鄧強偉

(中國輻射防護研究院環(huán)境工程技術(shù)研究所， 太原 030006)

1 前 言

在自然界的水循環(huán)過程中，包氣帶是大氣降水、地表水與地下水連接的紐帶。無論對滲流本身，還是作為溶質(zhì)遷移的載體，包氣帶水在水資源、農(nóng)田灌溉、排水、生態(tài)平衡、工程地質(zhì)和環(huán)境問題的研究中都占有重要地位[1]。在地下水系統(tǒng)中，污染物對地下水的危害主要是以“污染源-包氣帶-地下水”的途徑污染地下水，污染物經(jīng)過包氣帶(非飽和帶)進入飽水帶，在地下水流的作用下運移。由于地下水更新速度慢，埋藏情況復(fù)雜，一旦發(fā)生污染，依靠其自凈能力很難降解污染物，需要投入大量的時間及成本進行治理[2]。因此，研究包氣帶水的污染過程并作出相應(yīng)的防范措施就顯得極其重要。

入滲過程是非飽和土壤水分的運動過程，屬于廣義滲流理論的研究范疇，其基礎(chǔ)為法國工程師Darcy提出的達西定律[3]。自從Gardener和Bresler在對土壤與溶質(zhì)間互相作用的研究過程中，依據(jù)菲克定律研究建立了一維土壤溶質(zhì)運移方程[4]后，各種對非飽和土壤水分運動過程的研究層出不窮，后人在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出各種土壤水入滲的基本公式和各類土壤水入滲過程的模型。其中HYDRUS模型被應(yīng)用于分析水流和溶質(zhì)在非飽和多孔隙媒介中的運移過程，它是用土壤物理參數(shù)模擬水、熱及溶質(zhì)在非飽和帶水中運動的有限元計算機模型[5]。由于HYDRUS模型所需要的輸入數(shù)據(jù)相對較少，模擬結(jié)果可靠，能夠較為全面地對水分及溶質(zhì)的運移進行模擬，在非飽和土壤水分運動過程的研究中發(fā)揮了很大的作用。

國內(nèi)學者是從80年代起開始對水鹽運移的理論及過程進行的研究，最初開始進行土壤水鹽運移的模擬的是張蔚臻[6]。張效先[7]根據(jù)質(zhì)量守恒方程推出了一種計算模擬溶質(zhì)運移中水動力彌散系數(shù)的方法，黃康樂[8]按照質(zhì)量守恒方程和利用瞬時剖面法求解非飽和的的思路提出了測定及推導(dǎo)非飽和彌散系數(shù)的方法。各學者將HYDRUS模型運用到土壤水分運移及溶質(zhì)遷移的各過程及其各參數(shù)的求解過程中，并將研究結(jié)果推廣到水利、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的實際運用中。

隨著地下水環(huán)境影響評價的推廣與發(fā)展，越來越多的項目開始關(guān)注到包氣帶對污染物運移的阻滯作用，預(yù)測特征因子在包氣帶中的遷移過程。因此，可以利用HYDRUS-1D軟件來預(yù)測包氣帶對特征因子的影響過程，計算出特征因子通過包氣帶到達地下水面的時間和初始濃度值，避免了之前經(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。

2 材料與方法

2.1 Hydrus-1D軟件

Hydrus系列軟件是由美國農(nóng)業(yè)部、美國鹽堿實驗室等機構(gòu)在SUMATRA、WORM及SWMI等模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建發(fā)展而來，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)、熱和二氧化碳運移和反應(yīng)的軟件。它可以通過網(wǎng)格剖分精確刻畫介質(zhì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)及邊界條件的不同，具有多種水流、溶質(zhì)反應(yīng)模型供用戶選擇，在農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)境學、微生物學等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[9]。近年來該軟件主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域或室內(nèi)試驗?zāi)M，如計算田間氮素流失及氮轉(zhuǎn)化[10]、農(nóng)藥遷移轉(zhuǎn)化[11]，灌溉水量周期性變化[12]，重金屬離子運移[13]等。

Hydrus系列軟件分為一維、二維和三維三種，分別命名為HYDRUS-1D、HYDRUS-2D和HYDRUS-3D，由于非飽和土壤水主要是一維垂向運動形式，因此HYDRUS-1D的應(yīng)用非常廣泛。

2.2 項目概況

研究目標位于山前傾斜平原區(qū)，根據(jù)項目廠址的巖土工程勘察報告，結(jié)合廠區(qū)及其周邊村莊水井的柱狀資料，項目區(qū)出露地層為第四系上更新統(tǒng)，下伏第三系、二疊系、石炭系及奧陶系等地層。地層巖性由新到老主要為：淺部第四系粉土、粉質(zhì)粘土、細砂層和第三系紅色粘土層；中部二疊系與石炭系的砂巖與泥巖層；下部為奧陶系石灰?guī)r。地下水按賦存條件可分為第四系松散層孔隙水含水層和奧陶系巖溶裂隙水含水層兩類含水層。

2.3 研究方法

2.3.1 概念模型

2.3.1.1 預(yù)測目標及其劃分

本次的研究目標為該項目酚氰廢水處理站調(diào)節(jié)池，根據(jù)其所在處的巖土工程勘察鉆孔資料和廠址北側(cè)村莊飲用水井柱狀圖，調(diào)節(jié)池底部0～20m為粉土層，20～30m為粉質(zhì)粘土層，30～40m為細砂層，地下水水位埋深40m。

因此，項目區(qū)包氣帶厚度40m，包氣帶巖性從上至下主要為粉土、粉質(zhì)粘土和細砂層。垂向上按50cm一格剖分，將包氣帶剖分為80格，剖分結(jié)果見圖1。

圖1 包氣帶剖分結(jié)果圖Fig.1 Sectional profile of aeration zone

2.3.1.2 邊界條件概化

將包氣帶水流概化為垂向一維流。調(diào)節(jié)池在非正常工況下發(fā)生滲漏，污染物隨污水不斷地滲入包氣帶，污染物在調(diào)節(jié)池破裂處濃度最高。HYDRUS-1D只考慮污染物在非飽和帶的一維垂直遷移，因此模型的邊界只有上邊界和下邊界，上邊界為調(diào)節(jié)池場地的底斷面，下邊界為包氣帶底部(即潛水面)。

模型中的水流模擬采用經(jīng)典Richards 方程[14]來描述水分運移的過程，模型上邊界設(shè)定為大氣邊界，下邊界設(shè)定為自由排水邊界。而溶質(zhì)運移模型采用對流-彌散方程，模型上邊界設(shè)定為定濃度邊界，下邊界設(shè)定為零濃度邊界。本次模擬的概念模型見圖2。

圖2 HYDRUS-1D概念模型Fig.2 Concept model of HYDRUS-1D

2.3.2 數(shù)學模型建立

HYDRUS-1D模型分為非飽和帶水分運移模型和非飽和帶溶質(zhì)運移模型。

2.3.2.1 非飽和帶水分運移模型

假定水分運移過程中氣相作用很小，忽略溫度梯度的影響，非飽和帶水分運移采用Richards 方程的修改形式來表示，公式如下：

式中：θ—土壤體積含水率，L3/L3；

t—水分運移時間，T；

h—非飽和帶壓力水頭，L；

K—土壤水的非飽和水力傳導(dǎo)率，L/T；

θs—飽和含水率；

θ0—初始含水率；

V—滲透通量，L/T；

H—非飽和帶深度，L。

2.3.2.2 非飽和帶溶質(zhì)運移模型

忽略污染物在氣相中的擴散，不考慮液相中通過對流和彌散作用進行溶質(zhì)運移時的化學反應(yīng)，在固液相間的吸附作用采用線性平衡方程，公式如下：

式中：θ—土壤體積含水率，L3/L3；

t—水分運移時間，T；

z—空間坐標，向上為正；

Dw—水動力彌散系數(shù)，L2/T；

V—滲透通量，L/T；

C0(z，t)—初始濃度；

H—非飽和帶深度，L；

Kd—分配系數(shù)，L3/M；

M—源匯項。

2.3.3 參數(shù)設(shè)置

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、垂直飽和滲透系數(shù)Ks以及曲線形狀參數(shù)α、n，均采用HYDRUS-1D軟件提供的土壤經(jīng)驗參數(shù)庫中的數(shù)值。模型中采用的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

2.3.4 污染物源強設(shè)定

根據(jù)工程分析，煉焦過程產(chǎn)生的熄焦廢水、裝煤、出焦除塵洗滌廢水經(jīng)沉淀處理后回用。其他廢水如生活污水、化驗廢水、循環(huán)水排污水、化學水站中和廢水入酚氰廢水站一并處理。調(diào)節(jié)池為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)刷防腐防滲涂層，底層、側(cè)壁外側(cè)鋪設(shè)防滲土工膜，正常情況下污染物泄漏可以忽略不計。本次研究對酚氰廢水站調(diào)節(jié)池設(shè)定為非正常工況。

2.3.4.1 情景設(shè)定

由于調(diào)節(jié)池為地下式水池，假定調(diào)節(jié)池污水發(fā)生泄漏，管理人員不能及時發(fā)現(xiàn)，致使少量污水通過泄漏部位滲入包氣帶，最終進入含水層。本次研究非正常工況設(shè)定為調(diào)節(jié)池因老化或者腐蝕局部出現(xiàn)小面積滲漏現(xiàn)象，將污染物泄漏位置看做連續(xù)注入的點源。

表1 模型中采用的水文地質(zhì)參數(shù)Tab.1 Hydrogeological parameters used in the simulation

2.3.4.2 滲漏源強設(shè)定

調(diào)節(jié)池為鋼筋混凝土構(gòu)筑物，調(diào)節(jié)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[15]的10倍考慮，滲漏量為20L/d·m2。調(diào)節(jié)池池體底面為水平矩形，容積為500m3(12m×8m×5m)，有效貯水深度3m，按涉池壁和池底的浸濕面積計算滲漏量。

研究目標的污染物組成中，可能造成地下水水質(zhì)影響的主要有揮發(fā)酚、氰化物、氨氮和石油類，本次研究選取揮發(fā)酚作為預(yù)測因子，濃度為500mg/L。

因此，在發(fā)生以上景象的滲漏情況下，地下水環(huán)境污染物濃度及滲漏源強列于表2。

表2 非正常工況下污染源主要污染因子濃度和源強Tab.2 Concentration and source strength of the main pollution factors under abnormal conditions

3 結(jié)果與討論

從環(huán)境安全角度考慮，不考慮吸附作用、化學反應(yīng)作用等對溶質(zhì)運移的延遲，采用連續(xù)注入模型預(yù)測揮發(fā)酚進入包氣帶后的遷移行為。

從預(yù)測結(jié)果來看，揮發(fā)酚進入包氣帶后，地表以下2.5m處(N1觀測點)在15d時開始出現(xiàn)揮發(fā)酚，在924d時達到恒定濃度0.5mg/cm3。地表以下17.5m處(N3觀測點)在118d時開始出現(xiàn)揮發(fā)酚，在710d時達到恒定濃度0.5mg/cm3。地表以下40m處(N6觀測點)在306d時開始出現(xiàn)揮發(fā)酚，在979d時達到恒定濃度0.5mg/cm3，揮發(fā)酚在6個觀測點的濃度隨時間變化曲線見圖3。

圖4為100d、200d、300d、400d、500d、600d、800d和1 000d等時刻揮發(fā)酚在整個包氣帶剖面的濃度分布情況，隨著時間的增加，污染物濃度逐漸接近濃度0.5mg/cm3，最后整個包氣帶剖面污染物達到平衡濃度。

圖3 揮發(fā)酚濃度-時間曲線Fig.3 The concentration-time curves of volatile phenolic compounds

圖4 揮發(fā)酚濃度-深度曲線Fig.4 The concentration-depth curves of volatile phenolic compounds

4 結(jié) 論

本文基于HYDRUS-1D軟件對建設(shè)項目在非正常工況下調(diào)節(jié)池因老化或者腐蝕發(fā)生的滲漏情況進行預(yù)測，預(yù)測污染物泄漏以后在包氣帶中的運移情況。預(yù)測結(jié)果顯示，揮發(fā)酚會在306d時進入含水層，說明包氣帶的阻滯作用使得污染物進入含水層的過程具有一定的滯后效應(yīng)，在減輕污染影響結(jié)果的同時也增加了及時發(fā)現(xiàn)污染物泄漏的難度，因此在包氣帶厚度比較大的地區(qū)對涉及廢污水的水池進行定期檢測也就顯得很有必要。

在獲得污染物通過包氣帶到達地下水面時間的同時，也得到了污染物進入含水層的初始濃度。

但是，在進行環(huán)境影響評價報告的預(yù)測過程有以下需要注意的地方：

(1)由于模型沒有考慮吸附，降解等因素，模擬結(jié)果不能反應(yīng)真實情況，預(yù)測結(jié)果偏保守。

(2)由于某些環(huán)評項目實測數(shù)據(jù)的不足，導(dǎo)致模型的初始數(shù)據(jù)有所欠缺，某些情況下可以用年降水量來迭代預(yù)測穩(wěn)定的初始含水率，準確率有所不足。

(3)模擬區(qū)地層的數(shù)據(jù)來源為巖土工程勘察報告或者水井柱狀資料，其水文地質(zhì)參數(shù)均為經(jīng)驗參數(shù)，相鄰?fù)翆又g的銜接也會影響模型的收斂與最終結(jié)果。

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