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

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）

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。

1 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。 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1.81～2.66 m，平均厚度为2.12 m，包气带岩性为人工冲填土，垂向平均渗透系数为0.15 m／ d，研究场地的包气带防污性能属弱等级。

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。 同时根据该企业废水进水水质中重金属镍的最大浓度为25 mg ／ 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。

2 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溶质垂向运移模型。 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）。

2.1 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。

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。 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（Free Drainage）作为下边界条件。

Hydrus-1D 水流模块中的Soil Catalog 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。 因此本次模拟基于土工试验成果使用Neural network prediction 来计算土壤水分特征曲线参数。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，15 cm／ d。

表1 土工试验成果表

表2 水流模型的参数

2.2 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、一级及其他反应。

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。

本次模拟假设池体发生泄漏后，企业在30 d 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2.0 L／ m2·d，本次渗漏量按照验收标准的10 倍计算，即20 L／ m2·d，因此上边界是变化的浓度通量边界，前30 d 的通量为2 cm／ d（20 L／ m2·d）；30 d 后的通量为0。 池体中镍的浓度0.025 mg ／ cm3（25 mg ／ L） 。

ρ根据土工试验的成果取1 500 mg ／ cm3；DL取包气带厚度的十分之一，为21.2 cm。

2.3 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5、40、80、120、160、212 cm，以表明溶质在垂向上的分布规律。

本次模拟时间为100 d，输出5 个时间节点（1、5、10、20、100 d）的数据，以表明包气带剖面上溶质随时间的运动变化规律。

3 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1。

图1 不同深度处土壤中镍浓度随时间变化曲线

由图1 可知，0 ～30 d 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；30 d 时镍停止泄漏，不同深度观测点位土壤水中镍的浓度约在30 d 时也开始趋于稳定。其中－160 cm 和－212 cm 处30 d 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。 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，造成土壤环境的污染。

（2）不同时间包气带剖面上土壤水中镍浓度随深度变化曲线如图2。

图2 剖面上不同时间土壤中镍浓度随深度变化曲线

由图2 可知，不同时刻，包气带剖面由顶到底，土壤中镍的浓度逐渐降低，100 d 时，顶部浓度为0.0241 mg／ cm3（图中E 点），底部浓度为0.0149 mg／ cm3（图中e 点）。 同时结合图1 和表3 可以看出，随着时间的迁移，包气带剖面上的浓度梯度逐渐减小，污染物迁移的速率逐渐也减小，这是因为包气带存在优势通道，前期污染物泄漏后在重力势的作用下顺着优势通道迁移，迁移速率较大，后期随着污染物的持续泄漏，污染物逐渐填充空隙，迁移速率变小。

表3 浓度梯度和迁移速率计算表

另外由表3 可知，随着模拟时间的增加，镍逐渐向下迁移，第1 d 镍迁移的最大距离为53 cm （a点），第5 d 镍迁移的最大距离为137 cm（b点），第10 d 镍便迁移到包气带底部（c点）。 说明对于渗透性能较好、厚度较小的包气带截污能力有限，在只有对流-弥散的作用下，污染物物一旦发生泄漏，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，因此企业在生产活动中应对各个构筑物进行严格的防渗措施。

4 结论

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。 即使污染源泄漏后被及时发现并切断，但污染物一旦进入土壤，只有对流-弥散的作用下，会长久的存在于包气带内，造成土壤环境的污染。

在只有对流-弥散的作用下，随着污染物的泄漏，污染物逐渐向下迁移并到达包气带底部。 对于渗透性能较好、厚度较小的包气带截污能力有限，污染物一旦发生泄漏，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。

企业在生产活动中应对各个污水处理站各构筑物进行严格的防渗措施，建立土壤和地下水污染防控体系，及时发现并截断污染源，避免对场地内土壤和地下水造成污染。