氨氮在包氣帶中遷移的HYDRUS-1D預(yù)測模型

陳　佩,張永波，鄭秀清，趙雪花

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)工程學(xué)院,山西太原030024)

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氨氮在包氣帶中遷移的HYDRUS-1D預(yù)測模型

陳佩,張永波，鄭秀清，趙雪花

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)工程學(xué)院,山西太原030024)

摘要：以山西省榆次某電廠生活污水處理池所在區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?利用HYDRUS-1D軟件構(gòu)建電廠污水處理池滲漏液中典型污染物氨氮在包氣帶中運(yùn)移模型,預(yù)測氨氮在包氣帶中的垂直遷移轉(zhuǎn)化,計(jì)算出氨氮通過包氣帶到達(dá)地下水面的時(shí)間和濃度值,為氨氮在地下水中運(yùn)移的數(shù)值模擬預(yù)測提供起始時(shí)間和初始濃度值。

關(guān)鍵詞：地下水；溶質(zhì)運(yùn)移；氨氮；包氣帶；HYDRUS-1D

0引言

目前,我國在地下水水質(zhì)評價(jià)中大多沒考慮污染物在包氣帶中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化,即使考慮到了包氣帶的阻控性能,也是采用經(jīng)驗(yàn)吸附的方法計(jì)算污染溶質(zhì)到達(dá)地下水時(shí)的初始濃度。但是,不同地區(qū)包氣帶中土壤的水力特性以及包氣帶的厚度不盡相同,導(dǎo)致包氣帶的防污性能有所不同。若仍采用經(jīng)驗(yàn)吸附系數(shù),則后續(xù)溶質(zhì)在地下水中的運(yùn)移模擬預(yù)測初始濃度值就會(huì)有很大偏差,致使溶質(zhì)運(yùn)移的結(jié)果與實(shí)際情況偏差很大。再者,由于污染溶質(zhì)在包氣帶中垂直運(yùn)移也需要一定的時(shí)間,但地下水水質(zhì)評價(jià)過程中大多都沒有考慮溶質(zhì)在包氣帶中的運(yùn)移時(shí)間,或者只是采用經(jīng)驗(yàn)性的數(shù)值,失去了數(shù)值模擬預(yù)測的指導(dǎo)意義。

HYDRUS-1D軟件可以模擬一維水流、二氧化碳、溶質(zhì)和熱在包氣帶非飽和帶介質(zhì)中的運(yùn)移,包括有水分運(yùn)移、溶質(zhì)運(yùn)移、熱傳遞和植物根系吸水等幾大模塊,并具有簡便的輸入和輸出功能[1-3],在環(huán)境科學(xué)、土壤學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛的運(yùn)用。本文運(yùn)用HYDRUS-1D軟件中的數(shù)學(xué)模型,對包氣帶構(gòu)建水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移模型,模擬山西省榆次某電廠污水處理池在非正常情況下,污染物滲漏液進(jìn)入包氣帶后特征污染物氨氮的遷移轉(zhuǎn)化過程,并預(yù)測氨氮到達(dá)潛水含水層時(shí)的時(shí)間和濃度值,為后續(xù)污染溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移提供初始時(shí)間和初始濃度值。

1工程概況

本次研究目標(biāo)為某電廠生活污水處理池。根據(jù)廠址區(qū)巖土勘察報(bào)告和廠區(qū)內(nèi)39號水文鉆孔可知,污水處理池地下0～6.5 m為土黃色粉質(zhì)粘土,6.5～16.9 m為黃褐色粉質(zhì)粘土夾少量粉土,16.9～20.5 m為淺灰黃色粉土,20.5～28 m為淺灰黃色細(xì)砂,此層為地下第一含水層。因此,研究區(qū)包氣帶厚度為20.5 m,包氣帶巖性以粉質(zhì)粘土及粉土為主,上層粉質(zhì)粘土厚16.9 m,下層粉土厚3.6 m。

2研究方法

2.1污染物源強(qiáng)設(shè)定

正常工況下,電廠污水處理池表面采用鋼筋混凝土進(jìn)行硬化處理。因此,污水處理池正常工作狀況下一般不會(huì)有液體污染物滲漏,并通過包氣帶到達(dá)地下水使地下水污染的情況發(fā)生。本次研究對電廠生活污水處理池設(shè)定為非正常工況。

2.1.1情景設(shè)定

根據(jù)電廠裝置區(qū)布置情況,若電廠可視裝置發(fā)生破壞,即使有污水發(fā)生泄漏,管理人員會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施,不可能任由污水滲入地下水。因此,只有在污水處理池這種半地下非可視部位發(fā)生小面積滲漏時(shí),才有可能導(dǎo)致少量污水通過泄漏點(diǎn)滲入包氣帶并進(jìn)入地下水中。本次研究非正常工況設(shè)定為污水處理池底小面積滲漏。

2.1.2滲漏源強(qiáng)設(shè)定

污水處理站屬輕型建筑物,根據(jù)本電廠《可行性研究報(bào)告》設(shè)計(jì),地基土持力層為粉質(zhì)粘土層,池中水深均為3 m。單位面積滲漏量Q可根據(jù)Q=K×I計(jì)算,其中,K為廠區(qū)包氣帶垂向等效滲透系數(shù)；I為水力梯度。本次研究分別對廠區(qū)內(nèi)粉質(zhì)粘土層和粉土層進(jìn)行了原位滲透試驗(yàn),包氣帶粉質(zhì)粘土層滲透系數(shù)為0.48 cm/d,粉土層為6.0 cm/d。廠區(qū)包氣帶垂向等效滲透系數(shù)K可表示為

(1)

式中,Ki為第i層的滲透系數(shù)；Mi為第i層的厚度。

經(jīng)計(jì)算得,K為1.677×10-5cm/s。水力梯度I由包氣帶厚度除以水深計(jì)算得出,為0.146。因此,污水處理站單位面積滲漏量為0.002 1 m/d。

2.2數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)氨氮在包氣帶中的運(yùn)移特性,本次模擬預(yù)測運(yùn)用HYDRUS-1D軟件中水流及溶質(zhì)運(yùn)移兩大模塊模擬污染溶質(zhì)氨氮在非飽和帶中水分運(yùn)移及溶質(zhì)運(yùn)移。

2.2.1水流運(yùn)動(dòng)方程

包氣帶中土壤水流數(shù)學(xué)模型選擇各向同性的土壤、不可壓縮的液體(水)、一維情形的非飽和土壤水流運(yùn)動(dòng)的控制方程,即HYDRUS-1D中使用的經(jīng)典Richards方程描述一維平衡水流運(yùn)動(dòng)[5- 6]。公式如下

(2)

式中,h為壓力水頭；θ為體積含水率；t為模擬時(shí)間；S為源匯項(xiàng)；α為水流方向與縱軸夾角,本文中認(rèn)為水流一維連續(xù)垂向入滲,故α=0；K(h)為非飽和滲透系數(shù)函數(shù),可由方程K(h,x)=Ks(x)Kr(h,x)計(jì)算得出。其中,Ks為飽和滲透系數(shù)；Kr為相對滲透系數(shù)。

HYDRUS-1D軟件中對土壤水力特性的描述提供了5種土壤水力模型,本次研究選用目前使用最廣泛的van Genuchten-Mualem模型計(jì)算土壤水力特性參數(shù)θ(h)、K(h),且不考慮水流運(yùn)動(dòng)的滯后現(xiàn)象[7]。公式如下

(3)

式中,θr為土壤的殘余含水率；θs為土壤的飽和含水率；α、n為土壤水力特性經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；l為土壤介質(zhì)孔隙連通性能參數(shù),一般取經(jīng)驗(yàn)值。

2.2.2溶質(zhì)運(yùn)移方程

HYDRUS-1D軟件中使用經(jīng)典對流-彌散方程描述一維溶質(zhì)運(yùn)移[8]。公式如下

(4)

式中,c為土壤液相中氨氮的濃度；s為土壤固相中

表1土壤水力參數(shù)

土壤層次/cm土壤類型殘余含水率θr/cm3·cm-3飽和含水率θs/cm3·cm-3經(jīng)驗(yàn)參數(shù)α/cm-1曲線形狀參數(shù)n滲透系數(shù)Ks/cm·d-1經(jīng)驗(yàn)參數(shù)l0～1690粉質(zhì)粘土0.070.360.0051.090.480.51690～2050粉土0.0340.460.0161.3760.5

表2土壤層氨氮遷移轉(zhuǎn)化參數(shù)

土壤層次/cm土壤類型土壤密度ρ/g·cm-3彌散系數(shù)DL/cm自由水中擴(kuò)散系數(shù)Dw/cm2·d-1吸附系數(shù)Kd在液相中的反應(yīng)速率常數(shù)μw在吸附相中反應(yīng)速率常數(shù)μs0～1690粉質(zhì)粘土2.7216916.70.050.0050.0051690～2050粉土2.703616.70.030.0010.001

氨氮的濃度；D為綜合彌散系數(shù),代表分子擴(kuò)散及水動(dòng)力彌散,反映土壤水中溶質(zhì)分子擴(kuò)散和彌散機(jī)；q為體積流動(dòng)通量密度；Φ為源匯項(xiàng),代表氨氮的根系吸收作用和氨氮的硝化作用。

2.3參數(shù)設(shè)置

2.3.1水流運(yùn)動(dòng)模型

本次模擬目標(biāo)為電廠污水處理池，屬半地下式建筑。若污水池非可視部分發(fā)生不易發(fā)現(xiàn)的小面積滲漏,假設(shè)數(shù)年后檢修才發(fā)現(xiàn),故將時(shí)間保守設(shè)定為10年。粉質(zhì)粘土、粉土的土壤水力參數(shù)值見表1。

選定水流模型上邊界為定通量邊界,由滲漏源強(qiáng)設(shè)定可知通量為0.21 cm/d,設(shè)定土壤剖面初始壓力水頭為-100 cm[5- 6]。下邊界為潛水含水層自由水面,選為自由排水邊界。

2.3.2溶質(zhì)運(yùn)移模型

溶質(zhì)運(yùn)移模型方程中相關(guān)參數(shù)取值見表2。根據(jù)污水處理池的實(shí)際情況,溶質(zhì)運(yùn)移模型上邊界選擇濃度通量邊界,污水中氨氮濃度為30 mg/L,故選擇模型上邊界初始濃度為30 mg/L,下邊界選擇零濃度梯度邊界。由于深層土的監(jiān)測資料較難取得,不考慮土壤中氨氮的原始值,取0。

2.3.3目標(biāo)土層剖分及觀測點(diǎn)布置

在HYDRUS-1D的Soil Profile-Graphical Editor模塊中對包氣帶土層進(jìn)行剖分。粉質(zhì)粘土層為0～1 690 cm,粉土層為1 690～2 050 cm,將整個(gè)包氣帶剖面劃分為205層,每層10 cm,總厚度為2 050 m。在預(yù)測目標(biāo)層布置6個(gè)觀測點(diǎn),從上到下依次為N1～N5,距模型頂端距離分別為200、600、1 000、1 500 cm和2 050 cm。土層及觀測點(diǎn)布置見圖1。

3模擬預(yù)測結(jié)果

3.1模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證HYDRUS-1D模型的可靠性,將在研究目標(biāo)區(qū)采集的土壤進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移土柱試驗(yàn),并使用HYDRUS-1D軟件對土柱內(nèi)土壤中氨氮垂向運(yùn)移進(jìn)行模擬，設(shè)定模擬剖面深度為30 cm。將24 h后的模擬結(jié)果和土柱試驗(yàn)測試24 h后結(jié)果進(jìn)行對比。實(shí)測值與模擬值對比見圖2。由圖2可知,氨氮的濃度隨深度的增加快速遞減,且實(shí)測結(jié)果和模擬結(jié)果都能很好地反映這一現(xiàn)象。因此,HYDRUS-1D模型基本能夠反映氨氮在包氣帶中垂向溶質(zhì)運(yùn)移。

圖1　土層及觀測點(diǎn)布置(單位：cm)

圖2　氨氮濃度實(shí)測值與模擬值對比

3.2預(yù)測結(jié)果

氨氮進(jìn)入包氣帶之后,距離地表以下2m處(N1觀測點(diǎn))在12d時(shí)開始監(jiān)測到氨氮,最終恒定濃度為0.03mg/cm3。地表以下6m處(N2觀測點(diǎn))為85d,最終恒定濃度為0.03mg/cm3。地表以下10m處(N3觀測點(diǎn))為223d,最終恒定濃度為0.02917mg/cm3。地表以下15m處(N4觀測點(diǎn))為410d,最終恒定濃度為0.02014mg/cm3。地表以下20.5m處(N5觀測點(diǎn))為702d,最終達(dá)到恒定濃度0.00236mg/cm3。氨氮在5個(gè)觀測點(diǎn)的濃度隨時(shí)間變化見圖3。

圖3　不同觀測點(diǎn)氨氮濃度-時(shí)間變化

4結(jié)語

本文基于HYDRUS-1D軟件,對氨氮在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化過程模擬效果較好,預(yù)測氨氮經(jīng)過702d通過包氣帶到達(dá)地下含水層中,在約2 000d時(shí),氨氮的濃度達(dá)到恒定的2.36mg/L,為地下水環(huán)境數(shù)值模擬初始賦值提供數(shù)據(jù)支持。

隨著包氣帶土壤層厚度的增加,氨氮濃度穩(wěn)定值減小,即包氣帶對氨氮的吸附、硝化作用較為明顯,說明研究區(qū)包氣帶防污性能顯著。由于檢測資料有限,本文未考慮氨氮在土壤中初始濃度值,也未考慮根系對氨氮吸附作用。

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(責(zé)任編輯楊健)

收稿日期：2015- 12- 06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572221)

作者簡介：陳佩(1989—),男,山西忻州人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)及環(huán)境地質(zhì)；張永波(通訊作者)．

中圖分類號：X523

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0010- 03

Prediction of the Migration of Ammonia Nitrogen in Vadose Zone by Using HYDRUS-1D Model

CHEN Pei, ZHANG Yongbo, ZHENG Xiuqing, ZHAO Xuehua

(College of Water Conservancy Science and Engineering, Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024, Shanxi, China)

Abstract:The sewage tank area of a power plant in Yuci, Shanxi is selected as the study case, and the HYDRUS-1D software is used to build the model about the transport of ammonia nitrogen in vadose zone. The ammonia nitrogen is the typical pollutant of sewage tank leakage. The vertical transport of ammonia nitrogen in the vadose zone is simulated by the model, and the time and concentration when the ammonia nitrogen arrives to underground water through the vadose zone are calculated, which provide the starting time and initial concentration for the numerical simulation of ammonia nitrogen transport in underground water．

Key Words:underground water; solute transport; ammonia nitrogen; vadose zone; HYDRUS-1D