基于Hydrus-1D 的濱海圍填造陸區包氣帶中污染物運移的數值模擬

葛菲媛， 劉景蘭， 李立偉

（天津市地質研究和海洋地質中心，天津300170）

本文在某典型圍填造陸區入駐企業污染源調查的基礎上，結合野外實際勘查結果，利用Hydrus-1D對特征污染物泄漏進入包氣帶后的運動過程進行模擬，識別特征污染物的運移規律，為圍填造陸區的包氣帶和地下水保護提供科學依據。

1 研究場地概況

研究區屬于海河平原，地貌類型為海積低平原亞區，屬溫暖帶半濕潤大陸性季風氣候。 根據本次現場勘查及水文地質試驗，研究場地內包氣帶厚度1.81～2.66 m，平均厚度為2.12 m，包氣帶巖性為人工沖填土，垂向平均滲透系數為0.15 m／ d，研究場地的包氣帶防污性能屬弱等級。

通過野外實際調查可知，該場地入駐企業的污水處理站為鋼筋混凝土結構，各池體均為地上式，池底發生泄漏不易發現，泄漏的廢水在重力作用下會對土壤和地下水造成污染，因此本次模擬的污染源為污水處理站的廢水。 同時根據該企業廢水進水水質中重金屬鎳的最大濃度為25 mg ／ L，且鎳在自然界中一旦反應為羥基鎳能產生很強的毒性，因此本次預測因子選擇鎳。

2 模型建立

本次預測選擇污染物以點源形式垂直進入包氣帶的情形，利用Hydrus-1D 的水流及溶質運移兩大模塊進行預測，預測模型為一維非連續點源非飽和溶質垂向運移模型。 模型設定時間單位為d，質量單位為mg，長度單位為cm（后文數學模型中各參數單位的設定均與此一致）。

2.1 水流模型的選擇及參數設定

水流模型選擇發展已相對成熟，本次模擬選擇目前應用最為廣泛的VG 模型來進行模擬計算，不考慮水流運動的滯后現象。

本次模擬污水處理站池體防滲層出現破損發生跑冒滴漏，污染物進入包氣帶的情形，故水流上邊界條件選擇大氣邊界-可積水。 本次模擬不考慮地下水水位變化對水流及溶質運移的影響，故選擇自由排水邊界（Free Drainage）作為下邊界條件。

Hydrus-1D 水流模塊中的Soil Catalog 項包含12種典型土壤介質及其土壤水分特征曲線相關參數，而該場地包氣帶主要巖性為人工沖填土，不包含其內。 因此本次模擬基于土工試驗成果使用Neural network prediction 來計算土壤水分特征曲線參數。土工試驗成果成果見表1，計算出的土壤水分特征曲線參數見表2，其中Ks采用場地滲水試驗實測值，15 cm／ d。

表1 土工試驗成果表

表2 水流模型的參數

2.2 溶質運移模型的選擇及參數設定

本次模擬使用經典對流-彌散方程，不考慮吸附和各種零級、一級及其他反應。

根據污水處理池泄漏的實際情況，溶質運移上邊界選擇濃度通量邊界，下邊界選擇零濃度梯度邊界。

本次模擬假設池體發生泄漏后，企業在30 d 可以發生泄漏并切斷污染源，池體的泄漏量參考《給水排水構筑物工程施工及驗收規范》（ GB50141—2008）中關于滿水試驗驗收的要求，鋼筋混凝土池體滿水試驗驗收標準為2.0 L／ m2·d，本次滲漏量按照驗收標準的10 倍計算，即20 L／ m2·d，因此上邊界是變化的濃度通量邊界，前30 d 的通量為2 cm／ d（20 L／ m2·d）；30 d 后的通量為0。 池體中鎳的濃度0.025 mg ／ cm3（25 mg ／ L） 。

ρ根據土工試驗的成果取1 500 mg ／ cm3；DL取包氣帶厚度的十分之一，為21.2 cm。

2.3 包氣帶剖分和模擬時間

根據場地水文地質調查結果，本次模擬土壤類型為一種，包氣帶自上而下均勻布設6 個觀測點，埋深分別為5、40、80、120、160、212 cm，以表明溶質在垂向上的分布規律。

本次模擬時間為100 d，輸出5 個時間節點（1、5、10、20、100 d）的數據，以表明包氣帶剖面上溶質隨時間的運動變化規律。

3 模擬結果及分析

（1）不同深度處鎳濃度隨時間變化曲線如圖1。

圖1 不同深度處土壤中鎳濃度隨時間變化曲線

由圖1 可知，0 ～30 d 內由于污染物的滲漏，隨著時間的增加不同深度觀測點位土壤水中鎳的濃度逐漸升高；30 d 時鎳停止泄漏，不同深度觀測點位土壤水中鎳的濃度約在30 d 時也開始趨于穩定。其中－160 cm 和－212 cm 處30 d 后仍有緩慢的上升趨勢，這可能是由于少量毛細水在重力作用下仍有向下遷移的趨勢。 同時可以看出不同深度觀測點的濃度最終保持穩定不變，說明即使污染源泄漏后被及時發現及時切斷，但污染物一旦進入土壤，在只有對流-彌散的作用下，會長久的存在于包氣帶內，造成土壤環境的污染。

（2）不同時間包氣帶剖面上土壤水中鎳濃度隨深度變化曲線如圖2。

圖2 剖面上不同時間土壤中鎳濃度隨深度變化曲線

由圖2 可知，不同時刻，包氣帶剖面由頂到底，土壤中鎳的濃度逐漸降低，100 d 時，頂部濃度為0.0241 mg／ cm3（圖中E 點），底部濃度為0.0149 mg／ cm3（圖中e 點）。 同時結合圖1 和表3 可以看出，隨著時間的遷移，包氣帶剖面上的濃度梯度逐漸減小，污染物遷移的速率逐漸也減小，這是因為包氣帶存在優勢通道，前期污染物泄漏后在重力勢的作用下順著優勢通道遷移，遷移速率較大，后期隨著污染物的持續泄漏，污染物逐漸填充空隙，遷移速率變小。

表3 濃度梯度和遷移速率計算表

另外由表3 可知，隨著模擬時間的增加，鎳逐漸向下遷移，第1 d 鎳遷移的最大距離為53 cm （a點），第5 d 鎳遷移的最大距離為137 cm（b點），第10 d 鎳便遷移到包氣帶底部（c點）。 說明對于滲透性能較好、厚度較小的包氣帶截污能力有限，在只有對流-彌散的作用下，污染物物一旦發生泄漏，在較短時間內便會穿透包氣帶進入地下水含水層，從而對場地內潛水產生污染，因此企業在生產活動中應對各個構筑物進行嚴格的防滲措施。

4 結論

隨著污染源的滲漏和切斷，包氣帶中污染物的濃度逐漸升高并趨于穩定。 即使污染源泄漏后被及時發現并切斷，但污染物一旦進入土壤，只有對流-彌散的作用下，會長久的存在于包氣帶內，造成土壤環境的污染。

在只有對流-彌散的作用下，隨著污染物的泄漏，污染物逐漸向下遷移并到達包氣帶底部。 對于滲透性能較好、厚度較小的包氣帶截污能力有限，污染物一旦發生泄漏，在較短時間內便會穿透包氣帶進入地下水含水層，從而對場地內潛水產生污染。

企業在生產活動中應對各個污水處理站各構筑物進行嚴格的防滲措施，建立土壤和地下水污染防控體系，及時發現并截斷污染源，避免對場地內土壤和地下水造成污染。