Hydrus-1D软件模拟污染土壤重金属溶质运移

罗 杰, 刘本华, 徐 晶, 王 琦, 毛伟健, 鲁栩春

(济南大学 水利与环境学院, 山东 济南 250022)

随着我国经济的不断发展, 土壤环境问题日益突出, 其中的土壤重金属污染, 成为了环境污染中的一大问题。 多数污染物进入地下水的的过程都必须通过包气带或者包气带的上方, 因此包气带成为地表污染物进入地下水的媒介。 土壤的各种物理性质的复杂性和多样性决定了包气带对土壤的阻滞作用[1-2]。 国内外不少学者基于Hydrus-1D软件在不同领域进行溶质模拟运移的应用[3-6]。王国帅等[7]基于Hydrus-1D模型动态模拟不同时期的水盐,分析荒漠绿洲水盐运移的特征。徐雪婷等[8]应用Hydrus-1D软件中的溶质运移模块构建平原河网区的水氮模型。张博等[9]运用Hydrus-1D模型模拟溶质在土壤中运移变化过程,构建在地下水的评价方法。孙法圣等[10]基于Hydrus-1D软件研究灌区中的土壤水盐动态运移变化,预测了在泡碱洗盐过程中土壤盐分运动的规律。上述学者的研究偏向于溶质运移的机制和污染方法的评价应用,而更多的是侧重于农业中的水盐运移模型的构建及其运移规律,未涉及在工业建设项目中出现的重金属溶质的研究。

本文以山东省淄博市某化工厂的污染土壤为例,综合分析包气带土壤的水文地质动态变化,建立基于Hydrus-1D软件的重金属溶质在土壤中的运移模型。根据重金属溶质运移动态变化,定量分析其下渗到潜水面的浓度和时间,为研究土壤重金属溶质运移提供参考。

1 研究区概况

研究区位于山东省淄博市东北部, 全区年平均日照时间为2 510.7 h, 年均气温为12.2 ℃, 降水量年际变化较大, 年内分配很不均匀, 呈现出明显的季节性变化, 降水集中在汛期6—9月。 区内主要分布有淄河、 乌河, 均属小清河水系。 该地区地下水埋深为几米到几十米不等, 平均地下水位埋深约为6 m。

研究区土层厚度大,软硬适中,具有较好的土层结构。土壤母质多为黄土性洪积、冲积物。南部低山岭坡上的土壤母质多为石灰岩风化物。研究区属于鲁中山区与华北平原的过渡地带,场区下伏基岩为第四系松散岩类孔隙水含水岩组,第四系堆积物不整合覆于基岩面上,土层性质从上到下划分为:

素填土:以褐黄色粉质黏土为主,局部见少量碎石,平均厚度约1.10 m,较松散、杂乱。

含砾粉质黏土:棕黄色,土质均匀,具微孔,层厚1.40～2.40 m。

粉质黏土:褐黄色至棕黄色,底部褐色,土质均匀,含铁锰质氧化物条纹,层厚3.50～4.30 m。

2 模型的建立和参数的设置

运用Hydrus-1D软件对土壤中的重金属溶质进行数值模拟模型的建立。Hydrus-1D是一款溶质模拟软件,用于模拟一维饱和-非饱和土壤水分、热量和溶质运移等[11]。

2.1 模型的建立

2.1.1 场地资料

该化工厂的建筑物包括2个生产装置、 2个生产车间和2处灌区, 主要的重金属溶质为砷、 镉、 铬、 铜、 铅、 汞、 镍等离子。 储罐使用时间较长, 由于缺乏维护和受到腐蚀的影响, 因此可能存在底部液体泄露, 形成单点位污染物持续下渗扩散到土壤中。 同时把重金属溶质运移的土壤研究的深度设置为6 m。

由地质勘探得到土层资料显示,土层自上而下垂直研究深度划分为3层(见图1):①杂填土,松散、 潮、 无植物根系,土层厚度为1.5 m;②重壤土,棕黄色、潮、无根系,土层厚度为1.5 m;③黏土,暗棕色、土质均匀,土层厚度3.0 m。

图1 包气带溶质运移模型剖面

根据实际模型的要求,储罐中的污染物污染源产生连续不断的点源泄露而进入到土壤,所以设定上边界为稳定的定浓度补给边界。由于下边界连通着地下水,污染物到达含水面后进入地下水而排泄出去,因此下边界设为自由排泄边界。

2.1.2 基本运动方程

Hydrus-1D软件使用修改后Richards方程分析水在包气带的变化,只考虑垂向上的一维流动,忽略水平流动和侧向流动。Richards方程为

(1)

式中:θ为体积含水率;t为时间;h为土壤压力水头;z为土壤深度;K为非饱和渗透系数;S为源汇项。

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

(2)

式中:Kr为相对渗透系数;Ks为饱和渗透系数。

模型中采用经典对流-弥散方程描述一维溶质运移[12],

(3)

式中:c为溶质浓度;D为饱和-非饱和水动力弥散系数;s为吸附在土壤颗粒上的固态溶质浓度;q为体积流动通量密度;φ为源汇项。

2.2 参数的设置

假定研究区土壤中污染物浓度都为0, 由重金属溶质特征和企业的需求等因素, 设定模拟的极端时长为10 a, 观测的时间节点设定为200、 600、 1 000、 2 000、 3 650 d。选出Cr6+、 Hg2+、 Cd2+为本研究的预测因子,由实验室检测结果分析它们下渗的初始质量比分别为100、 20、 50 mg/kg。使用Van-Genuchten方程进行溶质平衡计算,忽略吸附转化和反应。参数由现场渗水试验、实验室土柱实验和土壤经验参数[12-16]取值率定给出,详见表1。

表1 3种土壤水力特性参数

2.3 模型验证

取研究区未污染的上层杂填土土壤,装填土柱,土柱高度为1 m,控制稳定下渗水头为4 cm,选取其中一种污染物Cr6+,污染物以定质量比100 mg/kg下渗进入土壤,时间为200 d,同时每隔20 cm取土样分析Cr6+含量随着深度的变化。通过反复调参和验证,得到土壤中的Cr6+含量的观测值和模拟值如图2所示。从图中可以看出,不同深度Cr6+含量的模拟值和观测值较为一致,说明该模型可以比较准确预测土壤重金属溶质的变化。

图2 研究区土壤Cr6+浓度模拟值与实测值比较

3 预测结果与分析

本文中的研究结果分为2个部分:第1部分为模拟土壤重金属溶质下渗浓度和深度变化,量化不同溶质的下渗距离和时间的关系;第2部分为模拟重金属溶质持续垂直下渗,在不同土层观测点上达到平衡稳定状态所需的时间。

3.1 重金属溶质下渗浓度和深度的变化

不同时间各重金属溶质垂直下渗浓度与深度的变化如图3所示。由图可知,在相同的时间内重金属溶质在水平面以下越深,其浓度也越低。在地下同一水平面深度,重金属溶质垂直下渗的时间越长,其浓度也越高。当重金属溶质持续的以点源垂直下渗的形式进入土壤200 d后,重金属Cr6+、 Hg2+、 Cd2+的最大下渗长度分别约为1.78、 2.23、 2.09 m;下渗1 000 d后, Cr6+、 Hg2+、 Cd2+的最大下渗距离分别为4.55、 5.70、 5.54 m;当下渗2 000 d时,重金属溶质下渗的距离超出了模型预测的范围深度。

(a)Cr6+

(b)Hg2+

(c)Cd2+图3 不同时间各重金属溶质垂直下渗浓度随深度的变化

3.2 重金属溶质平衡模型

当重金属溶质持续下渗到包气带土壤中, 随着时间的变化下渗到一定深度后, 重金属溶质运移穿过包气带到达地下水面, 将以恒定的浓度进入地下水中, 此时的土壤中的溶质的输出、 输入达到平衡状态。 图4所示为Cr6+、 Hg2+、 Cd2+在不同土层深度时浓度随时间的变化。 在土层深度为1 m时,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+到达平衡的时间分别为1 025、 1 430、 1 410 d;在土层深度为3 m时,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+到达平衡的时间分别为2 280、 3 000、 3 019 d;随着土层的加深, 当土层深度为5.5 m时, 重金属离子到达平衡的时间超出了模型模拟预测的范围, 但由曲线斜率趋势可以推测出3种重金属离子到达平衡时的时间分别大于2 300、 3 100、 3 100 d。

(a)Cr6+

(b)Hg2+

(c)Cd2+图4 不同土层深度时各重金属溶质浓度随时间的变化

综上所述,当重金属溶质持续下渗进入包气带到达平衡时,不同溶质所需要的时间不同,Cr6+所需要的时间最短,当土层为杂填土时,Hg2+所需的时间比Cd2+的长。当土层为重壤土时,Cd2+到达平衡所需时间比Hg2+所需的时间长,但两者相差不大,加上模型模拟时产生的误差,在3种土层中二者所需时间相近且都比Cr6+所需要的时间长。

在不同的土层中,同一重金属溶质到达平衡所需时间不同,在黏土层中所需时间最长,其次为重壤土,最后为杂填土。不同土层的性质决定了其不同的密度、渗透系数等参数,从而影响溶质在土层中下渗的速度。

4 结论

1)在获取不同土壤特征参数的基础上,本文中应用Hydrus-1D软件对包气带土壤中重金属污染物溶质运移进行数值模型的建立,较好地预测了重金属溶质的运移动态变化过程,得到了各时间段下渗的最大距离,同时模拟出重金属溶质在不同性质土层深度到平衡所需的时间。

2)由预测的结果可知, 下渗200 d后, Cr6+、 Hg2+、 Cd2+最大的下渗距离分别为1.78、 2.23、 2.09 m; 下渗1 000 d后,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+最大的下渗距离分别为4.55、 5.70、 5.54 m。当土层深度为1 m(杂填土)时,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+浓度到达平衡的时间分别为1 025、 1 430、 1 410 d;当土层深度为3 m时,Cr6+、 Hg2+、 Cd2+浓度到达平衡的时间分别为2 280、 3 000、 3 019 d。

3)采用Hydrus-1D软件对土壤重金属溶质运移进行研究,模拟预测了对环境造成极大危害的污染物垂直下渗泄露情况,得出不同重金属溶质在不同土层下渗的最大距离和时间,可为应急处理该类似事故提供参考,为在短时间内提出高效处理污染物方案提供依据。