河流影響下包氣帶水力參數(shù)對壓力水頭及溶質(zhì)運(yùn)移的影響

河流影響下包氣帶水力參數(shù)對壓力水頭及溶質(zhì)運(yùn)移的影響劉鋼;高志鵬;屈吉鴻【摘要】地表河流入滲補(bǔ)給地下水是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象.近些年，由于地表河流污染的加劇污染的河流下滲,必然伴隨著污染物對影響范圍內(nèi)的非飽和帶土壤造成生態(tài)破壞.采用Hydrus軟件構(gòu)建二維飽和-非飽和數(shù)值模型，為各影響因子構(gòu)造3種不同的情景模式，探討河流影響下的包氣帶水分及溶質(zhì)運(yùn)移隨各參數(shù)變化而改變的過程.研究結(jié)果表明,VG模型5個參數(shù)er、es、a、n、Ks對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移均具有不同程度的影響，與土壤飽和程度具有一定的相關(guān)性，其中es、a、n、Ks的影響較為顯著，而0r的影響則比較小.％Groundwaterrechargedbytheriverongroundsurfaceisacommonphenomenoninthenaturalworld.Inrecentyears,duetotheintensificationofriverpollution,theinfiltrationofpollutedrivermustbeaccompaniedbypollutantstransporttotheunsaturatedzoneandcauseddamagetotheecology.Inthisstudy,atwodimensionalunsaturated-saturatednumericalmodelbasedonHydrussoftwarewasusedtoinvestigatethechangesofwaterandsolutetransportwithparametervariationintheunsaturatedzoneundertheinfluenceofriver,andthreedifferentscenarioswerebuiltforeveryinfluencefactor.Theresultsofthestudyshowthat:ThefiveparametersofOr,es,a,n,KsinVGmodelhaveadifferentinfluenceonthepressureheadandsolutetransport,andthefiveparametershaveacertaincorrelationwiththedegreeofsaturation,theeffectofOs,Ks,a,nissignificant,andtheeffectof0risrelativelysmall.【期刊名稱】《華北水利水電學(xué)院學(xué)報》【年(卷)，期】2017(038)002【總頁數(shù)】5頁(P72-76)【關(guān)鍵詞】河流;包氣帶;水力參數(shù);Hydrus;壓力水頭;溶質(zhì)運(yùn)移【作者】劉鋼;高志鵬;屈吉鴻【作者單位】黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南鄭州450003;華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450045;華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州I450045【正文語種】中文【中圖分類】TV131.2+9;S152.7+2自20世紀(jì)50年代以來，自然因素的激烈變化和人類活動的加劇，對河流沿岸地下水資源的形成與水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的演化產(chǎn)生了重要影響。包氣帶是河流入滲補(bǔ)給地下水的必經(jīng)之路，包氣帶的水力參數(shù)控制著水流的入滲，對溶質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化也具有重要的影響［1］。如今，越來越多的學(xué)者意識到包氣帶對地下水水質(zhì)的重要性，開始研究飽和-非飽和帶相耦合的數(shù)值模型［2-3］。描述包氣帶水力特性的模型很多，以vanGenuchten(VG)模型應(yīng)用最為廣泛，該模型可以描述土壤的水分特征曲線，還可以定量求得非飽和導(dǎo)水率［4］。VG模型包括5個參數(shù)，對非飽和帶的水流及溶質(zhì)運(yùn)移具有很大的影響。但究竟其影響的規(guī)律如何，影響的機(jī)理又如何，目前這方面的研究還比較少。李世鋒等［5］采用Monte-Carlo方法模擬了非飽和帶滲透系數(shù)的空間不確定性對溶質(zhì)運(yùn)移的影響，結(jié)果表明其不確定性使?jié)舛瘸尸F(xiàn)明顯的不確定性；范嚴(yán)偉［6］采用Hydrus-1D模型研究了VG模型參數(shù)變化對土壤入滲特性的影響，指出在推求VG模型參數(shù)時，應(yīng)保證0s.Ks、n的準(zhǔn)確性；王志濤［7］采用不同的思路研究了土壤垂直一維入滲對VG模型參數(shù)的敏感性，與范嚴(yán)偉的研究得到了相同的結(jié)果。本文以VG模型為理論基礎(chǔ)，采用Hydrus軟件構(gòu)建二維飽和-非飽和流數(shù)值模型，通過構(gòu)建不同的情景模式，研究某斷面上壓力水頭和銨態(tài)氮濃度隨深度的變化規(guī)律，探討河流影響下的包氣帶壓力水頭及溶質(zhì)運(yùn)移隨各參數(shù)變化的改變過程。1.1構(gòu)建模型采用Hydrus軟件構(gòu)建理想模型，如圖1所示。首先建立基準(zhǔn)模型(Std):模型長5m、高2m,采用四邊形剖分原則，共剖分132個節(jié)點(diǎn)，262個單元格；采用伽遼金有限單元進(jìn)行空間離散，模擬水分及溶質(zhì)運(yùn)移，模擬期為200d;以軟件中壤土的VG模型參數(shù)經(jīng)驗值為基準(zhǔn)模型參數(shù)，模擬溶質(zhì)為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮初始濃度為1mg/L,縱向彌散度(DL)為0.5cm，橫向彌散度(DT)為0.1cm，溶質(zhì)分子擴(kuò)散系數(shù)(D)為4.32cm2/d，線性吸附分配系數(shù)為0.002cm3/mg，一級硝化速率為0.005d-1。模型剖分及邊界條件如圖1所示，河流邊界(AB)為定水頭邊界，河流寬50cm，深10cm,BC為大氣邊界(因本模型未考慮降雨和蒸發(fā)的作用，因此BC邊界可簡化為隔水邊界)、下邊界(DE)為自由排水邊界，左右邊界(AE、CD)為零通量邊界；溶質(zhì)運(yùn)移河流邊界為定濃度邊界，左右邊界為零通量邊界，下邊界為零濃度梯度邊界。模擬結(jié)果以壓力水頭及銨態(tài)氮濃度在AE邊界上隨深度的變化給出。1.2包氣帶水分運(yùn)移模型包氣帶的水流狀態(tài)是變飽和流。描述飽和-非飽和流水流運(yùn)動方程為經(jīng)典的Richards方程，選取河流影響下的某剖面為研究對象，概化為二維飽和-非飽和流方程:其中：式中：h為壓力水頭，cm;C(h)為容水度，cm-1;0為土壤體積含水率；K(h)為非飽和導(dǎo)水率，cm/d；h0(x,z)為初始壓力水頭分布，cm；d0為河流邊界上壓力水頭；x為水平方向空間坐標(biāo)變量，cm；z為垂直方向空間坐標(biāo)變量，cm，向上為正；t為時間變量，d；kr為相對滲透系數(shù)；Ks為飽和導(dǎo)水率；Os為飽和含水率；由為殘余含水率；ee為有效含水率；a、n為擬合參數(shù)；h<0表示包氣帶，h>0表示飽和帶。式(3)—(7)為vanGenuchten描述非飽和土壤的經(jīng)驗公式［8］。1.3包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移模型銨態(tài)氮遷移轉(zhuǎn)化模型的建立僅考慮了主要的遷移轉(zhuǎn)化過程，包括對流、彌散、吸附、硝化等，忽略作物根系吸收作用、礦化作用以及解吸等，采用傳統(tǒng)的對流-彌散方程(Convection-DispersionEquation,CDE)來描述污染物運(yùn)移過程［9］。包氣帶溶質(zhì)運(yùn)移模型為：式中：c為銨態(tài)氮的濃度，mg/L；Dxx、Dzz、Dxz、Dzx為水動力彌散系數(shù)張量D的分量，cm2/d；qx、qz分別為x、z方向上達(dá)西流速分量，cm/d；K1為一級硝化反應(yīng)速率，d-1；c0為初始濃度分布，mg/L。1.4情景設(shè)置本文僅探討VG模型參數(shù)的擾動對包氣帶壓力水頭及溶質(zhì)運(yùn)移的影響，因此在基準(zhǔn)情景的基礎(chǔ)上對VG模型的5個參數(shù)做出一定的擾動，而不改變其他參數(shù)(如彌散度、分配系數(shù)、硝化速率等)的取值。由式(3)—(7)可知，VG模型的主要參數(shù)有Or、Os、a、n、Ks，選取壤土的經(jīng)驗參數(shù)值為基準(zhǔn)模型參數(shù)，各參數(shù)均分2種情景模式進(jìn)行上下擾動，各情景模式設(shè)置見表1。2.1擾動指數(shù)定義濃度擾動指數(shù)為：式中：c1為某情景下銨態(tài)氮的濃度;c0為基準(zhǔn)情景下的銨態(tài)氮濃度；△為各參數(shù)的擾動值，△為正值表示正擾動，△為負(fù)值表示負(fù)擾動。某參數(shù)的濃度擾動指數(shù)大于100%(或小于-100%),說明該參數(shù)的擾動對溶質(zhì)濃度的影響較為顯著；濃度擾動指數(shù)介于100%與-100%之間，則說明該參數(shù)的擾動對溶質(zhì)濃度的影響較小。將某一參數(shù)的擾動指數(shù)求平均值，平均值為正，表明該參數(shù)的擾動與模型輸出變量(壓力水頭或溶質(zhì)濃度)呈正相關(guān)；平均值為負(fù)，表明該參數(shù)的擾動與模型輸出變量呈負(fù)相關(guān)。2.2各參數(shù)變化對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響將各情景模式代入數(shù)值模型中，分別求解，得到不同時期壓力水頭及銨態(tài)氮濃度擾動指數(shù)隨深度變化的曲線。當(dāng)t=1d時，VG模型中5個參數(shù)er、es、a、n、Ks的擾動引起壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的變化情況如圖2所示。A1和A2情景分別為0r擾動-10%和10%，從圖2(a)可以看出，t=1d時，壓力水頭隨深度變化的曲線基本無變化，溶質(zhì)濃度的擾動指數(shù)值在模擬深度范圍內(nèi)的最大值為80%，小于100%，說明Or對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響很小。同時，其平均濃度擾動指數(shù)為正，說明溶質(zhì)濃度隨Or的增大而增大。B1和B2情景分別對Os擾動-8%和10%，從圖2(b)可以看出在B1情景下的壓力水頭較基準(zhǔn)情景下的增大，B2情景下的壓力水頭則減小，說明Os對壓力水頭的影響為負(fù)相關(guān)；Os對溶質(zhì)濃度的擾動指數(shù)均小于-100%，說明其影響很大，且其平均值為負(fù)，說明Os增大將伴隨溶質(zhì)濃度的減小。從圖2(a)—2(e)可以看出，a與Os具有相似的規(guī)律，但其影響程度與Os的影響程度相比較??；n、Ks與Os、a的影響規(guī)律相反，與Or相似，參數(shù)值增大將引起壓力水頭及溶質(zhì)濃度的增大。Ks對濃度的影響程度最大(圖2(e)),濃度的最大擾動指數(shù)超過了1000%；而n的影響相對較小(圖2(d)),濃度的最大擾動指數(shù)小于200%。由圖2還可以看出，在0~50cm范圍內(nèi)形成了飽和帶，50~200cm為非飽和帶，說明在河床下形成了懸掛飽和帶-非飽和帶系統(tǒng)［10］。當(dāng)t=200d時，5個參數(shù)的變化對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響情況如圖3所示。從圖3中可以看出，t=200d時，研究深度內(nèi)的包氣帶最小壓力水頭僅為-6cm，其飽和程度已非常高。與圖2相比，t=1d時5個參數(shù)的擾動對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響具有不同的規(guī)律。對于壓力水頭，5個參數(shù)的擾動使其隨深度的變化呈現(xiàn)出一定的波動性，在深度0~100cm范圍與100-200cm范圍內(nèi)的規(guī)律相反。整體上，因飽和程度的提高，t=200d時，5個參數(shù)對溶質(zhì)運(yùn)移的影響程度均有所下降。由圖3(a)和3(b)可以看出，由和伽對壓力水頭隨深度的變化影響較為明顯。對溶質(zhì)運(yùn)移來說，其擾動指數(shù)大小均介于100%與-100%之間，說明Or和0s的擾動對溶質(zhì)運(yùn)移的影響較小°0r對濃度的最大擾動指數(shù)僅為-1.5%;0s對濃度的最大擾動從t=1d時的-591%變?yōu)閠=200d時的-28.6%。由圖3(c)、3(d)、3(e)可以看出，壓力水頭隨深度的變化明顯，而溶質(zhì)濃度的擾動指數(shù)最大值均超過了100%，說明a、n、Ks的擾動對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響依然較大。但與t=1d時相比，其影響程度均有所下降。綜上所述，0r、0s、a、n、Ks對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移均具有不同程度的影響，其影響規(guī)律隨研究區(qū)域飽和程度的不同而不同。t=1d時，飽和程度低，VG模型5個參數(shù)對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。其中0r、n、Ks的影響規(guī)律相似，其對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響呈正相關(guān)，即0r、n、Ks增大，伴隨著壓力水頭和溶質(zhì)濃度相應(yīng)增大；相反的，0s、a對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響則呈負(fù)相關(guān)。整體上，0r對壓力水頭和溶質(zhì)濃度的影響較小，0s、a、n、Ks的影響較大。t=200d時，飽和程度很高，0r和0s的擾動對壓力水頭的影響較大，對溶質(zhì)運(yùn)移的影響則較小，擾動指數(shù)均小于100%；而a、n、Ks的擾動對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響均較大。與t=1d時相比，t=200d時研究范圍內(nèi)土壤飽和度高，描述非飽和帶水力特性的VG模型的5個參數(shù)的擾動對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移的影響程度則有所降低。采用Hydrus構(gòu)建理想模型，通過模擬河流影響下的非飽和土壤中水分及銨態(tài)氮運(yùn)移的規(guī)律，探討了描述非飽和土壤水力特性的VG模型各參數(shù)對水分及溶質(zhì)運(yùn)移的影響程度。研究結(jié)果表明，VG模型5個參數(shù)對壓力水頭和溶質(zhì)運(yùn)移均具有不同程度的影響，與飽和程度具有一定的相關(guān)性，其中0s.Ks、a、n的影響較為顯著，而0r的影響則比較小?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】梁斌，王超，王沛芳，等.河流污水非飽和入滲對沿岸地下水質(zhì)的影響[J].水科學(xué)進(jìn)展，2003,14(5):548-553.趙貴章.鄂爾多斯盆地風(fēng)沙灘地區(qū)包氣帶水-地下水轉(zhuǎn)化機(jī)理研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.林琳，楊金忠，史良勝，等.區(qū)域飽和-非飽和多孔介質(zhì)的溶質(zhì)運(yùn)移簡化模型[J].水利學(xué)報，2007,38(3)：342-348.LIUYi,KUANGXingxing,JIAOJiuJimmy,etal.Numericalstudyofvariable-densityflowandunsaturated-saturatedporousmedia[J].Journal