羅 杰, 劉本華, 徐 晶, 王 琦, 毛偉健, 魯栩春

(濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250022)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 土壤環(huán)境問題日益突出, 其中的土壤重金屬污染, 成為了環(huán)境污染中的一大問題。 多數(shù)污染物進(jìn)入地下水的的過程都必須通過包氣帶或者包氣帶的上方, 因此包氣帶成為地表污染物進(jìn)入地下水的媒介。 土壤的各種物理性質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性決定了包氣帶對土壤的阻滯作用[1-2]。 國內(nèi)外不少學(xué)者基于Hydrus-1D軟件在不同領(lǐng)域進(jìn)行溶質(zhì)模擬運(yùn)移的應(yīng)用[3-6]。王國帥等[7]基于Hydrus-1D模型動(dòng)態(tài)模擬不同時(shí)期的水鹽,分析荒漠綠洲水鹽運(yùn)移的特征。徐雪婷等[8]應(yīng)用Hydrus-1D軟件中的溶質(zhì)運(yùn)移模塊構(gòu)建平原河網(wǎng)區(qū)的水氮模型。張博等[9]運(yùn)用Hydrus-1D模型模擬溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移變化過程,構(gòu)建在地下水的評價(jià)方法。孫法圣等[10]基于Hydrus-1D軟件研究灌區(qū)中的土壤水鹽動(dòng)態(tài)運(yùn)移變化,預(yù)測了在泡堿洗鹽過程中土壤鹽分運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。上述學(xué)者的研究偏向于溶質(zhì)運(yùn)移的機(jī)制和污染方法的評價(jià)應(yīng)用,而更多的是側(cè)重于農(nóng)業(yè)中的水鹽運(yùn)移模型的構(gòu)建及其運(yùn)移規(guī)律,未涉及在工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目中出現(xiàn)的重金屬溶質(zhì)的研究。

本文以山東省淄博市某化工廠的污染土壤為例,綜合分析包氣帶土壤的水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)變化,建立基于Hydrus-1D軟件的重金屬溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移模型。根據(jù)重金屬溶質(zhì)運(yùn)移動(dòng)態(tài)變化,定量分析其下滲到潛水面的濃度和時(shí)間,為研究土壤重金屬溶質(zhì)運(yùn)移提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省淄博市東北部, 全區(qū)年平均日照時(shí)間為2 510.7 h, 年均氣溫為12.2 ℃, 降水量年際變化較大, 年內(nèi)分配很不均勻, 呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化, 降水集中在汛期6—9月。 區(qū)內(nèi)主要分布有淄河、 烏河, 均屬小清河水系。 該地區(qū)地下水埋深為幾米到幾十米不等, 平均地下水位埋深約為6 m。

研究區(qū)土層厚度大,軟硬適中,具有較好的土層結(jié)構(gòu)。土壤母質(zhì)多為黃土性洪積、沖積物。南部低山嶺坡上的土壤母質(zhì)多為石灰?guī)r風(fēng)化物。研究區(qū)屬于魯中山區(qū)與華北平原的過渡地帶,場區(qū)下伏基巖為第四系松散巖類孔隙水含水巖組,第四系堆積物不整合覆于基巖面上,土層性質(zhì)從上到下劃分為:

素填土:以褐黃色粉質(zhì)黏土為主,局部見少量碎石,平均厚度約1.10 m,較松散、雜亂。

含礫粉質(zhì)黏土:棕黃色,土質(zhì)均勻,具微孔,層厚1.40～2.40 m。

粉質(zhì)黏土:褐黃色至棕黃色,底部褐色,土質(zhì)均勻,含鐵錳質(zhì)氧化物條紋,層厚3.50～4.30 m。

2 模型的建立和參數(shù)的設(shè)置

運(yùn)用Hydrus-1D軟件對土壤中的重金屬溶質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬模型的建立。Hydrus-1D是一款溶質(zhì)模擬軟件,用于模擬一維飽和-非飽和土壤水分、熱量和溶質(zhì)運(yùn)移等[11]。

2.1 模型的建立

2.1.1 場地資料

該化工廠的建筑物包括2個(gè)生產(chǎn)裝置、 2個(gè)生產(chǎn)車間和2處灌區(qū), 主要的重金屬溶質(zhì)為砷、 鎘、 鉻、 銅、 鉛、 汞、 鎳等離子。 儲(chǔ)罐使用時(shí)間較長, 由于缺乏維護(hù)和受到腐蝕的影響, 因此可能存在底部液體泄露, 形成單點(diǎn)位污染物持續(xù)下滲擴(kuò)散到土壤中。 同時(shí)把重金屬溶質(zhì)運(yùn)移的土壤研究的深度設(shè)置為6 m。

由地質(zhì)勘探得到土層資料顯示,土層自上而下垂直研究深度劃分為3層(見圖1):①雜填土,松散、 潮、 無植物根系,土層厚度為1.5 m;②重壤土,棕黃色、潮、無根系,土層厚度為1.5 m;③黏土,暗棕色、土質(zhì)均勻,土層厚度3.0 m。

圖1 包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移模型剖面

根據(jù)實(shí)際模型的要求,儲(chǔ)罐中的污染物污染源產(chǎn)生連續(xù)不斷的點(diǎn)源泄露而進(jìn)入到土壤,所以設(shè)定上邊界為穩(wěn)定的定濃度補(bǔ)給邊界。由于下邊界連通著地下水,污染物到達(dá)含水面后進(jìn)入地下水而排泄出去,因此下邊界設(shè)為自由排泄邊界。

2.1.2 基本運(yùn)動(dòng)方程

Hydrus-1D軟件使用修改后Richards方程分析水在包氣帶的變化,只考慮垂向上的一維流動(dòng),忽略水平流動(dòng)和側(cè)向流動(dòng)。Richards方程為

(1)

式中:θ為體積含水率;t為時(shí)間;h為土壤壓力水頭;z為土壤深度;K為非飽和滲透系數(shù);S為源匯項(xiàng)。

K(h,z)=Ks(z)Kr(h,z),

(2)

式中:Kr為相對滲透系數(shù);Ks為飽和滲透系數(shù)。

模型中采用經(jīng)典對流-彌散方程描述一維溶質(zhì)運(yùn)移[12],

(3)

式中:c為溶質(zhì)濃度;D為飽和-非飽和水動(dòng)力彌散系數(shù);s為吸附在土壤顆粒上的固態(tài)溶質(zhì)濃度;q為體積流動(dòng)通量密度;φ為源匯項(xiàng)。

2.2 參數(shù)的設(shè)置

假定研究區(qū)土壤中污染物濃度都為0, 由重金屬溶質(zhì)特征和企業(yè)的需求等因素, 設(shè)定模擬的極端時(shí)長為10 a, 觀測的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)定為200、 600、 1 000、 2 000、 3 650 d。選出Cr6+、 Hg2+、 Cd2+為本研究的預(yù)測因子,由實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)果分析它們下滲的初始質(zhì)量比分別為100、 20、 50 mg/kg。使用Van-Genuchten方程進(jìn)行溶質(zhì)平衡計(jì)算,忽略吸附轉(zhuǎn)化和反應(yīng)。參數(shù)由現(xiàn)場滲水試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室土柱實(shí)驗(yàn)和土壤經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[12-16]取值率定給出,詳見表1。

表1 3種土壤水力特性參數(shù)

2.3 模型驗(yàn)證

取研究區(qū)未污染的上層雜填土土壤,裝填土柱,土柱高度為1 m,控制穩(wěn)定下滲水頭為4 cm,選取其中一種污染物Cr6+,污染物以定質(zhì)量比100 mg/kg下滲進(jìn)入土壤,時(shí)間為200 d,同時(shí)每隔20 cm取土樣分析Cr6+含量隨著深度的變化。通過反復(fù)調(diào)參和驗(yàn)證,得到土壤中的Cr6+含量的觀測值和模擬值如圖2所示。從圖中可以看出,不同深度Cr6+含量的模擬值和觀測值較為一致,說明該模型可以比較準(zhǔn)確預(yù)測土壤重金屬溶質(zhì)的變化。

圖2 研究區(qū)土壤Cr6+濃度模擬值與實(shí)測值比較

3 預(yù)測結(jié)果與分析

本文中的研究結(jié)果分為2個(gè)部分:第1部分為模擬土壤重金屬溶質(zhì)下滲濃度和深度變化,量化不同溶質(zhì)的下滲距離和時(shí)間的關(guān)系;第2部分為模擬重金屬溶質(zhì)持續(xù)垂直下滲,在不同土層觀測點(diǎn)上達(dá)到平衡穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。

3.1 重金屬溶質(zhì)下滲濃度和深度的變化

不同時(shí)間各重金屬溶質(zhì)垂直下滲濃度與深度的變化如圖3所示。由圖可知,在相同的時(shí)間內(nèi)重金屬溶質(zhì)在水平面以下越深,其濃度也越低。在地下同一水平面深度,重金屬溶質(zhì)垂直下滲的時(shí)間越長,其濃度也越高。當(dāng)重金屬溶質(zhì)持續(xù)的以點(diǎn)源垂直下滲的形式進(jìn)入土壤200 d后,重金屬Cr6+、 Hg2+、 Cd2+的最大下滲長度分別約為1.78、 2.23、 2.09 m;下滲1 000 d后, Cr6+、 Hg2+、 Cd2+的最大下滲距離分別為4.55、 5.70、 5.54 m;當(dāng)下滲2 000 d時(shí),重金屬溶質(zhì)下滲的距離超出了模型預(yù)測的范圍深度。

(a)Cr6+

(b)Hg2+

(c)Cd2+圖3 不同時(shí)間各重金屬溶質(zhì)垂直下滲濃度隨深度的變化

3.2 重金屬溶質(zhì)平衡模型

當(dāng)重金屬溶質(zhì)持續(xù)下滲到包氣帶土壤中, 隨著時(shí)間的變化下滲到一定深度后, 重金屬溶質(zhì)運(yùn)移穿過包氣帶到達(dá)地下水面, 將以恒定的濃度進(jìn)入地下水中, 此時(shí)的土壤中的溶質(zhì)的輸出、 輸入達(dá)到平衡狀態(tài)。 圖4所示為Cr6+、 Hg2+、 Cd2+在不同土層深度時(shí)濃度隨時(shí)間的變化。 在土層深度為1 m時(shí),Cr6+、 Hg2+、 Cd2+到達(dá)平衡的時(shí)間分別為1 025、 1 430、 1 410 d;在土層深度為3 m時(shí),Cr6+、 Hg2+、 Cd2+到達(dá)平衡的時(shí)間分別為2 280、 3 000、 3 019 d;隨著土層的加深, 當(dāng)土層深度為5.5 m時(shí), 重金屬離子到達(dá)平衡的時(shí)間超出了模型模擬預(yù)測的范圍, 但由曲線斜率趨勢可以推測出3種重金屬離子到達(dá)平衡時(shí)的時(shí)間分別大于2 300、 3 100、 3 100 d。

(a)Cr6+

(b)Hg2+

(c)Cd2+圖4 不同土層深度時(shí)各重金屬溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化

綜上所述,當(dāng)重金屬溶質(zhì)持續(xù)下滲進(jìn)入包氣帶到達(dá)平衡時(shí),不同溶質(zhì)所需要的時(shí)間不同,Cr6+所需要的時(shí)間最短,當(dāng)土層為雜填土?xí)r,Hg2+所需的時(shí)間比Cd2+的長。當(dāng)土層為重壤土?xí)r,Cd2+到達(dá)平衡所需時(shí)間比Hg2+所需的時(shí)間長,但兩者相差不大,加上模型模擬時(shí)產(chǎn)生的誤差,在3種土層中二者所需時(shí)間相近且都比Cr6+所需要的時(shí)間長。

在不同的土層中,同一重金屬溶質(zhì)到達(dá)平衡所需時(shí)間不同,在黏土層中所需時(shí)間最長,其次為重壤土,最后為雜填土。不同土層的性質(zhì)決定了其不同的密度、滲透系數(shù)等參數(shù),從而影響溶質(zhì)在土層中下滲的速度。

4 結(jié)論

1)在獲取不同土壤特征參數(shù)的基礎(chǔ)上,本文中應(yīng)用Hydrus-1D軟件對包氣帶土壤中重金屬污染物溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值模型的建立,較好地預(yù)測了重金屬溶質(zhì)的運(yùn)移動(dòng)態(tài)變化過程,得到了各時(shí)間段下滲的最大距離,同時(shí)模擬出重金屬溶質(zhì)在不同性質(zhì)土層深度到平衡所需的時(shí)間。

2)由預(yù)測的結(jié)果可知, 下滲200 d后, Cr6+、 Hg2+、 Cd2+最大的下滲距離分別為1.78、 2.23、 2.09 m; 下滲1 000 d后,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+最大的下滲距離分別為4.55、 5.70、 5.54 m。當(dāng)土層深度為1 m(雜填土)時(shí),Cr6+、 Hg2+、 Cd2+濃度到達(dá)平衡的時(shí)間分別為1 025、 1 430、 1 410 d;當(dāng)土層深度為3 m時(shí),Cr6+、 Hg2+、 Cd2+濃度到達(dá)平衡的時(shí)間分別為2 280、 3 000、 3 019 d。

3)采用Hydrus-1D軟件對土壤重金屬溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行研究,模擬預(yù)測了對環(huán)境造成極大危害的污染物垂直下滲泄露情況,得出不同重金屬溶質(zhì)在不同土層下滲的最大距離和時(shí)間,可為應(yīng)急處理該類似事故提供參考,為在短時(shí)間內(nèi)提出高效處理污染物方案提供依據(jù)。