喻 佳 魏善彪

（1．江西核工業(yè)環(huán)境保護(hù)中心，江西 南昌 330002；2．江西省地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)測(cè)試大隊(duì)，江西 南昌 330002）

該文以某火電廠脫硫廢水收集池為例，運(yùn)用Hydrus-1D，選用連續(xù)與非連續(xù)點(diǎn)源兩種模式，對(duì)比分析氟化物在土壤中的遷移特征。

Hydrus-1D是用于模擬飽和—非飽介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)、熱量遷移、溶質(zhì)運(yùn)移的軟件，其控制方程采用有限元法求解，模擬區(qū)域既可以是不規(guī)則的水流邊界組成的區(qū)域亦可以是各項(xiàng)異性的非均質(zhì)土壤顆粒組成的區(qū)域。國內(nèi)也有很多學(xué)者利用Hydrus-1D研究土壤中污染物的運(yùn)行，如許雪婷、葉永紅、丁素玲等。

1 土壤中水流和溶質(zhì)運(yùn)移控制方程

Hydrus-1D包括水流入滲、溶質(zhì)運(yùn)移、根系吸收、熱運(yùn)移等模塊。根據(jù)污染物在土壤中的遷移特征，該文選擇水流入滲、溶質(zhì)運(yùn)移兩個(gè)模塊。

1.1 水流運(yùn)動(dòng)控制方程

Richards為經(jīng)典方程，其同時(shí)考慮到了地下水補(bǔ)給和數(shù)學(xué)求解等多方面的影響，還能夠模擬水分在土壤中的動(dòng)態(tài)變化。Hydrus-1D即采用Richards方程，其控制方程見公式（1）（土壤水分特征曲線）和公式（2）（土壤導(dǎo)水率）。

式中：為土壤體積含水量，cm/cm；為壓力水頭，cm，飽和帶大于0，非飽和帶小于0；為垂直方向坐標(biāo)；為時(shí)間變量，s；為非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，cm·d；為作物根系吸水率，cm·cm·s，不考慮根系吸水時(shí)，=0；為水流方向與垂直方向夾角（=0為垂直流，=90°表示水平流，0<<90°表示傾斜流）；K為相對(duì)導(dǎo)水率，cm·d；K為飽和導(dǎo)水率，cm·d。

土壤水分特征曲線和土壤導(dǎo)水率可以使用van Genuchten、Brooks-Corey及Kosugi等模型在Hydrus-1D中擬合。Van Genuchten模型由于適用范圍廣、模擬精度高，已被廣泛使用到不同的模擬情形中，因此，在土壤研究中應(yīng)用較廣。該文忽略水流滯后現(xiàn)象，采用van Genuchten模型進(jìn)行計(jì)算。Van Genuchten模型見公式（3）。

式中：θ為殘余含水量；θ為飽和含水量；為進(jìn)氣吸力值的倒數(shù)；為孔徑分布參數(shù)；=1-1/n；為壓力水頭。

Hydrus-1D中土壤水分運(yùn)動(dòng)控制方程定解條件包括初始條件和邊界條件。

初始條件可用初始?jí)毫λ^h和土壤含水率表示，其控制方程式見公式（4）和公式（5）。

邊界條件包括以下3種情況：

第一類邊界條件（Dirichlet）：變量已知邊界，主要適用于壓力入滲（地表存在薄層積水）及強(qiáng)烈蒸發(fā)（表土達(dá)到了風(fēng)干含水率）。

第二類邊界條件：水流通量已知邊界，主要適用于降雨、蒸發(fā)強(qiáng)大已知的邊界，灌水入滲，不透水邊界及無蒸發(fā)入滲邊界。

第三類邊界條件：水流通量隨邊界上的變量或h而變化的情況。

1.2 溶質(zhì)運(yùn)移控制方程

溶質(zhì)運(yùn)移控制方程見公式（6），該方程未考慮污染源的密度變化，忽略了溶質(zhì)的吸附、解析及自然衰減等物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，僅考慮了對(duì)流及彌散作用。

式中：為污染物介質(zhì)中的濃度，mg/L；為彌散系數(shù)，m/d；為滲流速率，m/d；為沿軸的距離，m；為時(shí)間變量，d；為土壤含水率，%。

初始條件如式（7）所示。

邊界條件如下。

第一類Dirichlet邊界條件如式（8）和式（9）所示。

該條件適用于非連續(xù)點(diǎn)源。

第二類Neumann零梯度邊界如公式（10）所示。

2 研究區(qū)概況

該文以某火電廠為研究對(duì)象，其土壤環(huán)境為污染型項(xiàng)目，土壤環(huán)境污染包括大氣沉降及垂直入滲，該文主要研究垂直入滲情況對(duì)土壤環(huán)境的污染。火電廠垂直入滲污染源包括廢水處理建構(gòu)筑物、氨水儲(chǔ)罐等，該研究選取脫硫廢水收集池進(jìn)行預(yù)測(cè)。脫硫廢水收集池泄漏選取的預(yù)測(cè)因子為氟化物，濃度為50mg/L。

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，脫硫廢水收集池底部土壤巖性為黃土狀粉土，厚度為4.1m。

3 土壤中氟化物運(yùn)移模型

3.1 土壤厚度

脫硫廢水收集池土壤巖性為黃土狀粉土，厚約4.1m。因此，以地面作為高程零點(diǎn)，研究區(qū)土壤厚度劃分為一層，高程為0cm～-410cm，設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位，分別位于-82cm（N1）、-164cm（N2）、-246cm（N3）、-328cm（N4）、-410cm（N5）處。

3.2 邊界條件

上邊界：假定脫硫廢水收集池底部防滲層發(fā)生破損，廢水持續(xù)泄漏，選用第一類Dirichlet邊界條件中的連續(xù)點(diǎn)源邊界，即上邊界泄漏濃度=50mg/L；假定脫硫廢水收集池底部防滲層出現(xiàn)破損，企業(yè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，廢水處理構(gòu)筑物每年檢修一次，一旦脫硫廢水收集池底部防滲層發(fā)生破損，檢修時(shí)即會(huì)發(fā)現(xiàn)，因此，泄漏時(shí)間為365天，365天后切斷污染源，廢水不再泄漏，選用第一類Dirichlet邊界條件中的非連續(xù)點(diǎn)源邊界，即0～365天泄漏濃度=50mg/L，365天以后泄漏濃度為=0mg/L。

下邊界：假設(shè)潛水面隨時(shí)間變化較小，可以忽略不計(jì)，則下邊界設(shè)為壓力水頭為零的第一類邊界條件（Dirichlet）。

圖6可以看出，甲醇含量越高，苦杏仁苷提取得率越大，野黑櫻苷提取得率越小。當(dāng)甲醇含量≥90%時(shí)，提取溶液中幾乎檢測(cè)不到野黑櫻苷。說明水的存在可能對(duì)苦杏仁苷有分解作用，產(chǎn)生分解產(chǎn)物野黑櫻苷，所以研究選取甲醇作為提取溶劑，盡量避免降解原料中苦杏仁苷成分。同時(shí)對(duì)圖5中相對(duì)保留時(shí)間在21.9 min和35.6 min的物質(zhì)成分進(jìn)行了分析并確定為其降解產(chǎn)物成分。

3.3 參數(shù)設(shè)定

使用Hydrus-1D對(duì)土壤中污染物進(jìn)行研究須輸入土壤特征參數(shù)和運(yùn)移參數(shù)。土壤特征參數(shù)包括土壤的殘余含水量、飽和含水量及土壤水力曲線參數(shù)等水分參數(shù)。運(yùn)移參數(shù)包括滲透系數(shù)及彌散系數(shù)等。

該文建立的模型忽略土壤對(duì)氟化物的吸附及氟化物在土壤中的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，僅考慮對(duì)流及彌散作用。使用Van Genuchten方程進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移平衡計(jì)算。各參數(shù)采用軟件中相應(yīng)土壤的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值，具體參數(shù)見表1。

表1 模型計(jì)算主要參數(shù)表

3.4 初始條件

假定土壤中氟化物的濃度為0。

3.5 時(shí)間設(shè)置

模擬預(yù)測(cè)時(shí)間設(shè)定為脫硫廢水收集池廢水發(fā)生泄漏后100天（T1）、365天（T2）、1000天（T3）、2000天（T4）、3650天（T5）。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 脫硫廢水收集池廢水連續(xù)泄漏（情景1）

根據(jù)脫硫廢水收集池土壤巖性及連續(xù)泄漏條件設(shè)置的參數(shù)、邊界條件等建立了模型，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，土壤中同一觀測(cè)點(diǎn)，廢水發(fā)生泄漏垂直入滲進(jìn)入土壤時(shí)間越長，土壤中氟化物濃度越高，反之，土壤中氟化物濃度越低，土壤中污染物濃度與泄漏時(shí)間呈正相關(guān)；不同觀測(cè)點(diǎn)，同一時(shí)間，污染物逐漸自地面向潛水面遷移，隨著泄漏時(shí)間推移，近潛水面土壤中氟化物逐漸接近其泄漏濃度。

圖1 不同時(shí)間點(diǎn)氟化物濃度隨深度變化圖（情景1）

由圖2可知，同一時(shí)間，自地面至潛水面，土壤中氟化物濃度逐漸減少，反之，土壤中污染物濃度越高，土壤中污染物濃度與深度呈負(fù)相關(guān)；不同時(shí)間，自地面至潛水面，隨著時(shí)間推移，土壤中氟化物逐漸向下遷移，近潛水面土壤中氟化物濃度逐漸增大直至接近泄漏濃度。

圖2 不同觀測(cè)點(diǎn)氟化物濃度隨時(shí)間變化圖（情景1）

4.2 脫硫廢水收集池廢水非連續(xù)泄漏（情景2）

根據(jù)脫硫廢水收集池土壤巖性及非連續(xù)泄漏設(shè)置的參數(shù)、邊界條件等建立了模型，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3可知，脫硫廢水收集池廢水發(fā)生泄漏后，同一觀測(cè)點(diǎn)處土壤中氟化物濃度先逐漸升高，達(dá)到峰值后，土壤中氟化物濃度逐漸降低，趨近于0，對(duì)土壤環(huán)境影響逐漸減少；不同觀測(cè)點(diǎn)處，同一時(shí)間，在各觀測(cè)點(diǎn)氟化物濃度達(dá)到峰值之前，土壤中氟化物濃度逐漸升高，反之，逐漸降低，隨著時(shí)間推移，趨近于0。

圖3 不同時(shí)間點(diǎn)氟化物濃度隨深度變化圖（情景2）

由圖4可知，0天～365天連續(xù)泄漏期間（泄漏濃度為50mg/L），相同時(shí)間，自地面至潛水面，氟化物逐漸向潛水面遷移，對(duì)土壤環(huán)境的影響深度逐漸增加；同一觀測(cè)點(diǎn)位，泄漏時(shí)間越長，土壤中氟化物濃度越大。365天以后（泄漏濃度為0），相同時(shí)間，自地面至潛水面，氟化物逐漸增大，濃度遠(yuǎn)低于泄漏濃度；同一觀測(cè)點(diǎn)位，泄漏時(shí)間越長，土壤中氟化物濃度越小，時(shí)間越長，越趨近于0。

圖4 不同觀測(cè)點(diǎn)氟化物濃度隨時(shí)間變化圖（情景2）

由上述預(yù)測(cè)結(jié)果可知：選用連續(xù)點(diǎn)源模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，廢水發(fā)生泄漏后，自地面至潛水面土壤中污染物濃度逐漸升高，泄漏時(shí)間越長，土壤中污染物濃度越趨近于污染物泄漏濃度，對(duì)土壤環(huán)境的影響較大。選用非連續(xù)點(diǎn)源模式進(jìn)行預(yù)測(cè)，廢水發(fā)生泄漏后，在連續(xù)泄漏時(shí)間內(nèi)，自地面至潛水面土壤中污染物遷移特征與選用的連續(xù)點(diǎn)源模式預(yù)測(cè)結(jié)果一致，達(dá)到峰值（峰值小于泄漏濃度）；廢水不再泄漏后（泄漏濃度為0），污染源切斷，進(jìn)入土壤中的污染物作為僅有的污染源逐漸向潛水面遷移，隨著時(shí)間的推移，由于土壤中對(duì)流及彌散作用，近潛水面土壤中氟化物濃度逐漸趨近于0，對(duì)土壤環(huán)境影響很小。

該方法可定量預(yù)測(cè)廢水或廢液泄漏后污染物在土壤中的垂向變化情況，可以作為土壤環(huán)境高等級(jí)評(píng)價(jià)污染型建設(shè)項(xiàng)目的連續(xù)與非連續(xù)點(diǎn)源土壤溶質(zhì)運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)的一種參考。

5 結(jié)論

該文以某火電廠脫硫廢水收集池為例，運(yùn)用Hydrus-1D，選用連續(xù)與非連續(xù)點(diǎn)源兩種模式，對(duì)比分析氟化物在土壤中的遷移特征。對(duì)比預(yù)測(cè)結(jié)果可知，如不考慮實(shí)際情況，直接選取連續(xù)源邊界條件，預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)土壤環(huán)境的影響遠(yuǎn)大于其實(shí)際對(duì)土壤環(huán)境的影響；根據(jù)實(shí)際情況，選用非連續(xù)點(diǎn)源邊界條件對(duì)可通過構(gòu)筑物檢修等途徑發(fā)現(xiàn)泄漏的這類事故情景進(jìn)行預(yù)測(cè)更合理，更能反應(yīng)土壤中污染物濃度變化情況，更貼合建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行發(fā)生非正常工況對(duì)土壤環(huán)境的影響。

該文建立的模型只考慮了土壤中對(duì)流及彌散作用對(duì)污染物的擴(kuò)散影響，沒有考慮土壤吸附、生物降解及化學(xué)反應(yīng)等作用對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化影響，預(yù)測(cè)結(jié)果值比實(shí)際值偏高，后續(xù)的研究將盡量將上述影響因素考慮在內(nèi)。另外，土壤與地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)該是緊密連接的，土壤預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)作為地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)的輸入源強(qiáng)，下一步研究方向?qū)⒖紤]把土壤環(huán)境影響預(yù)測(cè)與地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)有機(jī)結(jié)合在一起。