土壤中污染物溶質運移模擬

喻 佳 魏善彪

（1．江西核工業(yè)環(huán)境保護中心，江西 南昌 330002；2．江西省地質局實驗測試大隊，江西 南昌 330002）

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

Hydrus-1D是用于模擬飽和—非飽介質中水流運動、熱量遷移、溶質運移的軟件，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)域亦可以是各項異性的非均質土壤顆粒組成的區(qū)域。國內也有很多學者利用Hydrus-1D研究土壤中污染物的運行，如許雪婷、葉永紅、丁素玲等。

1 土壤中水流和溶質運移控制方程

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

1.1 水流運動控制方程

Richards為經典方程，其同時考慮到了地下水補給和數(shù)學求解等多方面的影響，還能夠模擬水分在土壤中的動態(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；為時間變量，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，=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為相對導水率，cm·d；K為飽和導水率，cm·d。

土壤水分特征曲線和土壤導水率可以使用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，在土壤研究中應用較廣。該文忽略水流滯后現(xiàn)象，采用van Genuchten模型進行計算。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中土壤水分運動控制方程定解條件包括初始條件和邊界條件。

初始條件可用初始壓力水頭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）及強烈蒸發(fā)（表土達到了風干含水率）。

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 溶質運移控制方程

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

式中：為污染物介質中的濃度，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象，其土壤環(huán)境為污染型項目，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土壤環(huán)境的污染?；痣姀S垂直入滲污染源包括廢水處理建構筑物、氨水儲罐等，該研究選取脫硫廢水收集池進行預測。脫硫廢水收集池泄漏選取的預測因子為氟化物，濃度為50mg/L。

根據(jù)建設項目巖土工程勘察報告，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，研究區(qū)土壤厚度劃分為一層，高程為0cm～-410cm，設置5個觀測點位，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)實際運行時，廢水處理構筑物每年檢修一次，一旦脫硫廢水收集池底部防滲層發(fā)生破損，檢修時即會發(fā)現(xiàn)，因此，泄漏時間為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：假設潛水面隨時間變化較小，可以忽略不計，則下邊界設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。當甲醇含量≥90%時，提取溶液中幾乎檢測不到野黑櫻苷。說明水的存在可能對苦杏仁苷有分解作用，產生分解產物野黑櫻苷，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。同時對圖5中相對保留時間在21.9 min和35.6 min的物質成分進行了分析并確定為其降解產物成分。

3.3 參數(shù)設定

使用Hydrus-1D對土壤中污染物進行研究須輸入土壤特征參數(shù)和運移參數(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氟化物的吸附及氟化物在土壤中的物理、化學、生物反應，僅考慮對流及彌散作用。使用Van Genuchten方程進行溶質運移平衡計算。各參數(shù)采用軟件中相應土壤的經驗參數(shù)值，具體參數(shù)見表1。

表1 模型計算主要參數(shù)表

3.4 初始條件

假定土壤中氟化物的濃度為0。

3.5 時間設置

模擬預測時間設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)泄漏條件設置的參數(shù)、邊界條件等建立了模型，預測結果如圖1和圖2所示。

由圖1可知，土壤中同一觀測點，廢水發(fā)生泄漏垂直入滲進入土壤時間越長，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間呈正相關；不同觀測點，同一時間，污染物逐漸自地面向潛水面遷移，隨著泄漏時間推移，近潛水面土壤中氟化物逐漸接近其泄漏濃度。

圖1 不同時間點氟化物濃度隨深度變化圖（情景1）

由圖2可知，同一時間，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相關；不同時間，自地面至潛水面，隨著時間推移，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 不同觀測點氟化物濃度隨時間變化圖（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)泄漏設置的參數(shù)、邊界條件等建立了模型，預測結果如圖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，同一觀測點處土壤中氟化物濃度先逐漸升高，達到峰值后，土壤中氟化物濃度逐漸降低，趨近于0，對土壤環(huán)境影響逐漸減少；不同觀測點處，同一時間，在各觀測點氟化物濃度達到峰值之前，土壤中氟化物濃度逐漸升高，反之，逐漸降低，隨著時間推移，趨近于0。

圖3 不同時間點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），相同時間，自地面至潛水面，氟化物逐漸向潛水面遷移，對土壤環(huán)境的影響深度逐漸增加；同一觀測點位，泄漏時間越長，土壤中氟化物濃度越大。365天以后（泄漏濃度為0），相同時間，自地面至潛水面，氟化物逐漸增大，濃度遠低于泄漏濃度；同一觀測點位，泄漏時間越長，土壤中氟化物濃度越小，時間越長，越趨近于0。

圖4 不同觀測點氟化物濃度隨時間變化圖（情景2）

由上述預測結果可知：選用連續(xù)點源模式進行預測，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，泄漏時間越長，土壤中污染物濃度越趨近于污染物泄漏濃度，對土壤環(huán)境的影響較大。選用非連續(xù)點源模式進行預測，廢水發(fā)生泄漏后，在連續(xù)泄漏時間內，自地面至潛水面土壤中污染物遷移特征與選用的連續(xù)點源模式預測結果一致，達到峰值（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，隨著時間的推移，由于土壤中對流及彌散作用，近潛水面土壤中氟化物濃度逐漸趨近于0，對土壤環(huán)境影響很小。

該方法可定量預測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)境高等級評價污染型建設項目的連續(xù)與非連續(xù)點源土壤溶質運移模擬預測的一種參考。

5 結論

該文以某火電廠脫硫廢水收集池為例，運用Hydrus-1D，選用連續(xù)與非連續(xù)點源兩種模式，對比分析氟化物在土壤中的遷移特征。對比預測結果可知，如不考慮實際情況，直接選取連續(xù)源邊界條件，預測結果對土壤環(huán)境的影響遠大于其實際對土壤環(huán)境的影響；根據(jù)實際情況，選用非連續(xù)點源邊界條件對可通過構筑物檢修等途徑發(fā)現(xiàn)泄漏的這類事故情景進行預測更合理，更能反應土壤中污染物濃度變化情況，更貼合建設項目實際運行發(fā)生非正常工況對土壤環(huán)境的影響。

該文建立的模型只考慮了土壤中對流及彌散作用對污染物的擴散影響，沒有考慮土壤吸附、生物降解及化學反應等作用對污染物的轉化影響，預測結果值比實際值偏高，后續(xù)的研究將盡量將上述影響因素考慮在內。另外，土壤與地下水環(huán)境影響評價應該是緊密連接的，土壤預測結果應作為地下水環(huán)境影響預測的輸入源強，下一步研究方向將考慮把土壤環(huán)境影響預測與地下水環(huán)境影響預測有機結合在一起。