呂晶晶 石蘭君 竇艷艷 龔為進 張列宇

(1.中原工學院,鄭州 450007;2.河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質環(huán)境調查院,鄭州 450053;3.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012)

污染物質在土壤滲濾系統(tǒng)中的遷移轉化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，掌握水溶性污染物質運動及遷移轉化的特點對土壤滲濾系統(tǒng)的設計、運行和維護意義重大。通過構建數(shù)學模型模擬可以從宏觀上研判土壤滲濾系統(tǒng)的運行變化規(guī)律，有利于對土壤滲濾系統(tǒng)的進行系統(tǒng)和科學管理。

HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部聯(lián)合其它相關機構在SUMATRA和WORM等模型的基礎上研發(fā)而來的一種新的模型[1]。此模型可以在宏觀與微觀兩種尺度上模擬一維水流、溶質等在飽和或者非飽和介質中的遷移轉化[2]。此模型中方程求解運用的是Galerkin線性有限元的方法，可以用來模擬水及水中化學元素和有機污染物質的運移過程，因此，此模型被廣泛應用于土壤學、環(huán)境學及水文地質學等領域[1]。本研究以前期碳、氮、磷等營養(yǎng)元素實驗數(shù)據(jù)為基礎，運用HYDRUS-1D模型揭示各污染物質在土壤滲濾系統(tǒng)中的運移規(guī)律。先前對HYDRUS-1D的研究和應用主要集中在包氣帶環(huán)境中，鑒于包氣帶環(huán)境與土壤滲濾系統(tǒng)的內部環(huán)境有相似之處，所以將HYDRUS-1D引入用來模擬土壤滲濾系統(tǒng)中水分及水溶性污染物質的運動及遷移轉化。

在下面的模型建立過程中，根據(jù)實際情況對模型進行簡化：(1)各層土壤都是均勻的；(2)污水下滲的過程中土壤內部結構及孔隙不變；(3)只考慮土壤中水及其污染物的的運移，而不考慮土壤中水汽的運動；(4)不考慮溫度對反應的影響；(5)土壤中水分運動不考慮水平或側向水流運動，而只考慮一維垂向運動；(6)不考慮大氣對土壤中水流運動的影響。模型中時間的單位是d，距離單位是cm。

本文中試試驗裝置見圖1、2。

圖1 中試試驗基地現(xiàn)場部分裝置實物圖片

圖2 中試試驗裝置示意圖(前加曝氣預處理)[3-4]

1 改良土壤滲濾模型建立

1.1 改良土壤滲濾水流模型

在變飽和孔隙介質中，HYDRUS-1D軟件運用Richards方程表述一維平衡水流運動過程[5]，公式如下式所示：

(1)

公式當中各符號的含義為：θ代表體積含水率，單位是m3·m-3；t代表模擬時間，單位是d；x代表縱坐標垂直向下的距離，單位是m；h代表壓力水頭，單位是m；α代表水流方向與縱坐標軸的夾角，對于一維連續(xù)垂直入滲的水流此值為0°；S代表源匯項，即植物根系吸水量，單位是m3·m-3·a-1，對裸露區(qū)為0；K(h)代表非飽和滲透系數(shù)函數(shù)，可由方程K(h,x)=Ks(x)·Kr(h,x)計算得出，其中，Ks代表飽和滲透系數(shù)，單位是m·a-1，Kr代表相對滲透系數(shù)，無量綱。對于非飽和孔隙介質，上面公式中的參數(shù)θ和K與壓力水頭h都存在非線性關系，HYDRUS-1D軟件中提供了5種模型來計算這些參數(shù)，這些模型包括Garder模型、Brooks-Corey模型、Garder-Russo模型、Campbell模型、Van Genuchten-Mualem模型等，本次研究選用目前使用最廣泛、發(fā)展最成熟的van Genuchten-Mualem模型(簡稱為VG模型)來計算土壤水力特性參數(shù)θ(h)和K(h)，并且不考慮水流運動滯后的現(xiàn)象[6]。van Genuchten-Mualem模型是由1976年Mualem提出的統(tǒng)計孔徑分布模型發(fā)展而來的，又在1980年由RienvanGenuchten提出以土壤水分特征參數(shù)函數(shù)的形式預測非飽和滲透系數(shù)的數(shù)學模型。VG模型的表達式如下：

(2)

(3)

1.2 改良土壤滲濾污染物運移模型

HYDRUS-1D軟件中采用對流-彌散方程來描述一維溶質的運移過程[8]。公式表達式如下式所示：

(4)

公式當中各符號的含義為：θ代表體積含水率，單位是m3·m-3；t代表模擬時間，單位是a；c代表溶質液相濃度，單位是g·m-3；s代表溶質固相濃度，單位是g·g-1；D代表彌散系數(shù)，表示分子擴散和水力彌散，單位是m2·a-1；q代表體積流動通量密度，單位是m·a-1；Φ代表源匯項，表示水溶性物質發(fā)生的各種反應，單位是g·m-3·a-1。

1.3 模型的初始條件與邊界條件

考慮到進水是連續(xù)的，并且在一定時間內流量恒定，所以水流上邊界條件選擇定水頭邊界，根據(jù)流量設定頂部水頭為0.06m(即進水水力負荷6cm/d)，下邊界條件為自由排水邊界。

表1 土壤中CODCr遷移轉化參數(shù)

表2 土壤中氨氮遷移轉化參數(shù)

表3 土壤中TP遷移轉化參數(shù)

2 數(shù)值模擬與參數(shù)識別

2.1 模型模擬

本模型用來模擬地面以下0～180cm深度范圍的土壤，分為2層，模擬時間從2014年10月19日至12月10日，采用變化時間步長剖分的方式，根據(jù)收斂迭代次數(shù)調整時間步長。設定初始時間步長為0.1d，最小時間步長和最大時間步長分別為0.0ld和10d；土壤含水量和壓力水頭的容許偏差分別為0.0005和1cm。

土壤水流模型運用單孔隙模型中VG模型[10]，不考慮水流運動滯后的現(xiàn)象，采用逆向求解方法確定水中溶質運動的參數(shù)。水流模擬與污染物模擬上邊界條件均為開放型大氣邊界，接受降水、灌溉等的水分補給和土面水分蒸發(fā)，HYDRUS-1D水流模擬模型賦以實際測得的降水量、灌溉量和蒸發(fā)量；鹽分模擬賦以實際測得的灌溉水礦化度。水流模擬下邊界條件為已知的變水頭邊界，HYDRUS-1D中賦以的壓力水頭，根據(jù)實際測得的地下水位埋深確定；污染物模擬下邊界為已知濃度邊界，賦以實際測得的污染物濃度平均值。

2.2 模型參數(shù)

土壤水力參數(shù)由實際測得的土壤粒徑組成，根據(jù)Rosetta模型初始值賦以參數(shù)初始值[11]，而后根據(jù)試驗實際測得的數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合，最終確定主要特征參數(shù)的數(shù)值，表4給出了調整之后的VG公式中各土壤水力參數(shù)的數(shù)值。

表4 土壤水力參數(shù)

2.3 模型驗證與效果評價

圖3 不同點位出水濃度實測值與模擬值對比

3 模型應用與分析

對于已經(jīng)建立并通過驗證的模型主要應用在以下部分：方案一：邊界條件中進水通量和濃度不變，土壤層高度為1.8m時，粉土/粉質黏土的厚度發(fā)生變化，對去除效果影響的模擬，從而得出粉土/粉質黏土厚度的最佳組合；方案二：邊界條件中進水通量和濃度不變，土壤層高度為1.8m時，粉土和粉質黏土的裝填次序、厚度發(fā)生變化對去除效果的模擬，從而得出污染物去除率最高時裝填組合。

圖4 模擬粉土/粉質黏土不同厚度組合出水水質指標

圖5 模擬粉質黏土/粉土不同厚度組合出水水質指標

4 小結

(1)水流上邊界條件選擇定水頭邊界0.06 m，下邊界條件為自由排水邊界。污染物運移的邊界條件以液相溶質濃度作為模型的初始條件，上邊界條件選擇定污染物濃度通量邊界，下邊界條件為零濃度梯度邊界。根據(jù)對流-彌散方程，通過參數(shù)率定可以建立與實測值相關性良好的土壤滲濾處理污水模型。

(2)在參數(shù)率定階段，發(fā)現(xiàn)對模擬結果影響最大的因素為溶質在反應相的反應速率常數(shù)μ，而彌散系數(shù)DL和吸附系數(shù)Kd對溶質運移模擬結果的影響小于μ的影響。