Hydrus-1D軟件模擬污染土壤重金屬溶質運移

羅 杰, 劉本華, 徐 晶, 王 琦, 毛偉健, 魯栩春

(濟南大學 水利與環境學院, 山東 濟南 250022)

隨著我國經濟的不斷發展, 土壤環境問題日益突出, 其中的土壤重金屬污染, 成為了環境污染中的一大問題。 多數污染物進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入地下水的媒介。 土壤的各種物理性質的復雜性和多樣性決定了包氣帶對土壤的阻滯作用[1-2]。 國內外不少學者基于Hydrus-1D軟件在不同領域進行溶質模擬運移的應用[3-6]。王國帥等[7]基于Hydrus-1D模型動態模擬不同時期的水鹽,分析荒漠綠洲水鹽運移的特征。徐雪婷等[8]應用Hydrus-1D軟件中的溶質運移模塊構建平原河網區的水氮模型。張博等[9]運用Hydrus-1D模型模擬溶質在土壤中運移變化過程,構建在地下水的評價方法。孫法圣等[10]基于Hydrus-1D軟件研究灌區中的土壤水鹽動態運移變化,預測了在泡堿洗鹽過程中土壤鹽分運動的規律。上述學者的研究偏向于溶質運移的機制和污染方法的評價應用,而更多的是側重于農業中的水鹽運移模型的構建及其運移規律,未涉及在工業建設項目中出現的重金屬溶質的研究。

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動態變化,建立基于Hydrus-1D軟件的重金屬溶質在土壤中的運移模型。根據重金屬溶質運移動態變化,定量分析其下滲到潛水面的濃度和時間,為研究土壤重金屬溶質運移提供參考。

1 研究區概況

研究區位于山東省淄博市東北部, 全區年平均日照時間為2 510.7 h, 年均氣溫為12.2 ℃, 降水量年際變化較大, 年內分配很不均勻, 呈現出明顯的季節性變化, 降水集中在汛期6—9月。 區內主要分布有淄河、 烏河, 均屬小清河水系。 該地區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。

研究區土層厚度大,軟硬適中,具有較好的土層結構。土壤母質多為黃土性洪積、沖積物。南部低山嶺坡上的土壤母質多為石灰巖風化物。研究區屬于魯中山區與華北平原的過渡地帶,場區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,土層性質從上到下劃分為:

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

含礫粉質黏土:棕黃色,土質均勻,具微孔,層厚1.40～2.40 m。

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

2 模型的建立和參數的設置

運用Hydrus-1D軟件對土壤中的重金屬溶質進行數值模擬模型的建立。Hydrus-1D是一款溶質模擬軟件,用于模擬一維飽和-非飽和土壤水分、熱量和溶質運移等[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個生產裝置、 2個生產車間和2處灌區, 主要的重金屬溶質為砷、 鎘、 鉻、 銅、 鉛、 汞、 鎳等離子。 儲罐使用時間較長, 由于缺乏維護和受到腐蝕的影響, 因此可能存在底部液體泄露, 形成單點位污染物持續下滲擴散到土壤中。 同時把重金屬溶質運移的土壤研究的深度設置為6 m。

由地質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、土質均勻,土層厚度3.0 m。

圖1 包氣帶溶質運移模型剖面

根據實際模型的要求,儲罐中的污染物污染源產生連續不斷的點源泄露而進入到土壤,所以設定上邊界為穩定的定濃度補給邊界。由于下邊界連通著地下水,污染物到達含水面后進入地下水而排泄出去,因此下邊界設為自由排泄邊界。

2.1.2 基本運動方程

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,忽略水平流動和側向流動。Richards方程為

(1)

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

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

(2)

式中:Kr為相對滲透系數;Ks為飽和滲透系數。

模型中采用經典對流-彌散方程描述一維溶質運移[12],

(3)

式中:c為溶質濃度;D為飽和-非飽和水動力彌散系數;s為吸附在土壤顆粒上的固態溶質濃度;q為體積流動通量密度;φ為源匯項。

2.2 參數的設置

假定研究區土壤中污染物濃度都為0, 由重金屬溶質特征和企業的需求等因素, 設定模擬的極端時長為10 a, 觀測的時間節點設定為200、 600、 1 000、 2 000、 3 650 d。選出Cr6+、 Hg2+、 Cd2+為本研究的預測因子,由實驗室檢測結果分析它們下滲的初始質量比分別為100、 20、 50 mg/kg。使用Van-Genuchten方程進行溶質平衡計算,忽略吸附轉化和反應。參數由現場滲水試驗、實驗室土柱實驗和土壤經驗參數[12-16]取值率定給出,詳見表1。

表1 3種土壤水力特性參數

2.3 模型驗證

取研究區未污染的上層雜填土土壤,裝填土柱,土柱高度為1 m,控制穩定下滲水頭為4 cm,選取其中一種污染物Cr6+,污染物以定質量比100 mg/kg下滲進入土壤,時間為200 d,同時每隔20 cm取土樣分析Cr6+含量隨著深度的變化。通過反復調參和驗證,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確預測土壤重金屬溶質的變化。

圖2 研究區土壤Cr6+濃度模擬值與實測值比較

3 預測結果與分析

本文中的研究結果分為2個部分:第1部分為模擬土壤重金屬溶質下滲濃度和深度變化,量化不同溶質的下滲距離和時間的關系;第2部分為模擬重金屬溶質持續垂直下滲,在不同土層觀測點上達到平衡穩定狀態所需的時間。

3.1 重金屬溶質下滲濃度和深度的變化

不同時間各重金屬溶質垂直下滲濃度與深度的變化如圖3所示。由圖可知,在相同的時間內重金屬溶質在水平面以下越深,其濃度也越低。在地下同一水平面深度,重金屬溶質垂直下滲的時間越長,其濃度也越高。當重金屬溶質持續的以點源垂直下滲的形式進入土壤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;當下滲2 000 d時,重金屬溶質下滲的距離超出了模型預測的范圍深度。

(a)Cr6+

(b)Hg2+

(c)Cd2+圖3 不同時間各重金屬溶質垂直下滲濃度隨深度的變化

3.2 重金屬溶質平衡模型

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

(a)Cr6+

(b)Hg2+

(c)Cd2+圖4 不同土層深度時各重金屬溶質濃度隨時間的變化

綜上所述,當重金屬溶質持續下滲進入包氣帶到達平衡時,不同溶質所需要的時間不同,Cr6+所需要的時間最短,當土層為雜填土時,Hg2+所需的時間比Cd2+的長。當土層為重壤土時,Cd2+到達平衡所需時間比Hg2+所需的時間長,但兩者相差不大,加上模型模擬時產生的誤差,在3種土層中二者所需時間相近且都比Cr6+所需要的時間長。

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

4 結論

1)在獲取不同土壤特征參數的基礎上,本文中應用Hydrus-1D軟件對包氣帶土壤中重金屬污染物溶質運移進行數值模型的建立,較好地預測了重金屬溶質的運移動態變化過程,得到了各時間段下滲的最大距離,同時模擬出重金屬溶質在不同性質土層深度到平衡所需的時間。

2)由預測的結果可知, 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。當土層深度為1 m(雜填土)時,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+濃度到達平衡的時間分別為1 025、 1 430、 1 410 d;當土層深度為3 m時,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+濃度到達平衡的時間分別為2 280、 3 000、 3 019 d。

3)采用Hydrus-1D軟件對土壤重金屬溶質運移進行研究,模擬預測了對環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在不同土層下滲的最大距離和時間,可為應急處理該類似事故提供參考,為在短時間內提出高效處理污染物方案提供依據。