng)，運(yùn)用相似原理成比例縮小滲流區(qū)空間尺度，便于從整體上探究目標(biāo)污染物的運(yùn)移規(guī)律。模型經(jīng)過系統(tǒng)地校正和識(shí)別驗(yàn)證后，具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，但未來應(yīng)用到實(shí)際工程中需考慮尺度效應(yīng)對模型參數(shù)的影響。

硝酸鹽氮以井灌和地表滲漏兩種投加形式進(jìn)入地下水系統(tǒng)后均發(fā)生不同程度的彌散和自然衰減作用，水力停留時(shí)間的延長促進(jìn)了反硝化作用的進(jìn)行，去除效率提高。采取單井注入時(shí)，井中心污染物出現(xiàn)質(zhì)量濃度峰值，在水位差的影響下污染物擴(kuò)散較快；以地表滲漏形式進(jìn)入淺層含水層時(shí)，垂向上污染物進(jìn)一步向深層飽和區(qū)遷移，污染中心擴(kuò)散速率最快。硝酸鹽氮污染較嚴(yán)重地區(qū)，只依靠自然衰減作用不能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到凈化地下水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，需采取措施及時(shí)治理。