基于Hydrus-1D的滨海围填造陆区包气带中污染物运移的数值模拟

基于Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ的滨海围填造陆区包气带中

污染物运移的数值模拟

作者简介：葛菲媛（１９９３－），女，山西忻州人，硕士，助理工程师，主要从事水文地质和环境地质工作㊂

葛菲媛，刘景兰，李立伟

（天津市地质研究和海洋地质中心，天津３００１７０）

摘㊀要：本文利用Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ以某典型围填造陆区入驻企业污染源泄漏为例，模拟污染物进入包气带后的运移过程，结果表明：随着污染源的渗漏和切断，包气带中污染物的浓度逐渐升高并趋于稳定，在只有对流⁃弥散的作用下，污染物会长久地存在于包气带内；随着污染源的泄漏，污染物逐渐下移，在较短时间内便会穿透包气带进入地下水含水层，从而对场地内潜水产生污染㊂关键词：Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ；包气带；污染物的迁移中图分类号：Ｓ１５２

文献标识码：Ａ

文章编号：２０９６－２３３９（２０２０）０４－０１３０－０３

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎａｅｒａｔｉｏｎｚｏｎｅｏｆ

ｃｏａｓｔａｌｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎｌａｎｄａｒｅａｂａｓｅｄｏｎＨｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ

ＧＥＦｅｉ⁃ｙｕａｎ，ＬＩＵＪｉｎｇ⁃ｌａｎ，ＬＩＬｉ⁃ｗｅｉ

（ＴｉａｎｊｉｎｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｍａｒｉｎｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌＣｅｎｔｅｒ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｈｙｄｒｏｕｓ⁃１Ｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｚｏｎｅｂｙｔａｋｉｎｇｌｅａｋａｇｅｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓｏｆｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓｓｅｔｔｌｅｄｉｎａｔｙｐｉｃａｌｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎａｒｅａａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｌｅａｋａｇｅａｎｄｃｕｔ⁃ｏｆｆｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｚｏｎｅｇｒａｄｕａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｅｎｄｅｄｔｏｂｅｓｔａｂｌｅ．Ｏｎｌｙｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｅｘｉｓｔｅｄｌｏｎｇｔｅｒｍｌｙｉｎｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｚｏｎｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｌｅａｋａｇｅｏｆｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓｏｕｒｃｅｓ，ｔｈｅｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｇｒａｄｕａｌｌｙｍｏｖｅｄｄｏｗｎａｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｅｄｔｈｅａｅｒａｔｉｏｎｚｏｎｅａｎｄｅｎｔｅｒｅｄｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒａｑｕｉｆｅｒｉｎａｓｈｏｒｔｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｐｏｌｌｕｔｅｔｈｅｐｈｒｅａｔｉｃｗａｔｅｒｉｎｔｈｅｓｉｔｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ；ａｅｒａｔｉｏｎｚｏｎｅ；ｐｏｌｌｕｔａｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔ㊀㊀本文在某典型围填造陆区入驻企业污染源调查的基础上，结合野外实际勘查结果，利用Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ对特征污染物泄漏进入包气带后的运动过程进行模拟，识别特征污染物的运移规律，为围填造陆区的包气带和地下水保护提供科学依据㊂

１㊀研究场地概况

研究区属于海河平原，地貌类型为海积低平原亚区，属温暖带半湿润大陆性季风气候㊂根据本次现场勘查及水文地质试验，研究场地内包气带厚度１．８１ ２．６６ｍ，平均厚度为２．１２ｍ，包气带岩性为人工冲填土，垂向平均渗透系数为０．１５ｍ／ｄ，研究场地

的包气带防污性能属弱等级㊂

通过野外实际调查可知，该场地入驻企业的污水处理站为钢筋混凝土结构，各池体均为地上式，池底发生泄漏不易发现，泄漏的废水在重力作用下会对土壤和地下水造成污染，因此本次模拟的污染源为污水处理站的废水㊂同时根据该企业废水进水水质中重金属镍的最大浓度为２５ｍｇ／Ｌ，且镍在自然界中一旦反应为羟基镍能产生很强的毒性，因此本次预测因子选择镍㊂

２㊀模型建立

本次预测选择污染物以点源形式垂直进入包气带的情形，利用Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ的水流及溶质运移两大模块进行预测，预测模型为一维非连续点源非饱和

０３１ 第３５卷第４期２０２０年８月

资源信息与工程

Ｖｏｌ．３５ɴ４Ａｕｇｕｓｔ２０２０

溶质垂向运移模型㊂模型设定时间单位为ｄ，质量单位为ｍｇ，长度单位为ｃｍ（后文数学模型中各参数单位的设定均与此一致）㊂

２．１㊀水流模型的选择及参数设定

水流模型选择发展已相对成熟，本次模拟选择目前应用最为广泛的ＶＧ模型来进行模拟计算，不考虑水流运动的滞后现象㊂

本次模拟污水处理站池体防渗层出现破损发生跑冒滴漏，污染物进入包气带的情形，故水流上边界条件选择大气边界⁃可积水㊂本次模拟不考虑地下水水位变化对水流及溶质运移的影响，故选择自由排水边界（ＦｒｅｅＤｒａｉｎａｇｅ）作为下边界条件㊂

Ｈｙｄｒｕｓ⁃１Ｄ水流模块中的ＳｏｉｌＣａｔａｌｏｇ项包含１２种典型土壤介质及其土壤水分特征曲线相关参数，而该场地包气带主要岩性为人工冲填土，不包含其内㊂因此本次模拟基于土工试验成果使用Ｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ来计算土壤水分特征曲线参数㊂土工试验成果成果见表１，计算出的土壤水分特征曲线参数见表２，其中Ｋｓ采用场地渗水试验实测值，１５ｃｍ／ｄ㊂

表１㊀土工试验成果表

取土深度／ｍ砾砂粒粉粒粘粒含水率ω干密度ρｄ／（ｇ㊃ｃｍ－３）１．５ ２．７％８３．３％１４．０％２３．６％１．５０

表２㊀水流模型的参数

介质类型θｒ／（ｃｍ３㊃ｃｍ－３）θｓ／（ｃｍ３㊃ｃｍ－３）α／（ｃｍ－１）ｎｌＫｓ／（ｃｍ㊃ｄ－１）人工填土０．０６５６０．４２７０．００６３１．６１８６０．５１５

２．２㊀溶质运移模型的选择及参数设定

本次模拟使用经典对流⁃弥散方程，不考虑吸附和各种零级㊁一级及其他反应㊂

根据污水处理池泄漏的实际情况，溶质运移上边界选择浓度通量边界，下边界选择零浓度梯度边界㊂本次模拟假设池体发生泄漏后，企业在３０ｄ可以发生泄漏并切断污染源，池体的泄漏量参考‘给水排水构筑物工程施工及验收规范“（ＧＢ５０１４１ ２００８）中关于满水试验验收的要求，钢筋混凝土池体满水试验验收标准为２．０Ｌ／ｍ２㊃ｄ，本次渗漏量按照验收标准的１０倍计算，即２０Ｌ／ｍ２㊃ｄ，因此上边界是变化的浓度通量边界，前３０ｄ的通量为２ｃｍ／ｄ（２０Ｌ／ｍ２㊃ｄ）；３０ｄ后的通量为０㊂池体中镍的浓度０．０２５ｍｇ／ｃｍ３（２５ｍｇ／Ｌ）㊂

ρ根据土工试验的成果取１５００ｍｇ／ｃｍ３；ＤＬ取包气带厚度的十分之一，为２１．２ｃｍ㊂２．３㊀包气带剖分和模拟时间

根据场地水文地质调查结果，本次模拟土壤类型为一种，包气带自上而下均匀布设６个观测点，埋深分别为５㊁４０㊁８０㊁１２０㊁１６０㊁２１２ｃｍ，以表明溶质在垂向上的分布规律㊂

本次模拟时间为１００ｄ，输出５个时间节点（１㊁５㊁１０㊁２０㊁１００ｄ）的数据，以表明包气带剖面上溶质随时间的运动变化规律㊂３㊀模拟结果及分析

（１）不同深度处镍浓度随时间变化曲线如图１㊂

图１㊀不同深度处土壤中镍浓度随时间变化曲线

由图１可知，０ ３０ｄ内由于污染物的渗漏，随着时间的增加不同深度观测点位土壤水中镍的浓度逐渐升高；３０ｄ时镍停止泄漏，不同深度观测点位土壤水中镍的浓度约在３０ｄ时也开始趋于稳定㊂其中－１６０ｃｍ和－２１２ｃｍ处３０ｄ后仍有缓慢的上升趋势，这可能是由于少量毛细水在重力作用下仍有向下迁移的趋势㊂同时可以看出不同深度观测点的浓度最终保持稳定不变，说明即使污染源泄漏后被及时发现及时切断，但污染物一旦进入土壤，在只有对流⁃弥散的作用下，会长久的存在于包气带内，造

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第３５卷资源信息与工程第４期