Hydrus-1D在金属矿山排土场环境影响评价中的应用研究

2020-10-10 12:17
世界有色金属 2020年13期
关键词:非饱和排土场运移

(北京国环晟邦环保科技有限公司,北京 100085)

Hydrus-1D模型由美国盐土实验室开发,是一种可用来模拟恒定或非恒定的边界条件下水流和溶质在饱和-非饱和多孔隙介质中运移的数值模型。该模型能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的分布以及时空变化和运移规律。

2016年和2019年,生态环境部先后发布《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ 610-2016)和《环境影响评价技术导则土壤环境》(试行)(HJ 964-2018),逐渐广泛地将Hydrus-1D软件应用延伸到环境影响评价领域。如利用Hydrus-1D模型模拟污染物在土壤包气带中的迁移转化规律,预测土壤环境的污染状况变化趋势,为污染场地修复治理提供依据[1];或利用Hydrus-1D模型预测污染物经土壤包气带到达地下水面的时间和浓度值,为地下水污染源强定量评价提供数据支持[2];或将Hydrus-1D和Visual modflow软件结合,将土壤包气带中水分溶质运移模拟结果应用到饱和带模型中,得出含水层污染范围与污染物浓度随时间变化趋势,为地下水溶质运移的数值模拟预测和地下水风险评价等提供帮助[3]。

各种环境影响评价应用研究中,包气带污染物多集中于氨氮、CODcr以及有机污染物等,在重金属淋溶和运移方面的评价应用相对较少[4]。本研究基于Hydrus-1D软件,以某多金属矿山临时排土场淋溶水中的重金属Ni为研究对象,模拟其自地表下渗进入地下后在整个包气带中发生的迁移转化过程,预测土壤中重金属Ni的变化趋势以及进入潜水含水层的污染物浓度,以进一步探索Hydrus-1D在金属矿山排土场环境影响评价中的应用方法,为土壤和地下水环境中重金属污染防治提供依据。

1 研究区概况

排土场位于青藏高原冈底斯山脉东段某多金属矿山东南方向,用于矿山施工期井下开拓废石在地面区域临时堆存,营运期废石通过其他途径综合利用,属于临时排土场。排土场所在区域地形坡度大,场址主要分布于沟谷及冲沟沟底,地层由滚石、漂石、碎石、砾石、砂砾、亚砂土、粘土等构成,砂砾含量高,暗红-暗褐色,结构稍密~中密,显二元结构,厚约20m~45m。区域地下水主要为第四系松散岩孔隙含水层,其中山麓地带第四系厚度一般3m~5m,河床及冲沟沟口等地带可达20m左右,含水层富水性中等。

排土场所在区域气候干旱,降水少且变率大,夏季雨水集中。雨季降雨强度较大、且在一定时间内持续降雨的情况下,可能有部分淋溶水持续下渗,对包气带土壤及第四系松散岩类地下水环境产生影响。

2 基于Hydrus-1D的垂向污染预测研究

2.1 建立模型

2.1.1 非饱和带水分运移模型

非饱和带水分运移采用Richards方程的修改形式表示。由于污染物在弥散过程中垂向迁移距离往往大于侧向迁移距离[3],因此忽略土壤水平和侧向水流运动。土壤水分运移的数学模型如下:

式中:θ—土壤体积含水率,L3/L3;t—水分运移时间,T;h—非饱和带压力水头,L;K—土壤水的非饱和水力传导率,L/T;θs—饱和含水率;θ0—初始含水率;V—渗透通量,L/T;H—非饱和带深度,L。

由于Hydrus-1D只考虑污染物在非饱和带的一维垂向运移,因此模型的边界只有上、下边界。本次研究上边界为排土场底断面,以降雨入渗产生的废石淋溶水作为连续面源,选择水流模型上边界为定通量边界(淋溶水入渗量根据区域长期统计年最大降雨量和入渗系数确定);下边界为潜水自由水面,概化为定含水率边界。边界初始条件根据土壤含水率确定。

2.1.2 溶质运移模型

Hydrus-1D软件中使用经典对流-弥散方程描述一维溶质运移。溶质运移的数学模型如下:

式中:θ—土壤体积含水率,L3/L3;t—水分运移时间,T;Z—空间坐标,向上为正;Dw—水动力弥散系数,L2/T;V—入渗通量,L/T;H—非饱和带深度,L;Kd—分配系数,L3/M;M—源汇项。

在溶质运移过程中,只考虑线性平衡等温吸附作用,忽略污染物在气相中的扩散。选定溶质运移模型上边界为持续释放污染物的定浓度通量边界(0.1mg/L),下边界为零浓度梯度边界。不考虑土壤中重金属Ni的背景值(模型中设定初始浓度为0)。

2.2 模型参数确定

根据不同深度土壤类型及土壤粒径分级数据等,利用Hydrus-1D软件的神经网络预测功能,获得包气带各地层的水分特征参数。

溶质迁移参数可通过淋滤试验、参考文献[5]及经验参数等方法确定,本次研究DL取10m,Dw取324cm2/d,Kd取2000L/kg。

2.3 网格剖分、观测点设置

本次研究将矿山排土场区域包气带土层概化为两层,砂土层为0m~15m,砂质黏土层为15m~20m。在一维垂向上进行网格剖分,将包气带土层剖分成201个节点,同时设置4个不同深度的观测点(N1~N4,分别代表地表以下5m、10m、15m和20m)。模型模拟时间为20a(T0~T6,分别代表第0a、1a、、2a、5a、10a、15a、20a)。

2.4 预测结果与分析

图1为包气带土层不同深度Ni浓度-时间变化曲线。污染物Ni在雨水淋溶作用下在垂直方向开始下渗,各观测点处Ni浓度逐渐增大;持续入渗2a后,由于排土场废石通过各种途径综合利用,不再产生废石淋溶水进入包气带(雨水持续下渗),各观测点处Ni浓度在持续一段时间增大达到峰值后开始逐渐减小。根据预测结果,地表以下5m处(N1)在895d时达到最大浓度0.019mg/L,在7300d时浓度降至0.003mg/L;地表以下20m处(N4)在38d时出现Ni,即污染物首次穿透包气带到达潜水面,并在3334d时达到最大浓度0.009mg/L,在7300d时浓度降至0.0053mg/L。

图2为不同时间点重金属Ni在包气带剖面上的深度-浓度分布曲线。废石淋溶水入渗期内(T1、T2),Ni浓度在包气带剖面上呈自上而下逐渐递减的分布趋势(主要累积在地表以下10m左右的地层中),且随着时间推移Ni浓度逐渐积累增大;废石淋溶水停排后包气带中Ni开始向下迁移,预测中前期(T3、T4),Ni浓度在包气带剖面上呈自上而下先增大、后递减的波浪式分布趋势,浓度最大值出现的位置向剖面下部移动;预测中后期(T5、T6),Ni浓度在包气带剖面上呈自上而下逐渐递增的分布趋势,且随着时间推移包气带剖面上Ni浓度整体趋于稳定。

图1 Ni浓度随时间变化曲线

图2 剖面上Ni浓度分布曲线

3 结论

(1)Ni在包气带持续垂直入渗,其影响深度可穿透整个包气带土层。包气带延长了污染物进入含水层的时间,对污染物有一定阻滞和拦截作用,因此地下水环境影响也存在一定滞后。

(2)随着时间的推移,包气带剖面上各点处Ni浓度不断累积增大,且呈自上而下浓度逐渐递减的分布趋势;包气带剖面上各点处Ni浓度达到峰值后开始释放降低,峰值出现的位置由包气带浅层逐渐下降至深层,并呈自上而下浓度逐渐递增的分布趋势;最终包气带剖面上各点处Ni浓度持续不断降低,整体趋近于0。

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