HYDRUS-1D软件在土壤环境影响评价中的应用

丁素玲

(中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102)

为加强土壤污染防治、改善土壤环境质量、保障农产品质量和人居环境安全，国家和地方陆续出台了各种与土壤环境保护相关的法律法规，并于2018年9月由生态环境部发布了《环境影响评价技术导则 土壤环境(试行)》(HJ 964—2018)(以下简称《导则》)，该《导则》规定了土壤环境影响评价的内容和方法，同时要求选择适宜的预测方法，预测评价建设项目各实施阶段不同环节与不同环境影响防控措施下的土壤环境影响，但《导则》中未给出具体的土壤环境影响预测方法。本文以某飞灰固化填埋项目为例，在土壤理化性质分析[1]和工程试验的基础上，借助HYDRUS-1D软件建立数值模型，模拟污染物在土壤中的运移过程，为土壤环境影响预测提供一种简便可行的方法。

1 研究区土壤及污染源概况

研究区土壤主要为砖红壤、黏土和强风化玄武岩，团粒结构，含砂量约为20%，总厚度为9.0 m。其中，砖红壤厚度为1.5 m，埋深0 m～1.5 m；黏土层厚度为0.5 m，埋深1.5 m～2.0 m；强风化玄武岩厚度为7.0 m，埋深2.0 m～9.0 m。

研究对象的污染源为飞灰固化物填埋场渗滤液收集池。飞灰是指生活垃圾焚烧烟气净化系统捕集物和烟道及烟囱底部沉积的底灰，其成分比较复杂，变化范围也较大。其中大部分是硅酸盐和含钙、铝、铁、钾等金属的化学物质，另外还含有多种重金属如Hg、Pb、Cd、As、Zn、Sb、 Se等，以及其他有毒有机物如二英等。飞灰填埋场渗滤液主要来源为降雨，其主要成分为pH、CODcr、BOD5、氨氮、总磷、砷、总铬、六价铬、铅、汞、镍、铜、镉等重金属。经对渗滤液中各污染物浓度的分析和比较可知：本次研究对象飞灰固化物填埋场的渗滤液中污染物砷的指标含量最高，因此，将砷作为预测因子，其浓度为0.224 mg/L。污染物对土壤造成污染的途径主要为经地表径流或下渗进入土壤[2-3]。

2 土壤中水分和溶质运移原理

水是污染物运移的载体，若进行土壤中污染物运移的模拟需要先对土壤中水分运移过程进行刻画。

2.1 水流运动方程

一般认为，水在土壤中运移符合活塞流模式。土壤中水流运动的控制方程为一维垂向饱和——非饱和水分运动方程(Richards方程)：

(1)

式中，θ(h)为土壤体积含水量；h为压力水头[L]，饱和带大于零，非饱和带小于零；z、t分别为垂直方向坐标变量[L]、时间变量[T]；k(h)为垂直方向的水力传导度[LT-1]；s为作物根系吸水率[T-1]，不考虑根系吸水时，取s=0。

采用无滞后效应的Van Genuchten-Mualem模型，它嵌入了Scott(1983)、Kool和Parker(1987)经验模型中的假定：吸湿(脱湿)扫描线与主吸湿(脱湿)曲线成比例变化，并运用一个比例程序，将用户定义的水力传导曲线与参考土壤相比较，通过线性比例变换，获得给定土壤剖面上的近似水力传导变量。

方程(1)中相关参数可用公式(2)和公式(3)进行求解：

(2)

(3)

式中，θr为土壤残余含水量；θs为土壤饱和含水量；α为土壤持水参数[L-1]；m、n均为土壤持水指数；ks为土壤饱水渗透系数[LT-1]；l为有效孔隙度；se为贮水率[L-1]。

在解决实际问题时，必须加上描述具体问题的初始和边界条件，组成某种状态下表述土壤水分运动和溶质运移的数学模型。各条件设置如下:

初始条件：h(z,0)=h0

式中，z为地表至下边界距离[L]；qs为污水下渗通量[LT-1]；h(z，t)为土壤压力水头[L]。

2.2 溶质运移方程

溶质运移方程建立在水流模型的基础上，不考虑溶液密度的变化，且本着风险最大的原则，忽略污染物吸附、解析和自然衰减等物理、化学、生物反应，只考虑对流、弥散作用，建立的土壤中一维垂向溶质运移方程如下：

(4)

式中，θ为土壤体积含水率；c为土壤液相中污染物的浓度；D为综合弥散系数；q为体积流动通量密度。

初始条件：假定土壤中污染物的初始浓度为零。

c(z,t)=0t=0,L≤z<0，L为土柱深度。

上边界条件：连续点源污染(污染物以固定浓度c0连续注入)的情景下，上边界为给定浓度的第一类Dirichlet边界。

c(z,t)=c0t>0，z=0

下边界条件：由于模拟选择的下边界为潜水面，污染物呈自由入渗状态，边界内外的浓度相等，故而将其设定为不存在弥散通量的第二类Neumann零梯度边界。

通过求解上述数学模型便可定量刻画污染物在土壤中的不同时刻、不同位置处的污染物浓度。

3 土壤中污染物运移模拟过程

HYDRUS是由美国国家盐土改良中心(US Salinity Laboratory)于1991年研制的用于模拟变饱和多孔介质中水分、能量、溶质运移的数值模型，已得到广泛的认可与应用[4-5]。该软件能够较好地模拟水分与污染物在土壤中的分布和运移规律，也可以与其他地下水、地表水模型相结合，从宏观上分析水资源问题[6]。HYDRUS-1D是HYDRUS模型的一维版本，是一种常用的水和溶质模拟软件。近年来该软件得到广泛的应用，如叶永红等[7]使用该软件预测了兰州西固商业石油储备库泄漏对包气带的影响，郝芳华等[8]将其应用于河套灌区典型区域的土壤氮元素迁移，杨洋等[9]利用HYDRUS-1D模拟了填埋场渗滤液中氨氮在包气带中的迁移转化规律等。

用HYDRUS-1D模拟土壤中污染物运移过程的方法如下：

(1)目标土层剖分及观测点布置

在HYDRUS-1D(Soil Profile-Graphical Editor)模块中对包气带土层进行设定。将整个包气带剖面划分为900层，每层1 cm，总厚度为9.0 m。其中，0 m～1.5 m土层为壤土层，1.5 m～2.0 m为黏土层，2.0 m～9.0 m为强风化玄武岩层。在潜水面处布置1个观测点N1。

(2)参数设置

HYDRUS-1D软件所需参数分为两类：一类是土壤特征参数，如土壤的饱和含水量、残余含水量和土壤水力曲线参数等水分参数；另一类是运移参数，如渗透系数、弥散系数等。

本模型不考虑土壤对污染物的吸附和污染物的转化。各参数除土层饱和渗透系数使用注水试验的实测值外，其余各参数均采用HYDRUS-1D软件自带的相应土层的经验参数值。模型中主要参数见表1。

表1 模型主要参数表

(3)边界条件和初始条件

上边界：上边界为渗滤液收集池的底部，假定池底破损，污染物持续入渗，则上边界为固定浓度边界，浓度C0=0.224 mg/L。

下边界：假设潜水面随时间的变化幅度较小，可忽略不计，则下边界可以设为压力水头为零的第一类Dirichlet边界。

初始条件：本次模拟初始水头设定h0=-100 cm(土壤处于干燥状态)。土壤中砷的初始浓度C0=0 mg/L。

4 模拟实验结果分析

本次模拟对象为渗滤液收集池，假设池底防渗层破损，渗滤液通过破损区域泄漏到土壤中。将污染源概化为稳定的点源污染，污染物砷以固定浓度0.224 mg/L持续入渗。泄漏的时长是25年(9125天，为本项目的服务年限)。预测结果见图1、图2。

由以上模拟结果可知：

在泄漏发生后，飞灰固化物渗滤液向下迁移形成垂向污染晕，在对流和弥散的作用下，污染晕锋面处的浓度随深度加深而逐渐减小。随着渗滤液不断下渗，污染物的累积速度超过土壤的自净速度和容纳能力，土壤中污染深度和污染物浓度均不断增加。

渗滤液泄漏后第5天，污染晕最大下渗深度为5.7 m，土壤水中砷的最大浓度为0.00001 mg/L；泄漏后第50天，污染晕最大下渗深度为9.0 m，此时砷已经穿透包气带土层到达潜水面处，土壤水中砷浓度最大值为0.000233 mg/L；随着污染物的持续入渗，泄漏后第365天，土壤水中砷浓度不断增加，最大值为0.0818 mg/L；泄漏后第9125天，土壤水中砷浓度达到峰值，为0.224 mg/L；此后，渗滤液停止泄漏，土壤水中砷浓度逐渐降低，至第10 220天，土壤水中砷浓度最大值为0.0362 mg/L。

(注：N1控制点位置：潜水面)图1 控制点N1处砷浓度随时间变化图Fig.1 As concentration change with time at control point N1

(注：T1～T6分别代表泄漏开始后第1天、5天、50天、365天、9125天、10 220天)图2 不同时间节点下砷浓度随深度变化图Fig.2 As concentration change with depth at different time nodes

从潜水面处N1控制点的污染物浓度变化预测结果可知：污染物泄漏前，N1处土壤水中污染物砷浓度为0 mg/L；在飞灰固化物渗滤液收集池泄漏后的第12.4天，N1处土壤水中砷浓度为0.00001 mg/L，这说明砷的污染锋面已经到达此处，污染物已穿过整个包气带土壤层到达地下水中；泄漏后的第125天，N1处土壤水中砷的浓度为0.01118 mg/L；泄漏后第3189天，N1处土壤水的砷浓度达到峰值且持续5970天，直至第9159天(污染源消失后的第34天)砷浓度逐渐下降。

5 结论与建议

本文以某飞灰固化物填埋项目为例，假设飞灰固化物渗滤液收集池池底的防渗层破损，渗滤液中的污染物砷以0.224 mg/L的浓度通过破损区域泄漏到土壤中，泄漏时长是9125天，包气带厚度是9.0 m，土壤水中砷的初始浓度为0 mg/L，用HYDRUS-1D软件建立数学模型，模拟砷在土壤水中的运移规律。通过模拟结果可知：在仅考虑土壤水的对流和弥散的作用下，泄漏事故发生后，砷向下迁移形成垂向污染晕。随时间增加，污染晕下渗深度逐渐增加，土壤水中砷的浓度逐渐增加。泄漏发生后第12.4天，潜水面处土壤水中砷浓度由0 mg/L增加至0.00001 mg/L，砷穿透整个包气带土层到达地下水中；泄漏后第9125天，土壤水中砷浓度达到峰值，为0.224 mg/L；此后，渗滤液停止泄漏，土壤水中砷浓度逐渐降低，至第10 220天，土壤水中砷浓度最大值为0.0362 mg/L。

通过模拟预测结果可知：土壤对污染物虽然具有一定的吸附阻截能力，但不能无限制地对污染物进行阻截，在污染源持续泄漏的情况下，污染物会穿透土壤层进入地下水中，进而污染地下水。因此，地下水污染防治工作中还要重视土壤污染的防治。

该模型只考虑土壤中的对流、弥散作用对污染物扩散的影响，未考虑土壤吸附、生物降解和化学反应等作用对污染物转化的影响，模拟预测的浓度值比实际值偏高，后续研究时应尽量把上述各影响因素考虑在内。另外，HYDRUS-1D软件是针对污染物在土壤水中运移规律的预测，预测结果表示污染物在土壤水中的浓度(单位是mg/L)，而非土壤自身的质量浓度。但是《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中给出的管控标准值均为土壤的质量浓度。因此，如果要对照上述标准对土壤质量进行评价，还需根据土壤容重和含水量等土壤理化性质参数把预测结果换算成质量浓度。