趙 丹

(中化二建集團有限公司 山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)

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基于hydrus和modflow在化工園區(qū)地下水污染預測

趙 丹

(中化二建集團有限公司 山西華晉巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030021)

以山西省孝義市某化工園區(qū)為研究區(qū)域，建立水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學模型。應用HYDRUS-1D軟件，模擬源強連續(xù)注入狀態(tài)下污染物穿透包氣帶所用的時間。利用 Visal Modflow，建立地下水流模型和溶質(zhì)運移模型，模擬預測污染物進入地下水后對地下水環(huán)境的影響，通過模擬實現(xiàn)了土壤包氣帶—地下水系統(tǒng)運移模擬與污染評價的耦合，是對傳統(tǒng)污染物遷移預測分析方法的改良和完善。研究結(jié)果表明，污染物大約590 d左右穿透包氣帶進入地下水，10 a后影響面積達到80～90 hm2，園區(qū)建設將對地下水環(huán)境造成較大污染，應做好防治措施。

hydrus-1d； visual modflow；地下水污染；預測

自1968 年法國學者 Marjat 提出“地下水脆弱性”這一概念以來，以地下水脆弱性評價為基礎的地下水污染風險評價方法逐漸興起完善。比如迭置指數(shù)法、數(shù)據(jù)分析法、過程數(shù)值模擬法、模糊數(shù)學綜合評價法等[1]。迭置指數(shù)法簡單方便，但是結(jié)果的準確性取決于資料的完整度以及專家的專業(yè)知識和經(jīng)驗是否豐富精準，主觀影響因素比較大；數(shù)據(jù)分析法可以在參數(shù)缺乏狀況下，利用數(shù)學方法進行不確定性分析，充分減小誤差，提高評價準確度，但是需要大量長觀資料，計算龐大復雜；過程數(shù)值模擬法可以利用軟件或者數(shù)學模型，使用物理、生物方程來模擬污染物質(zhì)的在時間和空間上的動態(tài)變化過程，評價結(jié)果精度較高，適合于小范圍地下水污染風險評價。本文將探索一種更準確的評價方法。

將hydrus-1d和modflow兩種軟件結(jié)合起來使用，“揚長避短”，將hydrus-1d應用到包氣帶中，對其水分溶質(zhì)運移進行模擬，并將其輸出結(jié)果作為輸入應用到飽和帶模型中，利用Visual MODFLOW模型模擬污染物在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化，得出含水層污染范圍與污染物濃度隨時間做出的變化。二者的結(jié)合，充分考慮到了污染物進入地下水之前經(jīng)過包氣帶的全過程，將包氣帶-地下水作為一個整體考慮，改進了之前經(jīng)常將污染物作為源強直接進入地下水造成的影響，更加科學準確。

1 研究區(qū)概況

某化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)位于孝義市城區(qū)中部，規(guī)劃面積為30.34 km2。地形整體由西向東傾斜，地形坡度在7‰左右，海拔734～770 m左右，園區(qū)內(nèi)以沖積平原地貌為主，地表出露地層多為第四系全新統(tǒng)粉土、粉質(zhì)粘土。區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆谂瘻貛О敫珊荡箨懶詺夂颍募痉置?，多年平均氣溫?0.6℃，多年平均降水量約為490 mm，無霜期197 d。

根據(jù)園區(qū)內(nèi)34個鉆孔資料顯示，鉆孔點包氣帶厚度最小值為 25 m,最大值為 70 m。通過包氣帶注水試驗，得出化工園區(qū)內(nèi)平均滲透系數(shù)為9.9×10-6cm/s，整體導水性能差、水力坡度平緩、側(cè)向逕流緩慢，不利于地下水中污染物的稀釋、自凈。研究區(qū)含水層是第四系松散孔隙水潛水含水層，含水層厚度大約為20～50 m，系統(tǒng)的補給項主要是大氣降水、灌溉回滲量和側(cè)向補給量，徑流方向為由西向東，排泄項主要是蒸發(fā)、人工開采和側(cè)向排泄。

化工園區(qū)污染物成分多樣，而非只有一種污染物，但在本次模擬中，根據(jù)化工園區(qū)綜合污水處理廠進水情況統(tǒng)計分析，確定污染物模擬因子為COD，濃度為 0.5 mg/cm3。

2 研究方法

2.1 研究對象

化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)淺部地層主要由第四紀全新統(tǒng)(Q4)沖、洪積細顆粒沉積物組成，包氣帶主要以亞砂土、砂及細砂為主，據(jù)地下水水位觀測資料，在化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)選取地下水水位埋藏最淺的斷面作為模擬斷面，即選取青義村觀測井(水位埋深為25 m)作為本次計算的模擬剖面。

根據(jù)水文地質(zhì)剖面相關資料，青義村觀測井潛水面以上巖性為亞砂土(0～17 m)和砂(17～25 m)，并在N1=500 cm、N2=1 000 cm、N3=1 500 cm、N4=2 000 cm和N5=2 500 cm處設置觀測點。

2.2 建立數(shù)學模型

HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部鹽土實驗室開發(fā)的一個可用來模擬地下滴灌土壤水流及溶質(zhì)運動的有限元計算機模型。能夠較好地模擬水分、溶質(zhì)與能量在土壤中的分布，時空變化，運移規(guī)律，分析人們普遍關注的農(nóng)田灌溉、田間施肥、環(huán)境污染等實際問題[2]。本文使用Hydrus-1D軟件構(gòu)建模型進行計算,主要模擬COD隨滲漏廢水進入包氣帶后的遷移轉(zhuǎn)化過程，重點運用了軟件中的水流及溶質(zhì)運移兩大模塊。

2.2.1 非飽和帶水分運移模型

非飽和帶水分運移采用Richards方程的修改形式表示。由于污染物在彌散過程中垂向遷移距離往往大于側(cè)向遷移距離，所以本次模擬可認為污染物在包氣帶中呈一維垂直遷移。因此只考慮上下兩個邊界，上邊界為定流量邊界，下邊界為潛水面(含水率為飽和含水率)。土壤水分運動的數(shù)學模型如下：

(1)

式中：θ為土壤體積含水率，L3L-3；t為水分運移時間，T；h為非飽和帶壓力水頭，L；K為土壤水的非飽和水力傳導率，LT-1；θs為飽和含水率；θ0為初始含水率；V為滲透通量，LT-1；H為非飽和帶深度。

2.2.2 非飽和帶溶質(zhì)運移模型

本次應用hydrus-1d模擬污染物一維垂直遷移，只考慮溶質(zhì)在固液相間的線性平衡等溫吸附作用，忽略污染物的吸附和微生物降解。將污染物滲漏位置看作連續(xù)注入的點源，并沒有大面積滲漏，所以設定土壤剖面污染物初始濃度為0，上邊界為持續(xù)釋放污染物的定濃度邊界，下邊界為零濃度梯度邊界。溶質(zhì)運移數(shù)學模型如下：

(2)

式中：θ為土壤體積含水率；t為水分運移時間；z為空間坐標，向上為正；Dw為水動力彌散系數(shù)，L2T-1；V為入滲通量；H為非飽和帶深度；Kd為分配系數(shù)，L3M-1；M為源匯項。

2.2.3 模型參數(shù)的確定

水分遷移模型需要確定的水文地質(zhì)參數(shù)包括：殘余含水率θr、飽和含水率θs、垂直滲透系數(shù)Ks，以及曲線形狀參數(shù)α、n。θr、θs、α和n采用Hydrus-1d軟件提供的土壤經(jīng)驗參數(shù)庫中的數(shù)值。在溶質(zhì)運移過程中，由于只考慮線性平衡等溫吸附作用時,所以假定溶液中的污染物濃度與被吸附到孔隙介質(zhì)的污染物濃度到達平衡,選用Freundlich等溫線方程,分配系數(shù)Kd取1 ml/g。

表1 土壤水分運移模型水文地質(zhì)參數(shù)和溶質(zhì)運移參數(shù)

圖1 COD濃度-深度變化曲線

圖2 COD濃度-時間變化曲線圖

3 模型結(jié)果分析

圖1中所有時間曲線變化趨勢大致相同，污染物以類似注射入滲方式連續(xù)不斷注入包氣帶中。污染物隨入滲時間的增加，先垂直下滲一定深度，當其濃度增大到等于初始濃度后，污染物濃度隨入滲深度增大迅速減小至0。經(jīng)過120 d，地表下480 cm處污染物的濃度等于初始濃度 0.5 mg/cm3。隨著時間的推移 ,污染物濃度最大值逐漸向包氣帶深處遷移。經(jīng)過480 d時，污染物首次觸及包氣帶最深處。由圖2可知，觀測點5經(jīng)過590 d時，污染物完全穿透包氣帶進入地下水，整個包氣帶剖面土壤吸附達到飽和狀態(tài)，與污染物濃度達到平衡。

途中模擬時間段內(nèi)污染物濃度隨著土壤埋深增大迅速減小，主要是由于土壤的吸附作用對污染物的運移有一定的阻滯作用。雖然如此,但是污染物的運移有繼續(xù)向下遷移的趨勢。說明包氣帶對污染物質(zhì)有一定的阻截作用，但不能完全阻截，此化工園區(qū)在未來的建設中一定要做好防滲檢漏措施

由hydrus-1d模擬結(jié)果可知：污染物COD在包氣帶遷移過程中，經(jīng)過590 d左右濃度達到飽和并穿透25 m包氣帶，可見本區(qū)包氣帶對污染物具有一定的阻截作用，延緩了污染物到達地下水的時間， 但阻截能力有限。

Visual MODFLOW是國際上公認的三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬軟件系統(tǒng)，它由加拿大Waterloo公司生產(chǎn)，應用有限差方法進行地下水流數(shù)值模擬計算[3]。采用 Visual Modflow 軟件建立地下水系統(tǒng)模型，預測污染物進入地下水中的污染程度和范圍。在此基礎上，利用 VisualModflow 軟件中的 MT3DMS 模塊，以COD為溶質(zhì)進行污染物運移模擬，分析污染物在地下水系統(tǒng)中的變化規(guī)律，預測十年后地下水中污染物的運移情況。

污染物溶解在水中，必然有其一定的擴散范圍，而且隨著時間的變化，這個范圍也必定發(fā)生變化。隨著時間推移，COD進入目標含水層10年后，污染范圍逐漸增大，中心區(qū)域濃度隨著水流稀釋而逐漸下降，降至0.14 mg/cm3。污染羽沿水流方向運移最遠約1 382 m，往上游彌散最大距離約364 m，往左側(cè)彌散最大距離約為268 m，往右側(cè)彌散最大距離約為477 m，影響面積約90.15 hm2。如此嚴峻的污染是由于本研究區(qū)的地下水整體導水性能差、水力坡度平緩、側(cè)向逕流緩慢，不利于地下水中污染物的稀釋、自凈。因此一定要最大限度地保護地下水水質(zhì)安全，使污染物能得到有效抑制。

4 結(jié)語

本文將hydrus和modflow相結(jié)合，做到了不單單把地下水作為獨立的個體進行模擬預測，充分考慮到污染物在包氣帶中的遷移對地下水的影響，是對傳統(tǒng)污染物遷移預測分析方法的改良和完善。其模擬結(jié)果顯示發(fā)生污染物泄漏事故后，僅僅10 a便達到了80～90 hm2的污染面積，情況十分嚴峻。為此化工園區(qū)必須制定預防和防治措施。

[1]李瑋,何江濤,劉麗雅,等. Hydrus-1D 軟件在地下水污染風險評價中的應用[J].中國環(huán)境科學.2013,33(4)：639-647.

[2]孫毅. 利用 hydrus-1d 模擬積水條件下水鹽運移[J]. 黑龍江水利科技.2013,5(47):92-94.

[3]張鳳娟，邢立亭．淄博市張店化工園區(qū)地下水污染預測[J]．濟南大學學報( 自然科學版).2013，27(2)：177-182.

[4]史啟明，王強，王博倫，等．Visal Modflow在地下水污染模擬中的應用[J]．人民黃河.2012，34(12)：69-72.

[5]李瑋，何江濤，劉麗雅，等．Hydrus-1D 軟件在地下水污染風險評價中的應用[J]．中國環(huán)境科學.2013，33(4)：639-647.

[6]朱君． 高河電廠對地下水環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究[D]．太原：太原理工大學．2013.

[7]張博，孫法圣，王帆，等． HYDRUS—1D基于過程的地下水污染評價中的應用[J].科技導報.2013，31(17)：37-40.

Predict the Groundwater pollution in Chemical industry park based on hydrus and mudflow

ZHAO dan

(Sinochem ErJian group co., LTD Shanxi hua jinlu geotechnical engineering co., LTD ,Taiyuan 030021,China)

A chemical industrial park in Shanxi Province Xiaoyi city as the study area, established the hydrogeological conceptual model and mathematical model . Application of HYDRUS 1-D software, simulation The time required for pollutants through the vadose zone in strong continuous injection condition. Used Visal Modflow , established Groundwater flow model and the solute transport model. Simulations to predict pollutants enter the groundwater effect on groundwater environment, Through simulation implements the soil vadose zone - groundwater system migration coupling simulation and pollution evaluation, it is improved and perfected of the traditional pollutants migration prediction analysis method. The results showed that, Circa 590 d pollutants through the vadose zone into the groundwater, The impact area will reaches 80～90hm2in 10 years. Park construction will make more pollution for groundwater environment, so we should do well in the prevention and control measures.

hydrus-1d； visual modflow；round water pollution；Predict

2016-11-29

趙丹(1989-)，女，山西呂梁人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)工作。

X523

A

1004-1184(2017)02-0056-02