基于Visual MODFLOW Flex的硝酸盐氮迁移转化特性研究

郝晨西，董 深，吕 谋

（青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266000）

人类活动对地下水环境氮素的输入具有重要影响，硝酸盐氮作为“三氮”污染物的主要存在形式被高度关注［1］。超出预警阈值的硝酸盐氮被人体摄入后，转化为亚硝酸盐增大人体细胞发生癌变、突变的概率［2］。世界卫生组织规定饮用水中硝酸盐氮质量浓度限值为10 mg／L［3］。地下水中硝酸盐氮主要来源于未经严格处理的城市污水、工农业废水直接排放形成的点状污染源［4］，农业氮肥施用、畜禽排泄物长期堆放形成的面状污染源［5］。

近年来，国内外学者对硝酸盐氮污染地下水进行了大量研究，Carrey Raúl等［6］将同位素分析与微生物来源追踪技术相结合，识别了西班牙东北部地下水中硝酸盐氮的来源；余静等［7］利用磁性壳聚糖微球固定氢自养反硝化菌，为硝酸盐氮的去除提供了高效途径；Zhang Wen等［8］将经生化耦合处理的农作物秸秆作为农田修复PRB填料的替代品去除硝酸盐氮，提高了废料利用率。多数学者把研究重心放在污染溯源和去除方法的探索上，对不同投加工况下溶质迁移转化规律的研究较少。同时，一些地区受地形环境影响，原位试验操作受限，部分水文地质参数只能通过岩性勘察或选取经验值等方法确定［9］，如何提升数值模型的精度成为现阶段面临的重要挑战。笔者依据硝酸盐氮在地下水中的主要污染来源，探究两种典型投加工况下溶质的迁移规律及污染羽的扩散情况，通过模型校正，建立Visual MODFLOW Flex数值模型，使其更加真实地还原研究区环境，以期为掌握地下水系统特征污染物迁移转化规律及硝酸盐氮污染的控制等提供理论依据。

1 试验设计与参数选择

1.1 室内砂槽模型装置设计

室内砂槽模型［10］用2 cm厚的有机玻璃板制成，槽体尺寸为1.5 m×1.0 m×1.0 m（长×宽×高），外围设有金属框架支撑。装置内均质砂粒填充高度为0.6 m。砂槽底部设有8个观测孔（OBS1～OBS8），与固定在槽体外壁的8根玻璃刻度管通过橡皮管连接，形成简易连通器用来观测水位变化和采集水样。槽内设置2眼注水井（IW1、IW2）、2眼抽水井（PW1、PW2），抽、注水井均安装玻璃转子流量计和控制阀门以达到调节进水和出水流量的目的，井内径均为25 mm。前后内壁布设上下两排（共12个）侧向补给孔，上排补给孔位于砂层之上用来模拟降水、地表淋滤等自然条件；下排补给孔处于砂层中部，用于模拟砂槽饱和带地下水侧向径流流态。试验装置还包括水箱、水泵和电动机等为试验提供稳定水源和抽灌动力源。井群布置以及地表渗漏污染区域（中心矩形）见图1。

图1 室内砂槽模型平面（单位：m）

1.2 硝酸盐氮检测方法及参数选择

将硝酸盐氮作为溶质运移模型的目标污染物，因其不易被土壤吸附固定，故不考虑非饱和－饱和土壤（包气带）对污染物的阻滞作用和净化作用［12］。室内砂槽模型没有额外添加化学试剂，氧化还原环境是硝酸盐氮衰减的主要影响因素。综上所述，根据硝酸盐氮的特性，采用溶质运移时的对流弥散作用以及硝酸盐氮的生物反硝化作用共同描述其自然衰减过程，其中反硝化作用可以借助K－mobile参数（溶解相溶质一阶反应速率常数）运用准一级动力学反应表达［13］。

2 室内砂槽数值模型建立

2.1 基于Visual MODFLOW Flex的模型概化

Visual MODFLOW Flex作为新一代模拟地下水系统的数值建模软件，在兼容Visual MODFLOW老版本的同时，所有建模步骤可以直观地在操作界面呈现，且可以建立不同工况的多个模拟场景，以便于横向比较。同时，该软件具有水流模拟程序（MODFLOW 2000／2005）、三维溶质运移模型（MT3DMS）等，可用于水位预报、水质模拟等。

在室内砂槽模型试验基础上，建立Visual MODFLOW Flex数值模型，对含水层进行概化。模型上边界是水位随着抽灌作用不断变化的浸润自由面，底部因没有水力交换而可看作隔水边界。渗流区两侧均无源汇项，每侧均等距分布4眼观测井以便获取水头信息，将其概化为给定水头边界。左、右边界分别设有平行排列的2眼抽水井和注水井，可以通过源汇项的形式实现排泄和补给，流量计可监测单位时间内流入和流出的水量。运用有限差分法对模拟区进行剖分，为探究垂向不同深度的污染情况，将模型划分为6层，各层参数设置相同。模拟区共剖分成3 600个单元格，每个单元格尺寸为0.05 m×0.05 m。

2.2 模型构建

（1）水流模型。砂槽内砂质均匀，渗流场所有节点渗透系数相同，且不考虑各向异性。研究区概化为均质、各向同性的非稳定流地下水流系统。依据含水层特征及边界条件，采用地下水流运动方程及其定解条件描述：

式中：K为渗透系数，m／d；h为潜水含水层厚度，m；H为潜水含水层水位，m；W为源汇项（源为正、汇为负）；μ为给水度；t为时间，min；D为渗流区域；H0为初始水位，m；H1为观测水位，m；S1为给定水头边界；n为二类边界的法线方向；S2为隔水边界。

（2）溶质运移模型。溶质运移模型采用三维溶质运移模块，采用有限差分法（UFD）求解，溶质运移方程及定解条件：

式中：C为溶质质量浓度，mg／L；Dx、Dy、Dz为各坐标轴方向的水动力弥散系数；ux、uy、uz为各方向的流速分量；I为溶质源汇项；Rk为化学反应项（代表溶质的反硝化作用）；C0为初始质量浓度（本研究为0），mg／L；Γ1为一类边界；C1为实测溶质质量浓度，mg／L。

2.3 模型的识别校正与参数率定

为提升模型精度，利用井灌注水试验对模型进行校正。通过试验水位观测值调整渗透系数、给水度等参数，通过溶质实测值反演弥散度（纵向弥散度DL、横向与纵向弥散度之比DH／DL、垂向与纵向弥散度之比DV／DL）、K－mobile以及有效孔隙度等参数，以达到修正水流模型和溶质运移模型的目的。

（1）井灌注水试验。试验用水为合成水，将定量分析纯级硝酸钠粉末投加到水箱中，配制成－N质量浓度为100 mg／L的含氮废水作为补给水源，搅拌后静置20 min使其全部溶解。由于室内砂槽体积有限，因此只开启单井（IW2）连通阀，采用离心泵以1 m3／d的速率向含水层连续注水30 min。

（2）水流模型的校正。选择30 min的注水期作为水流模型识别期，为减小水流扰动对观测结果的影响，选择距离注水井IW2相对较远的观测井OBS1、OBS2、OBS7记录水位数据。实际观测水位与模拟水位拟合曲线见图2，标准均方误差为2.17%，误差较小。

图2 注水期水流模型拟合曲线

（3）溶质运移模型校正。选择30 min注水期作为溶质运移模型识别期，分别从8个观测井中进行水样采集，参考检测结果调整溶质模型参数。其中观测井OBS4、OBS8在注水期均未检测到目标污染物，剩余6眼观测井的－N质量浓度拟合情况见图3，标准均方误差为2.089%，拟合结果较好。

图3 注水期N质量浓度拟合曲线

将注水30 min时检测到的硝酸盐氮质量浓度作为初始浓度，将30 min～10 d的静置期作为验证期检验溶质运移模型的准确性。8眼观测井硝酸盐氮质量浓度实测值与模拟值拟合曲线见图4，标准均方误差为1.91%，硝酸盐氮质量浓度实测值与模拟值变化趋势一致，说明该模型能较真实地反映硝酸盐氮在室内砂槽中的分布情况。模型参数率定结果：横向、纵向、垂向渗透系数均为18.6 m／d，给水度μ为0.25，有效孔隙度为0.3，总孔隙度为0.33，纵向弥散度DL为0.8，横向与纵向弥散度之比DH／DL为0.3，垂向与纵向弥散度之比DV／DL为0.02，溶解相溶质一阶反应速率常数Kmobile为0.012／d。

图4 静置期N质量浓度拟合曲线

3 硝酸盐氮迁移转化特性分析与预测

在注水试验基础上结合数值模型，对硝酸盐氮以点源井灌的形式进入砂槽后的水力分布情况及溶质运移行为展开分析，并模拟预测硝酸盐氮以地表渗漏形式进入浅层含水层的迁移情况。

3.1 点源井灌污染模拟分析

将生活饮用水卫生标准中硝酸盐氮的限值（10 mg／L）作为污染下限划定污染区域，分析井灌注水试验中硝酸盐氮的运移规律。注水过程中，注水井附近硝酸盐氮质量浓度涨幅较大，污染晕持续扩张，在连续注水30 min后到达砂槽中部，井中心处质量浓度峰值为52 mg／L。停止投加污染物后，污染源中心形成较大水位差，此时外界施加的水力作用大于污染物在介质中的自然渗透作用，污染物的平均扩散速度约为5 cm／d。区域内水位在静置5 d后基本处于同等高度0.305 m，污染区域不再有明显扩张，污染物质量浓度呈下降趋势。

3.2 硝酸盐氮迁移转化趋势预测

将质量浓度为1 000 mg／L的硝酸盐氮以2.25×10－3m3／d的速率从地表污染源（见图1）渗漏1 d，渗漏完成后静置0、5、10、20 d时渗漏污染区域垂向截面硝酸盐氮质量浓度见图5，依据生活饮用水卫生标准将硝酸盐氮质量浓度为10 mg／L等值线包围的区域作为污染区域。从图5可以看出，污染源附近硝酸盐氮质量浓度较高，由于弥散作用（主导因素）与溶质的自然衰减作用，因此渗漏中心硝酸盐氮质量浓度在5 d内从500 mg／L下降到100 mg／L。随着水力停留时间的增加，污染物继续向更深层饱和区扩展，静置10 d后到达饱和区底部，污染中心垂向扩散速率最快，约为2.4 cm／d。

图5 渗漏后N垂向质量浓度分布（单位：mg／L）

硝酸盐氮渗漏后，潜层含水层水平方向污染最严重的一层质量浓度分布见图6。自停止渗漏，0～8 d污染晕范围逐渐扩大，x方向扩散速率约为1.4 cm／d，y方向扩散速率约为0.8 cm／d。静置10 d后污染物扩散速度减缓，x方向基本停止扩散，y方向扩散速度约为0.65 cm／d，污染晕开始纵向延展，20 d达到最大污染范围（约为0.64 m2），10～20 d的去除效率约为36%。20 d后污染晕呈缩小趋势，砂槽中氧含量降低，逐渐趋向于还原环境，有利于反硝化反应的进行，硝酸盐氮的自然衰减作用增强，去除效率约为46.8%。静置50 d时整个砂槽中硝酸盐氮质量浓度小于20 mg／L，满足Ⅲ类地下水中硝酸盐氮的限值要求。

图6 渗漏后含水层污染物质量浓度分布（单位：mg／L）

4 结 语

采用物理试验与数值模拟相结合的方法建立地下水仿真模拟系统，运用相似原理成比例缩小渗流区空间尺度，便于从整体上探究目标污染物的运移规律。模型经过系统地校正和识别验证后，具有较好的准确性和实用性，但未来应用到实际工程中需考虑尺度效应对模型参数的影响。

硝酸盐氮以井灌和地表渗漏两种投加形式进入地下水系统后均发生不同程度的弥散和自然衰减作用，水力停留时间的延长促进了反硝化作用的进行，去除效率提高。采取单井注入时，井中心污染物出现质量浓度峰值，在水位差的影响下污染物扩散较快；以地表渗漏形式进入浅层含水层时，垂向上污染物进一步向深层饱和区迁移，污染中心扩散速率最快。硝酸盐氮污染较严重地区，只依靠自然衰减作用不能在较短时间内达到净化地下水Ⅲ类水标准，需采取措施及时治理。