Hydrus-1D在金屬礦山排土場(chǎng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

（北京國(guó)環(huán)晟邦環(huán)保科技有限公司，北京 100085）

Hydrus-1D模型由美國(guó)鹽土實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，是一種可用來(lái)模擬恒定或非恒定的邊界條件下水流和溶質(zhì)在飽和-非飽和多孔隙介質(zhì)中運(yùn)移的數(shù)值模型。該模型能夠較好地模擬水分、溶質(zhì)與能量在土壤中的分布以及時(shí)空變化和運(yùn)移規(guī)律。

2016年和2019年，生態(tài)環(huán)境部先后發(fā)布《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》（HJ 610-2016）和《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則土壤環(huán)境》（試行）（HJ 964-2018），逐漸廣泛地將Hydrus-1D軟件應(yīng)用延伸到環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域。如利用Hydrus-1D模型模擬污染物在土壤包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，預(yù)測(cè)土壤環(huán)境的污染狀況變化趨勢(shì)，為污染場(chǎng)地修復(fù)治理提供依據(jù)[1]；或利用Hydrus-1D模型預(yù)測(cè)污染物經(jīng)土壤包氣帶到達(dá)地下水面的時(shí)間和濃度值，為地下水污染源強(qiáng)定量評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持[2]；或?qū)ydrus-1D和Visual modflow軟件結(jié)合，將土壤包氣帶中水分溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果應(yīng)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(shí)間變化趨勢(shì)，為地下水溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)和地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等提供幫助[3]。

各種環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)用研究中，包氣帶污染物多集中于氨氮、CODcr以及有機(jī)污染物等，在重金屬淋溶和運(yùn)移方面的評(píng)價(jià)應(yīng)用相對(duì)較少[4]。本研究基于Hydrus-1D軟件，以某多金屬礦山臨時(shí)排土場(chǎng)淋溶水中的重金屬Ni為研究對(duì)象，模擬其自地表下滲進(jìn)入地下后在整個(gè)包氣帶中發(fā)生的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，預(yù)測(cè)土壤中重金屬Ni的變化趨勢(shì)以及進(jìn)入潛水含水層的污染物濃度，以進(jìn)一步探索Hydrus-1D在金屬礦山排土場(chǎng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用方法，為土壤和地下水環(huán)境中重金屬污染防治提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

排土場(chǎng)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(kāi)拓廢石在地面區(qū)域臨時(shí)堆存，營(yíng)運(yùn)期廢石通過(guò)其他途徑綜合利用，屬于臨時(shí)排土場(chǎng)。排土場(chǎng)所在區(qū)域地形坡度大，場(chǎng)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(gòu)成，砂礫含量高，暗紅-暗褐色，結(jié)構(gòu)稍密～中密，顯二元結(jié)構(gòu)，厚約20m～45m。區(qū)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(dá)20m左右，含水層富水性中等。

排土場(chǎng)所在區(qū)域氣候干旱，降水少且變率大，夏季雨水集中。雨季降雨強(qiáng)度較大、且在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)降雨的情況下，可能有部分淋溶水持續(xù)下滲，對(duì)包氣帶土壤及第四系松散巖類(lèi)地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。

2 基于Hydrus-1D的垂向污染預(yù)測(cè)研究

2.1 建立模型

2.1.1 非飽和帶水分運(yùn)移模型

非飽和帶水分運(yùn)移采用Richards方程的修改形式表示。由于污染物在彌散過(guò)程中垂向遷移距離往往大于側(cè)向遷移距離[3]，因此忽略土壤水平和側(cè)向水流運(yùn)動(dòng)。土壤水分運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：θ—土壤體積含水率，L3/L3；t—水分運(yùn)移時(shí)間，T；h—非飽和帶壓力水頭，L；K—土壤水的非飽和水力傳導(dǎo)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(yùn)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(chǎng)底斷面，以降雨入滲產(chǎn)生的廢石淋溶水作為連續(xù)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(jù)區(qū)域長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)年最大降雨量和入滲系數(shù)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(jù)土壤含水率確定。

2.1.2 溶質(zhì)運(yùn)移模型

Hydrus-1D軟件中使用經(jīng)典對(duì)流-彌散方程描述一維溶質(zhì)運(yùn)移。溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型如下：

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

在溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)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(kuò)散。選定溶質(zhì)運(yùn)移模型上邊界為持續(xù)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(shè)定初始濃度為0）。

2.2 模型參數(shù)確定

根據(jù)不同深度土壤類(lèi)型及土壤粒徑分級(jí)數(shù)據(jù)等，利用Hydrus-1D軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)功能，獲得包氣帶各地層的水分特征參數(shù)。

溶質(zhì)遷移參數(shù)可通過(guò)淋濾試驗(yàn)、參考文獻(xiàn)[5]及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等方法確定，本次研究DL取10m，Dw取324cm2/d，Kd取2000L/kg。

2.3 網(wǎng)格剖分、觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

本次研究將礦山排土場(chǎng)區(qū)域包氣帶土層概化為兩層，砂土層為0m～15m，砂質(zhì)黏土層為15m～20m。在一維垂向上進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將包氣帶土層剖分成201個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置4個(gè)不同深度的觀測(cè)點(diǎn)（N1～N4，分別代表地表以下5m、10m、15m和20m）。模型模擬時(shí)間為20a（T0～T6，分別代表第0a、1a、、2a、5a、10a、15a、20a）。

2.4 預(yù)測(cè)結(jié)果與分析

圖1為包氣帶土層不同深度Ni濃度-時(shí)間變化曲線。污染物Ni在雨水淋溶作用下在垂直方向開(kāi)始下滲，各觀測(cè)點(diǎn)處Ni濃度逐漸增大；持續(xù)入滲2a后，由于排土場(chǎng)廢石通過(guò)各種途徑綜合利用，不再產(chǎn)生廢石淋溶水進(jìn)入包氣帶（雨水持續(xù)下滲），各觀測(cè)點(diǎn)處Ni濃度在持續(xù)一段時(shí)間增大達(dá)到峰值后開(kāi)始逐漸減小。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，地表以下5m處（N1）在895d時(shí)達(dá)到最大濃度0.019mg/L，在7300d時(shí)濃度降至0.003mg/L；地表以下20m處（N4）在38d時(shí)出現(xiàn)Ni，即污染物首次穿透包氣帶到達(dá)潛水面，并在3334d時(shí)達(dá)到最大濃度0.009mg/L，在7300d時(shí)濃度降至0.0053mg/L。

圖2為不同時(shí)間點(diǎn)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(nèi)（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(shì)（主要累積在地表以下10m左右的地層中），且隨著時(shí)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(kāi)始向下遷移，預(yù)測(cè)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(shì)，濃度最大值出現(xiàn)的位置向剖面下部移動(dòng)；預(yù)測(cè)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(shì)，且隨著時(shí)間推移包氣帶剖面上Ni濃度整體趨于穩(wěn)定。

圖1 Ni濃度隨時(shí)間變化曲線

圖2 剖面上Ni濃度分布曲線

3 結(jié)論

（1）Ni在包氣帶持續(xù)垂直入滲，其影響深度可穿透整個(gè)包氣帶土層。包氣帶延長(zhǎng)了污染物進(jìn)入含水層的時(shí)間，對(duì)污染物有一定阻滯和攔截作用，因此地下水環(huán)境影響也存在一定滯后。

（2）隨著時(shí)間的推移，包氣帶剖面上各點(diǎn)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(shì)；包氣帶剖面上各點(diǎn)處Ni濃度達(dá)到峰值后開(kāi)始釋放降低，峰值出現(xiàn)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(shì)；最終包氣帶剖面上各點(diǎn)處Ni濃度持續(xù)不斷降低，整體趨近于0。