HYDRUS-1D軟件在土壤環境影響評價中的應用

丁素玲

(中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102)

為加強土壤污染防治、改善土壤環境質量、保障農產品質量和人居環境安全，國家和地方陸續出臺了各種與土壤環境保護相關的法律法規，并于2018年9月由生態環境部發布了《環境影響評價技術導則 土壤環境(試行)》(HJ 964—2018)(以下簡稱《導則》)，該《導則》規定了土壤環境影響評價的內容和方法，同時要求選擇適宜的預測方法，預測評價建設項目各實施階段不同環節與不同環境影響防控措施下的土壤環境影響，但《導則》中未給出具體的土壤環境影響預測方法。本文以某飛灰固化填埋項目為例，在土壤理化性質分析[1]和工程試驗的基礎上，借助HYDRUS-1D軟件建立數值模型，模擬污染物在土壤中的運移過程，為土壤環境影響預測提供一種簡便可行的方法。

1 研究區土壤及污染源概況

研究區土壤主要為磚紅壤、黏土和強風化玄武巖，團粒結構，含砂量約為20%，總厚度為9.0 m。其中，磚紅壤厚度為1.5 m，埋深0 m～1.5 m；黏土層厚度為0.5 m，埋深1.5 m～2.0 m；強風化玄武巖厚度為7.0 m，埋深2.0 m～9.0 m。

研究對象的污染源為飛灰固化物填埋場滲濾液收集池。飛灰是指生活垃圾焚燒煙氣凈化系統捕集物和煙道及煙囪底部沉積的底灰，其成分比較復雜，變化范圍也較大。其中大部分是硅酸鹽和含鈣、鋁、鐵、鉀等金屬的化學物質，另外還含有多種重金屬如Hg、Pb、Cd、As、Zn、Sb、 Se等，以及其他有毒有機物如二英等。飛灰填埋場滲濾液主要來源為降雨，其主要成分為pH、CODcr、BOD5、氨氮、總磷、砷、總鉻、六價鉻、鉛、汞、鎳、銅、鎘等重金屬。經對滲濾液中各污染物濃度的分析和比較可知：本次研究對象飛灰固化物填埋場的滲濾液中污染物砷的指標含量最高，因此，將砷作為預測因子，其濃度為0.224 mg/L。污染物對土壤造成污染的途徑主要為經地表徑流或下滲進入土壤[2-3]。

2 土壤中水分和溶質運移原理

水是污染物運移的載體，若進行土壤中污染物運移的模擬需要先對土壤中水分運移過程進行刻畫。

2.1 水流運動方程

一般認為，水在土壤中運移符合活塞流模式。土壤中水流運動的控制方程為一維垂向飽和——非飽和水分運動方程(Richards方程)：

(1)

式中，θ(h)為土壤體積含水量；h為壓力水頭[L]，飽和帶大于零，非飽和帶小于零；z、t分別為垂直方向坐標變量[L]、時間變量[T]；k(h)為垂直方向的水力傳導度[LT-1]；s為作物根系吸水率[T-1]，不考慮根系吸水時，取s=0。

采用無滯后效應的Van Genuchten-Mualem模型，它嵌入了Scott(1983)、Kool和Parker(1987)經驗模型中的假定：吸濕(脫濕)掃描線與主吸濕(脫濕)曲線成比例變化，并運用一個比例程序，將用戶定義的水力傳導曲線與參考土壤相比較，通過線性比例變換，獲得給定土壤剖面上的近似水力傳導變量。

方程(1)中相關參數可用公式(2)和公式(3)進行求解：

(2)

(3)

式中，θr為土壤殘余含水量；θs為土壤飽和含水量；α為土壤持水參數[L-1]；m、n均為土壤持水指數；ks為土壤飽水滲透系數[LT-1]；l為有效孔隙度；se為貯水率[L-1]。

在解決實際問題時，必須加上描述具體問題的初始和邊界條件，組成某種狀態下表述土壤水分運動和溶質運移的數學模型。各條件設置如下:

初始條件：h(z,0)=h0

式中，z為地表至下邊界距離[L]；qs為污水下滲通量[LT-1]；h(z，t)為土壤壓力水頭[L]。

2.2 溶質運移方程

溶質運移方程建立在水流模型的基礎上，不考慮溶液密度的變化，且本著風險最大的原則，忽略污染物吸附、解析和自然衰減等物理、化學、生物反應，只考慮對流、彌散作用，建立的土壤中一維垂向溶質運移方程如下：

(4)

式中，θ為土壤體積含水率；c為土壤液相中污染物的濃度；D為綜合彌散系數；q為體積流動通量密度。

初始條件：假定土壤中污染物的初始濃度為零。

c(z,t)=0t=0,L≤z<0，L為土柱深度。

上邊界條件：連續點源污染(污染物以固定濃度c0連續注入)的情景下，上邊界為給定濃度的第一類Dirichlet邊界。

c(z,t)=c0t>0，z=0

下邊界條件：由于模擬選擇的下邊界為潛水面，污染物呈自由入滲狀態，邊界內外的濃度相等，故而將其設定為不存在彌散通量的第二類Neumann零梯度邊界。

通過求解上述數學模型便可定量刻畫污染物在土壤中的不同時刻、不同位置處的污染物濃度。

3 土壤中污染物運移模擬過程

HYDRUS是由美國國家鹽土改良中心(US Salinity Laboratory)于1991年研制的用于模擬變飽和多孔介質中水分、能量、溶質運移的數值模型，已得到廣泛的認可與應用[4-5]。該軟件能夠較好地模擬水分與污染物在土壤中的分布和運移規律，也可以與其他地下水、地表水模型相結合，從宏觀上分析水資源問題[6]。HYDRUS-1D是HYDRUS模型的一維版本，是一種常用的水和溶質模擬軟件。近年來該軟件得到廣泛的應用，如葉永紅等[7]使用該軟件預測了蘭州西固商業石油儲備庫泄漏對包氣帶的影響，郝芳華等[8]將其應用于河套灌區典型區域的土壤氮元素遷移，楊洋等[9]利用HYDRUS-1D模擬了填埋場滲濾液中氨氮在包氣帶中的遷移轉化規律等。

用HYDRUS-1D模擬土壤中污染物運移過程的方法如下：

(1)目標土層剖分及觀測點布置

在HYDRUS-1D(Soil Profile-Graphical Editor)模塊中對包氣帶土層進行設定。將整個包氣帶剖面劃分為900層，每層1 cm，總厚度為9.0 m。其中，0 m～1.5 m土層為壤土層，1.5 m～2.0 m為黏土層，2.0 m～9.0 m為強風化玄武巖層。在潛水面處布置1個觀測點N1。

(2)參數設置

HYDRUS-1D軟件所需參數分為兩類：一類是土壤特征參數，如土壤的飽和含水量、殘余含水量和土壤水力曲線參數等水分參數；另一類是運移參數，如滲透系數、彌散系數等。

本模型不考慮土壤對污染物的吸附和污染物的轉化。各參數除土層飽和滲透系數使用注水試驗的實測值外，其余各參數均采用HYDRUS-1D軟件自帶的相應土層的經驗參數值。模型中主要參數見表1。

表1 模型主要參數表

(3)邊界條件和初始條件

上邊界：上邊界為滲濾液收集池的底部，假定池底破損，污染物持續入滲，則上邊界為固定濃度邊界，濃度C0=0.224 mg/L。

下邊界：假設潛水面隨時間的變化幅度較小，可忽略不計，則下邊界可以設為壓力水頭為零的第一類Dirichlet邊界。

初始條件：本次模擬初始水頭設定h0=-100 cm(土壤處于干燥狀態)。土壤中砷的初始濃度C0=0 mg/L。

4 模擬實驗結果分析

本次模擬對象為滲濾液收集池，假設池底防滲層破損，滲濾液通過破損區域泄漏到土壤中。將污染源概化為穩定的點源污染，污染物砷以固定濃度0.224 mg/L持續入滲。泄漏的時長是25年(9125天，為本項目的服務年限)。預測結果見圖1、圖2。

由以上模擬結果可知：

在泄漏發生后，飛灰固化物滲濾液向下遷移形成垂向污染暈，在對流和彌散的作用下，污染暈鋒面處的濃度隨深度加深而逐漸減小。隨著滲濾液不斷下滲，污染物的累積速度超過土壤的自凈速度和容納能力，土壤中污染深度和污染物濃度均不斷增加。

滲濾液泄漏后第5天，污染暈最大下滲深度為5.7 m，土壤水中砷的最大濃度為0.00001 mg/L；泄漏后第50天，污染暈最大下滲深度為9.0 m，此時砷已經穿透包氣帶土層到達潛水面處，土壤水中砷濃度最大值為0.000233 mg/L；隨著污染物的持續入滲，泄漏后第365天，土壤水中砷濃度不斷增加，最大值為0.0818 mg/L；泄漏后第9125天，土壤水中砷濃度達到峰值，為0.224 mg/L；此后，滲濾液停止泄漏，土壤水中砷濃度逐漸降低，至第10 220天，土壤水中砷濃度最大值為0.0362 mg/L。

(注：N1控制點位置：潛水面)圖1 控制點N1處砷濃度隨時間變化圖Fig.1 As concentration change with time at control point N1

(注：T1～T6分別代表泄漏開始后第1天、5天、50天、365天、9125天、10 220天)圖2 不同時間節點下砷濃度隨深度變化圖Fig.2 As concentration change with depth at different time nodes

從潛水面處N1控制點的污染物濃度變化預測結果可知：污染物泄漏前，N1處土壤水中污染物砷濃度為0 mg/L；在飛灰固化物滲濾液收集池泄漏后的第12.4天，N1處土壤水中砷濃度為0.00001 mg/L，這說明砷的污染鋒面已經到達此處，污染物已穿過整個包氣帶土壤層到達地下水中；泄漏后的第125天，N1處土壤水中砷的濃度為0.01118 mg/L；泄漏后第3189天，N1處土壤水的砷濃度達到峰值且持續5970天，直至第9159天(污染源消失后的第34天)砷濃度逐漸下降。

5 結論與建議

本文以某飛灰固化物填埋項目為例，假設飛灰固化物滲濾液收集池池底的防滲層破損，滲濾液中的污染物砷以0.224 mg/L的濃度通過破損區域泄漏到土壤中，泄漏時長是9125天，包氣帶厚度是9.0 m，土壤水中砷的初始濃度為0 mg/L，用HYDRUS-1D軟件建立數學模型，模擬砷在土壤水中的運移規律。通過模擬結果可知：在僅考慮土壤水的對流和彌散的作用下，泄漏事故發生后，砷向下遷移形成垂向污染暈。隨時間增加，污染暈下滲深度逐漸增加，土壤水中砷的濃度逐漸增加。泄漏發生后第12.4天，潛水面處土壤水中砷濃度由0 mg/L增加至0.00001 mg/L，砷穿透整個包氣帶土層到達地下水中；泄漏后第9125天，土壤水中砷濃度達到峰值，為0.224 mg/L；此后，滲濾液停止泄漏，土壤水中砷濃度逐漸降低，至第10 220天，土壤水中砷濃度最大值為0.0362 mg/L。

通過模擬預測結果可知：土壤對污染物雖然具有一定的吸附阻截能力，但不能無限制地對污染物進行阻截，在污染源持續泄漏的情況下，污染物會穿透土壤層進入地下水中，進而污染地下水。因此，地下水污染防治工作中還要重視土壤污染的防治。

該模型只考慮土壤中的對流、彌散作用對污染物擴散的影響，未考慮土壤吸附、生物降解和化學反應等作用對污染物轉化的影響，模擬預測的濃度值比實際值偏高，后續研究時應盡量把上述各影響因素考慮在內。另外，HYDRUS-1D軟件是針對污染物在土壤水中運移規律的預測，預測結果表示污染物在土壤水中的濃度(單位是mg/L)，而非土壤自身的質量濃度。但是《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)和《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中給出的管控標準值均為土壤的質量濃度。因此，如果要對照上述標準對土壤質量進行評價，還需根據土壤容重和含水量等土壤理化性質參數把預測結果換算成質量濃度。