氨氮在包氣帶中遷移的HYDRUS-1D預測模型

陳　佩,張永波，鄭秀清，趙雪花

(太原理工大學水利科學工程學院,山西太原030024)

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氨氮在包氣帶中遷移的HYDRUS-1D預測模型

陳佩,張永波，鄭秀清，趙雪花

(太原理工大學水利科學工程學院,山西太原030024)

摘要：以山西省榆次某電廠生活污水處理池所在區域為研究對象,利用HYDRUS-1D軟件構建電廠污水處理池滲漏液中典型污染物氨氮在包氣帶中運移模型,預測氨氮在包氣帶中的垂直遷移轉化,計算出氨氮通過包氣帶到達地下水面的時間和濃度值,為氨氮在地下水中運移的數值模擬預測提供起始時間和初始濃度值。

關鍵詞：地下水；溶質運移；氨氮；包氣帶；HYDRUS-1D

0引言

目前,我國在地下水水質評價中大多沒考慮污染物在包氣帶中的運移轉化,即使考慮到了包氣帶的阻控性能,也是采用經驗吸附的方法計算污染溶質到達地下水時的初始濃度。但是,不同地區包氣帶中土壤的水力特性以及包氣帶的厚度不盡相同,導致包氣帶的防污性能有所不同。若仍采用經驗吸附系數,則后續溶質在地下水中的運移模擬預測初始濃度值就會有很大偏差,致使溶質運移的結果與實際情況偏差很大。再者,由于污染溶質在包氣帶中垂直運移也需要一定的時間,但地下水水質評價過程中大多都沒有考慮溶質在包氣帶中的運移時間,或者只是采用經驗性的數值,失去了數值模擬預測的指導意義。

HYDRUS-1D軟件可以模擬一維水流、二氧化碳、溶質和熱在包氣帶非飽和帶介質中的運移,包括有水分運移、溶質運移、熱傳遞和植物根系吸水等幾大模塊,并具有簡便的輸入和輸出功能[1-3],在環境科學、土壤學、水文地質學等領域都得到了廣泛的運用。本文運用HYDRUS-1D軟件中的數學模型,對包氣帶構建水流運動和溶質運移模型,模擬山西省榆次某電廠污水處理池在非正常情況下,污染物滲漏液進入包氣帶后特征污染物氨氮的遷移轉化過程,并預測氨氮到達潛水含水層時的時間和濃度值,為后續污染溶質在地下水中運移提供初始時間和初始濃度值。

1工程概況

本次研究目標為某電廠生活污水處理池。根據廠址區巖土勘察報告和廠區內39號水文鉆孔可知,污水處理池地下0～6.5 m為土黃色粉質粘土,6.5～16.9 m為黃褐色粉質粘土夾少量粉土,16.9～20.5 m為淺灰黃色粉土,20.5～28 m為淺灰黃色細砂,此層為地下第一含水層。因此,研究區包氣帶厚度為20.5 m,包氣帶巖性以粉質粘土及粉土為主,上層粉質粘土厚16.9 m,下層粉土厚3.6 m。

2研究方法

2.1污染物源強設定

正常工況下,電廠污水處理池表面采用鋼筋混凝土進行硬化處理。因此,污水處理池正常工作狀況下一般不會有液體污染物滲漏,并通過包氣帶到達地下水使地下水污染的情況發生。本次研究對電廠生活污水處理池設定為非正常工況。

2.1.1情景設定

根據電廠裝置區布置情況,若電廠可視裝置發生破壞,即使有污水發生泄漏,管理人員會及時發現并采取措施,不可能任由污水滲入地下水。因此,只有在污水處理池這種半地下非可視部位發生小面積滲漏時,才有可能導致少量污水通過泄漏點滲入包氣帶并進入地下水中。本次研究非正常工況設定為污水處理池底小面積滲漏。

2.1.2滲漏源強設定

污水處理站屬輕型建筑物,根據本電廠《可行性研究報告》設計,地基土持力層為粉質粘土層,池中水深均為3 m。單位面積滲漏量Q可根據Q=K×I計算,其中,K為廠區包氣帶垂向等效滲透系數；I為水力梯度。本次研究分別對廠區內粉質粘土層和粉土層進行了原位滲透試驗,包氣帶粉質粘土層滲透系數為0.48 cm/d,粉土層為6.0 cm/d。廠區包氣帶垂向等效滲透系數K可表示為

(1)

式中,Ki為第i層的滲透系數；Mi為第i層的厚度。

經計算得,K為1.677×10-5cm/s。水力梯度I由包氣帶厚度除以水深計算得出,為0.146。因此,污水處理站單位面積滲漏量為0.002 1 m/d。

2.2數學模型建立

根據氨氮在包氣帶中的運移特性,本次模擬預測運用HYDRUS-1D軟件中水流及溶質運移兩大模塊模擬污染溶質氨氮在非飽和帶中水分運移及溶質運移。

2.2.1水流運動方程

包氣帶中土壤水流數學模型選擇各向同性的土壤、不可壓縮的液體(水)、一維情形的非飽和土壤水流運動的控制方程,即HYDRUS-1D中使用的經典Richards方程描述一維平衡水流運動[5- 6]。公式如下

(2)

式中,h為壓力水頭；θ為體積含水率；t為模擬時間；S為源匯項；α為水流方向與縱軸夾角,本文中認為水流一維連續垂向入滲,故α=0；K(h)為非飽和滲透系數函數,可由方程K(h,x)=Ks(x)Kr(h,x)計算得出。其中,Ks為飽和滲透系數；Kr為相對滲透系數。

HYDRUS-1D軟件中對土壤水力特性的描述提供了5種土壤水力模型,本次研究選用目前使用最廣泛的van Genuchten-Mualem模型計算土壤水力特性參數θ(h)、K(h),且不考慮水流運動的滯后現象[7]。公式如下

(3)

式中,θr為土壤的殘余含水率；θs為土壤的飽和含水率；α、n為土壤水力特性經驗參數；l為土壤介質孔隙連通性能參數,一般取經驗值。

2.2.2溶質運移方程

HYDRUS-1D軟件中使用經典對流-彌散方程描述一維溶質運移[8]。公式如下

(4)

式中,c為土壤液相中氨氮的濃度；s為土壤固相中

表1土壤水力參數

土壤層次/cm土壤類型殘余含水率θr/cm3·cm-3飽和含水率θs/cm3·cm-3經驗參數α/cm-1曲線形狀參數n滲透系數Ks/cm·d-1經驗參數l0～1690粉質粘土0.070.360.0051.090.480.51690～2050粉土0.0340.460.0161.3760.5

表2土壤層氨氮遷移轉化參數

土壤層次/cm土壤類型土壤密度ρ/g·cm-3彌散系數DL/cm自由水中擴散系數Dw/cm2·d-1吸附系數Kd在液相中的反應速率常數μw在吸附相中反應速率常數μs0～1690粉質粘土2.7216916.70.050.0050.0051690～2050粉土2.703616.70.030.0010.001

氨氮的濃度；D為綜合彌散系數,代表分子擴散及水動力彌散,反映土壤水中溶質分子擴散和彌散機；q為體積流動通量密度；Φ為源匯項,代表氨氮的根系吸收作用和氨氮的硝化作用。

2.3參數設置

2.3.1水流運動模型

本次模擬目標為電廠污水處理池，屬半地下式建筑。若污水池非可視部分發生不易發現的小面積滲漏,假設數年后檢修才發現,故將時間保守設定為10年。粉質粘土、粉土的土壤水力參數值見表1。

選定水流模型上邊界為定通量邊界,由滲漏源強設定可知通量為0.21 cm/d,設定土壤剖面初始壓力水頭為-100 cm[5- 6]。下邊界為潛水含水層自由水面,選為自由排水邊界。

2.3.2溶質運移模型

溶質運移模型方程中相關參數取值見表2。根據污水處理池的實際情況,溶質運移模型上邊界選擇濃度通量邊界,污水中氨氮濃度為30 mg/L,故選擇模型上邊界初始濃度為30 mg/L,下邊界選擇零濃度梯度邊界。由于深層土的監測資料較難取得,不考慮土壤中氨氮的原始值,取0。

2.3.3目標土層剖分及觀測點布置

在HYDRUS-1D的Soil Profile-Graphical Editor模塊中對包氣帶土層進行剖分。粉質粘土層為0～1 690 cm,粉土層為1 690～2 050 cm,將整個包氣帶剖面劃分為205層,每層10 cm,總厚度為2 050 m。在預測目標層布置6個觀測點,從上到下依次為N1～N5,距模型頂端距離分別為200、600、1 000、1 500 cm和2 050 cm。土層及觀測點布置見圖1。

3模擬預測結果

3.1模型驗證

為驗證HYDRUS-1D模型的可靠性,將在研究目標區采集的土壤進行試驗室內溶質運移土柱試驗,并使用HYDRUS-1D軟件對土柱內土壤中氨氮垂向運移進行模擬，設定模擬剖面深度為30 cm。將24 h后的模擬結果和土柱試驗測試24 h后結果進行對比。實測值與模擬值對比見圖2。由圖2可知,氨氮的濃度隨深度的增加快速遞減,且實測結果和模擬結果都能很好地反映這一現象。因此,HYDRUS-1D模型基本能夠反映氨氮在包氣帶中垂向溶質運移。

圖1　土層及觀測點布置(單位：cm)

圖2　氨氮濃度實測值與模擬值對比

3.2預測結果

氨氮進入包氣帶之后,距離地表以下2m處(N1觀測點)在12d時開始監測到氨氮,最終恒定濃度為0.03mg/cm3。地表以下6m處(N2觀測點)為85d,最終恒定濃度為0.03mg/cm3。地表以下10m處(N3觀測點)為223d,最終恒定濃度為0.02917mg/cm3。地表以下15m處(N4觀測點)為410d,最終恒定濃度為0.02014mg/cm3。地表以下20.5m處(N5觀測點)為702d,最終達到恒定濃度0.00236mg/cm3。氨氮在5個觀測點的濃度隨時間變化見圖3。

圖3　不同觀測點氨氮濃度-時間變化

4結語

本文基于HYDRUS-1D軟件,對氨氮在包氣帶中的遷移轉化過程模擬效果較好,預測氨氮經過702d通過包氣帶到達地下含水層中,在約2 000d時,氨氮的濃度達到恒定的2.36mg/L,為地下水環境數值模擬初始賦值提供數據支持。

隨著包氣帶土壤層厚度的增加,氨氮濃度穩定值減小,即包氣帶對氨氮的吸附、硝化作用較為明顯,說明研究區包氣帶防污性能顯著。由于檢測資料有限,本文未考慮氨氮在土壤中初始濃度值,也未考慮根系對氨氮吸附作用。

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(責任編輯楊健)

收稿日期：2015- 12- 06

基金項目：國家自然科學基金項目(41572221)

作者簡介：陳佩(1989—),男,山西忻州人,碩士研究生,主要研究方向為水文地質及環境地質；張永波(通訊作者)．

中圖分類號：X523

文獻標識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0010- 03

Prediction of the Migration of Ammonia Nitrogen in Vadose Zone by Using HYDRUS-1D Model

CHEN Pei, ZHANG Yongbo, ZHENG Xiuqing, ZHAO Xuehua

(College of Water Conservancy Science and Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, Shanxi, China)

Abstract:The sewage tank area of a power plant in Yuci, Shanxi is selected as the study case, and the HYDRUS-1D software is used to build the model about the transport of ammonia nitrogen in vadose zone. The ammonia nitrogen is the typical pollutant of sewage tank leakage. The vertical transport of ammonia nitrogen in the vadose zone is simulated by the model, and the time and concentration when the ammonia nitrogen arrives to underground water through the vadose zone are calculated, which provide the starting time and initial concentration for the numerical simulation of ammonia nitrogen transport in underground water．

Key Words:underground water; solute transport; ammonia nitrogen; vadose zone; HYDRUS-1D