Hydrus-1D在金屬礦山排土場環境影響評價中的應用研究

（北京國環晟邦環?？萍加邢薰?，北京 100085）

Hydrus-1D模型由美國鹽土實驗室開發，是一種可用來模擬恒定或非恒定的邊界條件下水流和溶質在飽和-非飽和多孔隙介質中運移的數值模型。該模型能夠較好地模擬水分、溶質與能量在土壤中的分布以及時空變化和運移規律。

2016年和2019年，生態環境部先后發布《環境影響評價技術導則地下水環境》（HJ 610-2016）和《環境影響評價技術導則土壤環境》（試行）（HJ 964-2018），逐漸廣泛地將Hydrus-1D軟件應用延伸到環境影響評價領域。如利用Hydrus-1D模型模擬污染物在土壤包氣帶中的遷移轉化規律，預測土壤環境的污染狀況變化趨勢，為污染場地修復治理提供依據[1]；或利用Hydrus-1D模型預測污染物經土壤包氣帶到達地下水面的時間和濃度值，為地下水污染源強定量評價提供數據支持[2]；或將Hydrus-1D和Visual modflow軟件結合，將土壤包氣帶中水分溶質運移模擬結果應用到飽和帶模型中，得出含水層污染范圍與污染物濃度隨時間變化趨勢，為地下水溶質運移的數值模擬預測和地下水風險評價等提供幫助[3]。

各種環境影響評價應用研究中，包氣帶污染物多集中于氨氮、CODcr以及有機污染物等，在重金屬淋溶和運移方面的評價應用相對較少[4]。本研究基于Hydrus-1D軟件，以某多金屬礦山臨時排土場淋溶水中的重金屬Ni為研究對象，模擬其自地表下滲進入地下后在整個包氣帶中發生的遷移轉化過程，預測土壤中重金屬Ni的變化趨勢以及進入潛水含水層的污染物濃度，以進一步探索Hydrus-1D在金屬礦山排土場環境影響評價中的應用方法，為土壤和地下水環境中重金屬污染防治提供依據。

1 研究區概況

排土場位于青藏高原岡底斯山脈東段某多金屬礦山東南方向，用于礦山施工期井下開拓廢石在地面區域臨時堆存，營運期廢石通過其他途徑綜合利用，屬于臨時排土場。排土場所在區域地形坡度大，場址主要分布于溝谷及沖溝溝底，地層由滾石、漂石、碎石、礫石、砂礫、亞砂土、粘土等構成，砂礫含量高，暗紅-暗褐色，結構稍密～中密，顯二元結構，厚約20m～45m。區域地下水主要為第四系松散巖孔隙含水層，其中山麓地帶第四系厚度一般3m～5m，河床及沖溝溝口等地帶可達20m左右，含水層富水性中等。

排土場所在區域氣候干旱，降水少且變率大，夏季雨水集中。雨季降雨強度較大、且在一定時間內持續降雨的情況下，可能有部分淋溶水持續下滲，對包氣帶土壤及第四系松散巖類地下水環境產生影響。

2 基于Hydrus-1D的垂向污染預測研究

2.1 建立模型

2.1.1 非飽和帶水分運移模型

非飽和帶水分運移采用Richards方程的修改形式表示。由于污染物在彌散過程中垂向遷移距離往往大于側向遷移距離[3]，因此忽略土壤水平和側向水流運動。土壤水分運移的數學模型如下：

式中：θ—土壤體積含水率，L3/L3；t—水分運移時間，T；h—非飽和帶壓力水頭，L；K—土壤水的非飽和水力傳導率，L/T；θs—飽和含水率；θ0—初始含水率；V—滲透通量，L/T；H—非飽和帶深度，L。

由于Hydrus-1D只考慮污染物在非飽和帶的一維垂向運移，因此模型的邊界只有上、下邊界。本次研究上邊界為排土場底斷面，以降雨入滲產生的廢石淋溶水作為連續面源，選擇水流模型上邊界為定通量邊界（淋溶水入滲量根據區域長期統計年最大降雨量和入滲系數確定）；下邊界為潛水自由水面，概化為定含水率邊界。邊界初始條件根據土壤含水率確定。

2.1.2 溶質運移模型

Hydrus-1D軟件中使用經典對流-彌散方程描述一維溶質運移。溶質運移的數學模型如下：

式中：θ—土壤體積含水率，L3/L3；t—水分運移時間，T；Z—空間坐標，向上為正；Dw—水動力彌散系數，L2/T；V—入滲通量，L/T；H—非飽和帶深度，L；Kd—分配系數，L3/M；M—源匯項。

在溶質運移過程中，只考慮線性平衡等溫吸附作用，忽略污染物在氣相中的擴散。選定溶質運移模型上邊界為持續釋放污染物的定濃度通量邊界（0.1mg/L），下邊界為零濃度梯度邊界。不考慮土壤中重金屬Ni的背景值（模型中設定初始濃度為0）。

2.2 模型參數確定

根據不同深度土壤類型及土壤粒徑分級數據等，利用Hydrus-1D軟件的神經網絡預測功能，獲得包氣帶各地層的水分特征參數。

溶質遷移參數可通過淋濾試驗、參考文獻[5]及經驗參數等方法確定，本次研究DL取10m，Dw取324cm2/d，Kd取2000L/kg。

2.3 網格剖分、觀測點設置

本次研究將礦山排土場區域包氣帶土層概化為兩層，砂土層為0m～15m，砂質黏土層為15m～20m。在一維垂向上進行網格剖分，將包氣帶土層剖分成201個節點，同時設置4個不同深度的觀測點（N1～N4，分別代表地表以下5m、10m、15m和20m）。模型模擬時間為20a（T0～T6，分別代表第0a、1a、、2a、5a、10a、15a、20a）。

2.4 預測結果與分析

圖1為包氣帶土層不同深度Ni濃度-時間變化曲線。污染物Ni在雨水淋溶作用下在垂直方向開始下滲，各觀測點處Ni濃度逐漸增大；持續入滲2a后，由于排土場廢石通過各種途徑綜合利用，不再產生廢石淋溶水進入包氣帶（雨水持續下滲），各觀測點處Ni濃度在持續一段時間增大達到峰值后開始逐漸減小。根據預測結果，地表以下5m處（N1）在895d時達到最大濃度0.019mg/L，在7300d時濃度降至0.003mg/L；地表以下20m處（N4）在38d時出現Ni，即污染物首次穿透包氣帶到達潛水面，并在3334d時達到最大濃度0.009mg/L，在7300d時濃度降至0.0053mg/L。

圖2為不同時間點重金屬Ni在包氣帶剖面上的深度-濃度分布曲線。廢石淋溶水入滲期內（T1、T2），Ni濃度在包氣帶剖面上呈自上而下逐漸遞減的分布趨勢（主要累積在地表以下10m左右的地層中），且隨著時間推移Ni濃度逐漸積累增大；廢石淋溶水停排后包氣帶中Ni開始向下遷移，預測中前期（T3、T4），Ni濃度在包氣帶剖面上呈自上而下先增大、后遞減的波浪式分布趨勢，濃度最大值出現的位置向剖面下部移動；預測中后期（T5、T6），Ni濃度在包氣帶剖面上呈自上而下逐漸遞增的分布趨勢，且隨著時間推移包氣帶剖面上Ni濃度整體趨于穩定。

圖1 Ni濃度隨時間變化曲線

圖2 剖面上Ni濃度分布曲線

3 結論

（1）Ni在包氣帶持續垂直入滲，其影響深度可穿透整個包氣帶土層。包氣帶延長了污染物進入含水層的時間，對污染物有一定阻滯和攔截作用，因此地下水環境影響也存在一定滯后。

（2）隨著時間的推移，包氣帶剖面上各點處Ni濃度不斷累積增大，且呈自上而下濃度逐漸遞減的分布趨勢；包氣帶剖面上各點處Ni濃度達到峰值后開始釋放降低，峰值出現的位置由包氣帶淺層逐漸下降至深層，并呈自上而下濃度逐漸遞增的分布趨勢；最終包氣帶剖面上各點處Ni濃度持續不斷降低，整體趨近于0。