化工厂地土壤重金属迁移模拟

2023-03-15潘茜雯胡韬孙洪广

科学技术与工程 2023年4期

潘茜雯, 胡韬, 孙洪广*

(1.河海大学力学与材料学院，水文水资源与水力工程科学国家重点实验室，南京 210098；2.南京市江南小化工集中整治工作现场指挥部，南京 210098)

随着中国社会经济的发展，土壤污染已经成为一个不容忽视的环境问题，对人们的生活和身体健康产生了严重的危害[1-4]。建国初期建造的化工厂因为经济、效能、技术等问题，造成了不同程度的土壤污染，这些污染物随着时间的推移不断向土壤入渗[5]，污染范围逐步扩大，影响周围的水土环境[6-7]。环境中广泛存在着砷元素及其化合物，其中三氧化二砷是剧毒物[8]。因此对污染情况进行准确评估，对指导后期污染控制和修复工作具有重要的科学意义和现实意义。

污染物在土壤中的运移是由对流、分子扩散和机械弥散[9-12]3个物理过程以及溶质在运移过程中所发生的化学、物理及其他过程综合作用的结果[13-14]。郭钟群等[15]分析了各种模型的特点及其在离子型稀土溶质运移过程的适用性；探讨了色谱塔板理论模型、地理信息系统应用模型、人工神经网络分析离子型稀土溶质运移的可行性，为揭示离子型稀土浸取过程的溶质迁移规律提供思路。张天玑等[16]将降雨入渗与重金属所在饱和非饱和土壤作为一个整体考虑，通过将入渗模型、对流-弥散模型和地下水稀释模型进行耦合，达到计算基于保护地下水的土壤风险值的目的。王先稳[17]针对垃圾填埋场渗滤液入渗(点源)、地表河流入渗(线源)、农田入渗(面源)3种污染情景分别建立了包气带土壤及浅层地下水中污染物迁移数值模型进行多环芳烃(PAHs)迁移规律探究,由此建立了研究区土壤-地下水中PAHs的污染概念模型。

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[18]，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[19]，可对土壤污染物扩散过程进行准确分析，在时间维度上可以预测未来土壤污染物的浓度和扩散趋势[20]。相比传统的调查打孔和定点监测更节约成本，能够直接指导污染防治。刘玲等[21]应用FEFLOW建立三维土壤-地下水模型，定量描述六价铬在土壤-地下水中的迁移规律，并讨论阻滞系数和反应常数对溶质运移的影响。侯永莉等[22]利用Geostudio软件模拟降雨、蒸发、蒸腾对重金属污染物迁移的影响，为环境地质评价和污染预测防治提供理论依据。柳山等[23]利用数值模拟方法进行酸雨淋滤数值模拟，研究酸性降雨淋滤土壤的过程中，不同层位土壤中污染物的运移特征及规律。董炎青等[24]利用有限元(computational fluid dynamics，CFD)软件模拟分析甲苯在土壤中的泄漏过程，研究土壤孔隙度和含水率对甲苯扩散的影响及运移规律。因此为了保证土壤污染不影响到周围居民的生产生活，利用地质勘查、数值模拟等综合手段建立一套土壤重金属污染预测和评估模型，以期为土壤污染防控和修复提供科学指导。

1 研究区域概况

南京某化工厂占地超过27×104m2，场地位于长江南岸，靠近长江。地势东高西低，南北高中间低。污染土壤深度2 m，除场地东南角高程15～18 m，其余地方高程10～15 m。场地周围水系主要为场地西侧的河道，其主要作用为防洪排涝，岸坡宽29.7 m，水面宽10 m，河底高程3.08～4.02 m，水面高程5.29～5.06 m，水体由南向北流动。

2 研究方法

2.1 地质勘查

为查明地块范围内的地层结构、地下水类型和地下水位，并提供各层土的含水率、容重、孔隙率、渗透系数(水平和垂直)和有机质含量，土壤的物理力学指标如表1所示。

表1 土壤的物理力学指标

2.2 污染源调查

根据现有资料，首先对地块土壤污染状况进行了初步分析。自20世纪50年代年以来，地块一直为金陵石化化工一厂使用，结合工艺流程和“三废”排放情况，主要产污环节有聚丙烯生产线、医药/凡士林生产线、白油生产线等工序。对土壤的潜在污染源为：各装置区，罐区、锅炉房，产生的主要污染物有石油烃类、重金属等。化工厂和热电厂临近本地块，为该地块潜在污染源，通过资料分析，需要考虑的污染物有石油烃类、苯系物、重金属、多环芳烃等[25]。

化工厂生产期间产生的污染物迁移途径有：①废水污水管道、罐组破损渗漏迁移进入土壤和地下水；②物料在堆放区域通过地表裂缝渗漏进入土壤和地下水；③物料在装卸站区域发生泄漏进入土壤和地下水。

根据资料分析、人员访谈、现场勘测结果，开展了该地块的土壤采样工作，对土壤样品进行检测，铅采样筛选值为400 mg/kg，砷采样数据筛选值为20 mg/kg，4-氯苯胺采样数据筛选值为2.7 mg/kg。通过检测，按照《土壤环境质量建设用地土壤环境风险管控标准(试行)》(GB36600—2018)，这片土壤重金属含量已严重超过国家标准[26-27]。

2.3 数学模型

2.3.1 方法与目的

在自然过程作用下，土壤中的污染物会发生迁移和转化，如降雨和地下水流动会使污染物发生迁移和转化等。特别是雨季降雨量大，易造成污染物进一步转移到下层土壤，造成地块更大范围的土壤污染[28]。通过数值模拟，模拟土壤重金属在自然天气中的迁移过程，有利于控制污染物的扩散，减少和控制被污染土壤的分布范围，降低修复成本。

2.3.2 水动力学模型

土壤水采用Richards对流-弥散方程和伽辽金有限元法进行数值求解[29]，基本方程为

(1)

式(1)中：θ为土壤体积含水量；t为时间；K(h)为非饱和土壤导水率；h为土壤水头；S为吸附项。

2.3.3 土壤溶质运移模型

溶质在土壤中的运移受对流和水动力弥散作用影响[30]，采用对流-弥散方程模型来描述溶质的运移，其表达式为[9]

(2)

式(2)中：c为浓度；qi为水流通量；DT为横向弥散系数；DL为纵向弥散系数；ρ为土壤容重；S为溶质吸附浓度。

2.4 初始条件和边界条件

溶质运移初始条件为

c(x,y,z,t)=c0(x,y,z)，

x≥0；y≥0；z≥0；t=0

(3)

式(3)中:c0为初始溶质浓度。

边界条件如图1所示，上边界A′B′C′D′内除区域R以外的区域设为大气边界条件，考虑土壤被蒸发情况。EF处有水流通过，设为可变水头边界条件，模拟河流通过左边界A′D′DA。圆形区域R处设为固定水头边界条件，用于模拟上层土壤污染物有多天脉冲。其他剩余边界A′ABB′、B′BCC′、C′CDD′、ABCD和A′ADD′除EF以外区域为零通量边界条件。

图1 模拟区域形状及污染源位置示意图

2.5 模型参数

模型参数通过场地勘察、室内土工试验以及参考文献获得。根据土壤颗粒大小分析确定土壤分布情况，结合土工试验和资料数据库确定土壤水力学参数[31-32]，土壤水力特征系数及相关参数如表2所示，溶质运移参数如表3所示。

表2 土壤水力特征系数及相关参数

表3 溶质运移参数

3 结果与分析

为了研究不同因素对土壤重金属运移产生的影响，针对不同脉冲时间、不同溶质浓度、不同土壤饱和含水率等因素进行研究，将污染场地地层概化为4层，如表4所示。在0.5、1、1.5、2 m处设置4个观察点。

表4 研究区地层概化结果

3.1 不同脉冲时间对溶质运移的影响

根据数学物理模型和相关初始边界数值，可以模拟土壤在50、70、100 d脉冲时间下重金属离子的运移过程。

从图2可以观测到，污染源脉冲时间的变化对砂壤土、壤土影响最为明显。比较0.5 m处砂壤土中污染物砷的浓度变化曲线[图2(a)]，脉冲时间50、70、100 d时，均在第2天到达0.5 m处，在前62 d溶质浓度扩散行为相同，之后按照不同的脉冲时间继续扩散或下降；砂壤土中溶质经过峰值后通过土壤吸附等作用有下降的趋势，脉冲时间越短，下降越早；脉冲时间100 d时，砂壤土中溶质趋于饱和。比较1 m处壤土中污染物砷的浓度变化曲线[图2(b)]，经过12 d到达1 m处，在78 d之前溶质扩散相同，随着脉冲时间的增加，土壤溶质扩散范围更大，土壤的溶质浓度更高，脉冲时间70 d中污染物的浓度比脉冲时间50 d高0.056 mg/cm3。比较1.5 m处淤泥质壤土中污染物砷的浓度变化曲线[图2(c)]，脉冲时间50 d时1.5 m深处淤泥质壤土溶质浓度略低为0.133 1 mg/cm3，脉冲时间70 d与100 d时，淤泥质壤土中污染物浓度均为0.133 5 mg/cm3。比较2 m处黏壤土中污染物砷的浓度变化曲线[图2(d)]，2 m深处黏壤土中污染物浓度相同，均为0.01 mg/cm3。因此脉冲时间越长，对深层土壤的影响越大，并推测随着时间的增加及溶质的不断运移，中层土壤、深层土壤也将受到影响。

图2 不同脉冲时间下0.5、1、1.5、2 m处黏壤土中污染物砷的浓度变化曲线(线性吸附、污染区域为固定水头边界、考虑土壤蒸发)

3.2 不同土壤饱和含水率对溶质运移的影响

考察不同的土壤饱和含水率条件下污染物的运移过程。主要模拟结果如图3～图5所示。

线性吸附、污染区域为固定水头边界、考虑土壤蒸发

从图3中可以看出，土壤中的溶质到达各层土壤更慢，土壤深度越深，差距越明显。在0.5 m的砂壤土中，具有较高饱和土壤含水率的土壤中溶质浓度在第84天达到峰值，浓度为3.5 mg/cm3，具有较低饱和土壤含水率的土壤中溶质浓度在第90天达到峰值，浓度为3 mg/cm3，较高土壤饱和含水率的土壤溶质浓度更高且更快达到峰值。在1 m的壤土中，具有较高饱和土壤含水率的土壤中溶质第4天到达1 m，溶质在第100天浓度为1.33 mg/cm3，具有较低饱和土壤含水率的土壤中溶质第8天到达1 m，溶质在第100天浓度为0.75 mg/cm3。在1.5 m的淤泥质壤土中，具有较高饱和土壤含水率的土壤中溶质第22.5天到达1.5 m，溶质在第100天浓度为0.133 5 mg/cm3，具有较低饱和土壤含水率的土壤中溶质第26.5天到达1.5 m，溶质在第100天浓度为0.024 5 mg/cm3。在2 m的黏壤土中，具有较高饱和土壤含水率的土壤中溶质第36天到达2 m，溶质在第100天浓度为0.01 mg/cm3，具有较低饱和土壤含水率的土壤中溶质第40天到达2 m，溶质在第100天浓度为0.000 3 mg/cm3。比较图3可知，较高的土壤饱和含水率促进污染物在土壤中的垂向运移，提前4～6 d到达更深层土壤，污染物浓度提高2～6倍。

图4为脉冲时间70 d时具有高饱和土壤含水率土壤不同深度的水平向溶质运移二维图。图5为脉冲时间70 d时具有低饱和土壤含水率土壤不同深度的水平向溶质运移二维图。图4中，当土壤具有更高的饱和土壤含水率时，溶质在横向与纵向扩散更加均匀。图5中，当土壤具有较低的饱和土壤含水率时，溶质在纵向扩散更快，溶质运移区域偏狭长。综合考虑图4、图5可知，它们整体向有河流的方向偏移，在高饱和土壤含水率土壤中，溶质扩散更快，污染范围更大。