基于HYDRUS模型水库土壤污染模拟与处置方案研究

付震，张福超，安禹辰

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

工业拆迁遗留区域的土壤污染问题日益严重，特别是“水十条”“土十条”颁布以前，部分地区的一些小型工业企业私排偷排严重，很多渗坑渗井不易发现，成为土壤污染治理的重点难点。南水北调中线工程线路较长，天津干线工程穿越华北平原中部。王庆坨水库是天津干线的重要调节水库，占地范围在历史上存在多处工业企业。水库施工过程中，库区表土剥离后局部区域发现了污染土壤的痕迹。掌握工业遗留区土壤污染特性并提出处置措施，对保障施工与水库水质安全具有重要意义。

传统的大范围钻孔、多点取样的监测手段费时费力，影响工期，同时极易造成库区底部黏土层穿透风险升高。相比传统方法，数学模型可以模拟土壤中污染物溶质运移过程，是土壤污染特性研究的重要方法。HYDRUS-1D软件是用于模拟饱和-非饱和多孔介质中水分运移和溶质运移的数值模型，在土壤污染物运移、地下水污染风险评价方面得到了广泛运用。

为确保王庆坨水库水质安全，在尽量不影响施工工期、避免库区渗漏的前提下，利用地质勘察、污染源调查、HYDRUS模拟等综合手段，构建了一套工业渗坑土壤重金属污染模拟方法，并依据模拟结果制定处置方案。方案实施后，取得了显著环境效益，为新建水库土壤重金属污染处置提供了借鉴。

1 研究区域概况

王庆坨水库属新建中型平原水库，位于华北平原中北部，库区面积4.21 km2，调节库容1 500万m3，总库容2 000万m3。作为南水北调天津干线的事故和维修备用水库，遇特殊供水事故时，作为城市备用水源，同时调节南水北调来水的不均匀性，保障供水稳定。水库呈较为规则的四边形，占压建设用地4.87 hm2，拆迁18家企业和1家单位。工程于2017年开工，2019年完工并投入运行。

2 研究方法

2.1 地质勘察

施工中发现污染土壤痕迹后，立即开展应急修复，首先进行地质勘察、现场标准贯入试验及室内常规物理力学试验。地质勘察结果表明，按地表以下10～18 m范围内地层组合划分地质结构，污染区为砂、黏双层结构，上部为全新统上段陆相冲积砂壤土及粉土、粉砂，厚度0.5～3.1 m；下部为全新统上段陆相冲积及全新统中段湖沼相沉积壤土和黏土，厚度1.4～5.6 m。将试验数据按地层时代、成因类型、岩性分类进行统计，土的物理力学指标详见表1。

表1 土的物理力学指标建议值

2.2 污染源调查

经调查，水库库底污染区原为小型电镀企业，约建于20世纪90年代末，2016年拆除，持续生产15～16 a。生产产品为自行车金属加工零件，详细生产规模、生产工艺、污水排放量已经无法调查。根据水库现场污染分布状况，可凭经验判断该企业历史上存在渗坑或渗井偷排现象。

水库库区施工开挖后，大气降雨使土壤污染区短期内残存有地表积水，相当于土壤淋洗溶液，浑浊呈红色。现场对污染区土壤及水质进行环境监测，土壤取样深度为表层0.2 m及下层2 m，水质取样为地表积水，监测结果显示：①地表积水强酸性pH值2.78，铁离子浓度已超过3×104mg/L；②土壤中铁含量达到48.8～76 g/kg。根据以上结果，可判断该区域已被工业渗坑污染，且污染持续时间长、积累严重。

2.3 数学模型

2.3.1 方法与目的

掌握污染区的地质、表层土壤及水质监测数据后，尚无法对工业渗坑的污染范围和程度作出科学判断。采用HYDRUS模型，模拟分析工业污水排放和污染溶质在土壤介质中的运移。一方面，为污染处置提供科学依据，缩短因应急处置而停摆的施工时间，保障工程顺利实施；另一方面，避免大范围、多钻孔取样，减少库区底部黏土层的穿透风险，减轻水库建成后的污染风险。

2.3.2 水动力学模型

污水在土壤中的下渗采用修改的Richards对流-弥散方程和迦辽金有限元法进行数值求解。基本方程为：

式中：t为时间（d）；h为负压水头（m）；θ为包气带体积含水率（%）；K为水力传导系数；S为根系吸水项，在本处为0；θe为包气带有效含水率（%）；θr为包气带残余含水率（%）；θs为包气带饱和含水率（%）；Ks为渗透系数；n，m，α均为经验参数。初始边界条件为：

式中：z为空间坐标，原点在地面，向下为正；h0为初始包气带剖面负压值（cm）；ε1为库底补给强度（cm/d）；l为地下水埋深（cm）；其余变量含义同上。

2.3.3 溶质运移模型

溶质运动描述采用CDE对流-弥散方程，基本方程为：

式中：D为水动力弥散系数；c为土壤溶液中污染质浓度（g/cm3）；s为被吸附的固相浓度（%）；q为土体中水的流速（cm/s）；ρ0，ρb为流体密度（g/cm3）；λ1，λ2为经验常数，与包气带土壤质地和结构有关；其余变量含义同上。初始条件与边界条件为：

式中：c0为初始土壤剖面污染质浓度（g/cm3）；cm为土壤溶液污染质饱和浓度（g/cm3）；cd为地下水中的污染质浓度（g/cm3）；其余变量含义同上。

2.4 参数和边界条件

模型参数赋值在地勘实测及参考文献中获得。以金属加工工业酸洗工艺特征污染物Fe2+离子为模拟溶质，假设原工业企业在一个主汛期中连续排放污水，模拟地表以下20 m土壤从空间及时间上的污染进程。如有必要，调整模型将模拟时间尺度最大放宽至15 a。由于项目为平原新建水库，地下黏土隔水层对蓄水后的渗漏、污染阻隔至关重要，因此在隔水层底部增加观察点。模型主要参数详见表2，边界及初始条件详见表3。

表2 土壤水分和溶质运移参数

表3 模型边界及初始条件

3 结果与分析

假设历史上的企业污水毫无处理、渗坑连续偷排，在此最不利条件下，模拟显示在一个主汛期内，仅需8 d渗坑地表土壤Fe2+离子浓度已超过1×104mg/m3，主汛期末期地表土壤Fe2+离子浓度已达3.5×104g/m3，如图1所示。地表浓度模拟值与应急环境实测值相近，说明模拟拟合效果较好。水库工程最为关注的原状土壤黏土层底部，28 d时被渗坑污染物击穿，随着汛期降雨及渗坑偷排的连续作用，到主汛期末期，黏土层底部Fe2+离子浓度预计可达1×103g/m3，如图2所示。在地勘钻孔的20 m土层底部，53 d时被渗坑污染物击穿，主汛期末期底部Fe2+离子浓度超过0.1 g/m3，如图3所示。整个土壤剖面污染分布以地表以下10 m为主，浓度由上至下逐步变小，且随着地表以下深度的增加污染物浓度削减速率逐渐增快，如图4所示。

图1 土壤表层浓度时间关系曲线

图2 黏土层底部浓度时间关系曲线

图3 土壤底层浓度时间关系曲线

图4 不同排放周期土壤剖面浓度曲线

4 处置方案

依据前述HYDRUS模拟结果，必须对污染土壤采取处置措施。由于该区域是饮用水水库，水质安全十分重要，处置措施选择污染区整体换填方案。清理范围以现有污染区域为中心，向外围延伸，按1 m深度逐层清理。每层清挖后，作业面必须搁置至少3～4 h，观察是否发生颜色变化（注：富含铁的土壤接触空气后，会由黑色变为黄、红色）。如再无颜色变化，即可停止清除。清理最大深度不超过天然黏土层底部，一般清挖控制深度小于7 m。清理后换填4 m厚黏土和3 m厚壤土，机械夯实。在污染土方处置的同时，做好地下水倒排及处理工序。

清理后的污染土壤运至指定弃土场，掺加石灰调节pH值至碱性。弃土场底部及边坡铺设人工防渗膜，弃土完毕后进行覆土，覆土厚度不低于1 m，覆土完毕后撒播草籽。工程完毕后，弃土场严格避免用于农业生产，可在自然净化一段时间后，用于制砖、建筑等工程性处置。

5 结论

掌握工业拆迁遗留土壤污染特性并提出应急处置措施对确保水库水质安全具有重要意义。利用地质勘察、环境监测、污染源分析、HYDRUS模型等综合手段，对平原区新建水库的污染土壤特性进行了研究。结果表明，在研究区域特定土壤、降雨条件下，工业企业特征污染物在一个主汛期内可扩散至黏土层以下，且随着地表以下深度的增加污染物浓度削减速率逐渐增快，水库区域土壤已被污染。在不破坏库底隔水层、确保水库无渗漏风险的前提下，依据模拟结果开展了以换填土为核心的修复方案，确保了南水北调水质安全。实践表明，运用HYDRUS模型数值模拟预测方法能较好地预测工业拆迁遗留土壤污染特性，较传统的大范围钻孔取样、分层环境监测的方式时效性较好，对减少水库渗漏风险、缩短应急反应时间、确保施工顺利进行等均较有利。