化工廠地土壤重金屬遷移模擬

潘茜雯, 胡韜, 孫洪廣*

(1.河海大學力學與材料學院，水文水資源與水力工程科學國家重點實驗室，南京 210098；2.南京市江南小化工集中整治工作現(xiàn)場指揮部，南京 210098)

隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展，土壤污染已經(jīng)成為一個不容忽視的環(huán)境問題，對人們的生活和身體健康產(chǎn)生了嚴重的危害[1-4]。建國初期建造的化工廠因為經(jīng)濟、效能、技術等問題，造成了不同程度的土壤污染，這些污染物隨著時間的推移不斷向土壤入滲[5]，污染范圍逐步擴大，影響周圍的水土環(huán)境[6-7]。環(huán)境中廣泛存在著砷元素及其化合物，其中三氧化二砷是劇毒物[8]。因此對污染情況進行準確評估，對指導后期污染控制和修復工作具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。

污染物在土壤中的運移是由對流、分子擴散和機械彌散[9-12]3個物理過程以及溶質(zhì)在運移過程中所發(fā)生的化學、物理及其他過程綜合作用的結果[13-14]。郭鐘群等[15]分析了各種模型的特點及其在離子型稀土溶質(zhì)運移過程的適用性；探討了色譜塔板理論模型、地理信息系統(tǒng)應用模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析離子型稀土溶質(zhì)運移的可行性，為揭示離子型稀土浸取過程的溶質(zhì)遷移規(guī)律提供思路。張?zhí)飙^等[16]將降雨入滲與重金屬所在飽和非飽和土壤作為一個整體考慮，通過將入滲模型、對流-彌散模型和地下水稀釋模型進行耦合，達到計算基于保護地下水的土壤風險值的目的。王先穩(wěn)[17]針對垃圾填埋場滲濾液入滲(點源)、地表河流入滲(線源)、農(nóng)田入滲(面源)3種污染情景分別建立了包氣帶土壤及淺層地下水中污染物遷移數(shù)值模型進行多環(huán)芳烴(PAHs)遷移規(guī)律探究,由此建立了研究區(qū)土壤-地下水中PAHs的污染概念模型。

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[18]，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[19]，可對土壤污染物擴散過程進行準確分析，在時間維度上可以預測未來土壤污染物的濃度和擴散趨勢[20]。相比傳統(tǒng)的調(diào)查打孔和定點監(jiān)測更節(jié)約成本，能夠直接指導污染防治。劉玲等[21]應用FEFLOW建立三維土壤-地下水模型，定量描述六價鉻在土壤-地下水中的遷移規(guī)律，并討論阻滯系數(shù)和反應常數(shù)對溶質(zhì)運移的影響。侯永莉等[22]利用Geostudio軟件模擬降雨、蒸發(fā)、蒸騰對重金屬污染物遷移的影響，為環(huán)境地質(zhì)評價和污染預測防治提供理論依據(jù)。柳山等[23]利用數(shù)值模擬方法進行酸雨淋濾數(shù)值模擬，研究酸性降雨淋濾土壤的過程中，不同層位土壤中污染物的運移特征及規(guī)律。董炎青等[24]利用有限元(computational fluid dynamics，CFD)軟件模擬分析甲苯在土壤中的泄漏過程，研究土壤孔隙度和含水率對甲苯擴散的影響及運移規(guī)律。因此為了保證土壤污染不影響到周圍居民的生產(chǎn)生活，利用地質(zhì)勘查、數(shù)值模擬等綜合手段建立一套土壤重金屬污染預測和評估模型，以期為土壤污染防控和修復提供科學指導。

1 研究區(qū)域概況

南京某化工廠占地超過27×104m2，場地位于長江南岸，靠近長江。地勢東高西低，南北高中間低。污染土壤深度2 m，除場地東南角高程15～18 m，其余地方高程10～15 m。場地周圍水系主要為場地西側的河道，其主要作用為防洪排澇，岸坡寬29.7 m，水面寬10 m，河底高程3.08～4.02 m，水面高程5.29～5.06 m，水體由南向北流動。

2 研究方法

2.1 地質(zhì)勘查

為查明地塊范圍內(nèi)的地層結構、地下水類型和地下水位，并提供各層土的含水率、容重、孔隙率、滲透系數(shù)(水平和垂直)和有機質(zhì)含量，土壤的物理力學指標如表1所示。

表1 土壤的物理力學指標

2.2 污染源調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)有資料，首先對地塊土壤污染狀況進行了初步分析。自20世紀50年代年以來，地塊一直為金陵石化化工一廠使用，結合工藝流程和“三廢”排放情況，主要產(chǎn)污環(huán)節(jié)有聚丙烯生產(chǎn)線、醫(yī)藥/凡士林生產(chǎn)線、白油生產(chǎn)線等工序。對土壤的潛在污染源為：各裝置區(qū)，罐區(qū)、鍋爐房，產(chǎn)生的主要污染物有石油烴類、重金屬等?；S和熱電廠臨近本地塊，為該地塊潛在污染源，通過資料分析，需要考慮的污染物有石油烴類、苯系物、重金屬、多環(huán)芳烴等[25]。

化工廠生產(chǎn)期間產(chǎn)生的污染物遷移途徑有：①廢水污水管道、罐組破損滲漏遷移進入土壤和地下水；②物料在堆放區(qū)域通過地表裂縫滲漏進入土壤和地下水；③物料在裝卸站區(qū)域發(fā)生泄漏進入土壤和地下水。

根據(jù)資料分析、人員訪談、現(xiàn)場勘測結果，開展了該地塊的土壤采樣工作，對土壤樣品進行檢測，鉛采樣篩選值為400 mg/kg，砷采樣數(shù)據(jù)篩選值為20 mg/kg，4-氯苯胺采樣數(shù)據(jù)篩選值為2.7 mg/kg。通過檢測，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設用地土壤環(huán)境風險管控標準(試行)》(GB36600—2018)，這片土壤重金屬含量已嚴重超過國家標準[26-27]。

2.3 數(shù)學模型

2.3.1 方法與目的

在自然過程作用下，土壤中的污染物會發(fā)生遷移和轉化，如降雨和地下水流動會使污染物發(fā)生遷移和轉化等。特別是雨季降雨量大，易造成污染物進一步轉移到下層土壤，造成地塊更大范圍的土壤污染[28]。通過數(shù)值模擬，模擬土壤重金屬在自然天氣中的遷移過程，有利于控制污染物的擴散，減少和控制被污染土壤的分布范圍，降低修復成本。

2.3.2 水動力學模型

土壤水采用Richards對流-彌散方程和伽遼金有限元法進行數(shù)值求解[29]，基本方程為

(1)

式(1)中：θ為土壤體積含水量；t為時間；K(h)為非飽和土壤導水率；h為土壤水頭；S為吸附項。

2.3.3 土壤溶質(zhì)運移模型

溶質(zhì)在土壤中的運移受對流和水動力彌散作用影響[30]，采用對流-彌散方程模型來描述溶質(zhì)的運移，其表達式為[9]

(2)

式(2)中：c為濃度；qi為水流通量；DT為橫向彌散系數(shù)；DL為縱向彌散系數(shù)；ρ為土壤容重；S為溶質(zhì)吸附濃度。

2.4 初始條件和邊界條件

溶質(zhì)運移初始條件為

c(x,y,z,t)=c0(x,y,z)，

x≥0；y≥0；z≥0；t=0

(3)

式(3)中:c0為初始溶質(zhì)濃度。

邊界條件如圖1所示，上邊界A′B′C′D′內(nèi)除區(qū)域R以外的區(qū)域設為大氣邊界條件，考慮土壤被蒸發(fā)情況。EF處有水流通過，設為可變水頭邊界條件，模擬河流通過左邊界A′D′DA。圓形區(qū)域R處設為固定水頭邊界條件，用于模擬上層土壤污染物有多天脈沖。其他剩余邊界A′ABB′、B′BCC′、C′CDD′、ABCD和A′ADD′除EF以外區(qū)域為零通量邊界條件。

圖1 模擬區(qū)域形狀及污染源位置示意圖

2.5 模型參數(shù)

模型參數(shù)通過場地勘察、室內(nèi)土工試驗以及參考文獻獲得。根據(jù)土壤顆粒大小分析確定土壤分布情況，結合土工試驗和資料數(shù)據(jù)庫確定土壤水力學參數(shù)[31-32]，土壤水力特征系數(shù)及相關參數(shù)如表2所示，溶質(zhì)運移參數(shù)如表3所示。

表2 土壤水力特征系數(shù)及相關參數(shù)

表3 溶質(zhì)運移參數(shù)

3 結果與分析

為了研究不同因素對土壤重金屬運移產(chǎn)生的影響，針對不同脈沖時間、不同溶質(zhì)濃度、不同土壤飽和含水率等因素進行研究，將污染場地地層概化為4層，如表4所示。在0.5、1、1.5、2 m處設置4個觀察點。

表4 研究區(qū)地層概化結果

3.1 不同脈沖時間對溶質(zhì)運移的影響

根據(jù)數(shù)學物理模型和相關初始邊界數(shù)值，可以模擬土壤在50、70、100 d脈沖時間下重金屬離子的運移過程。

從圖2可以觀測到，污染源脈沖時間的變化對砂壤土、壤土影響最為明顯。比較0.5 m處砂壤土中污染物砷的濃度變化曲線[圖2(a)]，脈沖時間50、70、100 d時，均在第2天到達0.5 m處，在前62 d溶質(zhì)濃度擴散行為相同，之后按照不同的脈沖時間繼續(xù)擴散或下降；砂壤土中溶質(zhì)經(jīng)過峰值后通過土壤吸附等作用有下降的趨勢，脈沖時間越短，下降越早；脈沖時間100 d時，砂壤土中溶質(zhì)趨于飽和。比較1 m處壤土中污染物砷的濃度變化曲線[圖2(b)]，經(jīng)過12 d到達1 m處，在78 d之前溶質(zhì)擴散相同，隨著脈沖時間的增加，土壤溶質(zhì)擴散范圍更大，土壤的溶質(zhì)濃度更高，脈沖時間70 d中污染物的濃度比脈沖時間50 d高0.056 mg/cm3。比較1.5 m處淤泥質(zhì)壤土中污染物砷的濃度變化曲線[圖2(c)]，脈沖時間50 d時1.5 m深處淤泥質(zhì)壤土溶質(zhì)濃度略低為0.133 1 mg/cm3，脈沖時間70 d與100 d時，淤泥質(zhì)壤土中污染物濃度均為0.133 5 mg/cm3。比較2 m處黏壤土中污染物砷的濃度變化曲線[圖2(d)]，2 m深處黏壤土中污染物濃度相同，均為0.01 mg/cm3。因此脈沖時間越長，對深層土壤的影響越大，并推測隨著時間的增加及溶質(zhì)的不斷運移，中層土壤、深層土壤也將受到影響。

圖2 不同脈沖時間下0.5、1、1.5、2 m處黏壤土中污染物砷的濃度變化曲線(線性吸附、污染區(qū)域為固定水頭邊界、考慮土壤蒸發(fā))

3.2 不同土壤飽和含水率對溶質(zhì)運移的影響

考察不同的土壤飽和含水率條件下污染物的運移過程。主要模擬結果如圖3～圖5所示。

線性吸附、污染區(qū)域為固定水頭邊界、考慮土壤蒸發(fā)

線性吸附、污染區(qū)域為固定水頭邊界、考慮土壤蒸發(fā)

線性吸附、污染區(qū)域為固定水頭邊界、考慮土壤蒸發(fā)

從圖3中可以看出，土壤中的溶質(zhì)到達各層土壤更慢，土壤深度越深，差距越明顯。在0.5 m的砂壤土中，具有較高飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)濃度在第84天達到峰值，濃度為3.5 mg/cm3，具有較低飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)濃度在第90天達到峰值，濃度為3 mg/cm3，較高土壤飽和含水率的土壤溶質(zhì)濃度更高且更快達到峰值。在1 m的壤土中，具有較高飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)第4天到達1 m，溶質(zhì)在第100天濃度為1.33 mg/cm3，具有較低飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)第8天到達1 m，溶質(zhì)在第100天濃度為0.75 mg/cm3。在1.5 m的淤泥質(zhì)壤土中，具有較高飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)第22.5天到達1.5 m，溶質(zhì)在第100天濃度為0.133 5 mg/cm3，具有較低飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)第26.5天到達1.5 m，溶質(zhì)在第100天濃度為0.024 5 mg/cm3。在2 m的黏壤土中，具有較高飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)第36天到達2 m，溶質(zhì)在第100天濃度為0.01 mg/cm3，具有較低飽和土壤含水率的土壤中溶質(zhì)第40天到達2 m，溶質(zhì)在第100天濃度為0.000 3 mg/cm3。比較圖3可知，較高的土壤飽和含水率促進污染物在土壤中的垂向運移，提前4～6 d到達更深層土壤，污染物濃度提高2～6倍。

圖4為脈沖時間70 d時具有高飽和土壤含水率土壤不同深度的水平向溶質(zhì)運移二維圖。圖5為脈沖時間70 d時具有低飽和土壤含水率土壤不同深度的水平向溶質(zhì)運移二維圖。圖4中，當土壤具有更高的飽和土壤含水率時，溶質(zhì)在橫向與縱向擴散更加均勻。圖5中，當土壤具有較低的飽和土壤含水率時，溶質(zhì)在縱向擴散更快，溶質(zhì)運移區(qū)域偏狹長。綜合考慮圖4、圖5可知，它們整體向有河流的方向偏移，在高飽和土壤含水率土壤中，溶質(zhì)擴散更快，污染范圍更大。

4 結論

化工廠土壤重金屬的運移受到很多不同因素的影響，通過建立脈沖時間50、70、100 d的土壤溶質(zhì)運移模型以及不同飽和土壤含水率的模型，分析脈沖時間、土壤飽和含水率對重金屬運移的影響，得出如下結論。

(1)脈沖時間對土壤溶質(zhì)運移具有促進作用，對淺層土壤作用明顯。隨著脈沖時間的不斷增加，對深層土壤的影響愈發(fā)明顯。對于受污染的土壤，必須采取措施減少污染物的滲漏時間，防止污染物在土壤中的進一步擴散，減少對更深層土壤的污染。

(2)具有較高土壤飽和含水率的土壤對溶質(zhì)的擴散起促進作用。由于土壤特性，較高土壤飽和含水率對橫向擴散更加明顯，污染范圍更大，促進污染物的下滲。降低土壤的飽和含水率對治理污染物的運移有更好效果。