1.6　氮污染数值模拟研究

1.6.1　国内外数值模拟研究现状

通过数值模拟可以预测出污染物的运移轨迹及浓度在时空上的变化规律，为区域地下水资源的合理开发利用提供科学依据。因此，国内外许多学者已经把数值模拟应用到地下水污染防治研究中。

汪建武等使用Visual MODFLOW软件建立了陕西省泾惠渠灌区的地下水运移模型，并结合1985～2008年该区地下水的开采量，预测分析了未来10年的地下水状况，以此来指导该地区地下水资源的可持续开发和利用。

张大龙等在邯郸市曲周县的水文地质条件基础上，利用Visual MODFLOW软件建立了地下水流模型，预测了未来10年地下水位的动态变化，为曲周县地下水资源合理开发利用设计了开采方案。

尉鹏翔等运用Visual MODFLOW 软件建立了北京市区东南部的地下水水流模型和污染物运移模型，模拟了污染物苯和萘的运移过程，并对地下水环境变化进行了预测。

Guneshwor L S等使用无网格径向点搭配方法来模拟污染物通过承压含水层的迁移过程，研究中使用了两种广泛使用的径向基函数，即多曲面和RBF指数，进行地下水流动模拟和污染物运移模拟。

Mahmoudpour M等利用MODFLOW对伊朗德黑兰西南部平原2004年地下水位和地面沉降进行模拟，证实该地区地下水过度开采对地面沉降构成严重威胁。通过使用液压油集成电路测量和合成孔径雷达数据校正模型，使模拟结果与实测结果吻合良好，并应用数值模型预测了该地区2018年地面沉降的发展趋势，为该地区地下水合理开采提供依据。

Andelov M等应将水文模型与农业氮平衡耦合，应用于斯洛文尼亚100m×100m分辨率的整个范围，对地下水中氮还原水平是否达到地下水水质标准进行评估，并应用模型确定斯洛文尼亚1971～2000年间的水平衡。同时，对2011年斯洛文尼亚可移动氮负荷土壤中氮剩余和大气氮沉降进行评估。随后，将模型与模型渗流率组合，评估土壤硝酸盐降解，确定渗滤液中硝酸盐浓度，为该地区渗滤液中硝酸盐浓度超标的区域提出实行氮污染减少的措施。

1.6.2　地下水数值模拟软件的发展

自20世纪70年代开始，地下水污染问题受到了国内外学者的关注，他们采取大量的实验研究来分析污染状况。随着计算机应用技术的发展，对地下水污染的研究从实地考察和实验模拟逐渐发展出数值模拟，许多可视化计算机软件也被不断推广，如表1.1所列，数值模拟研究已经成为地下水污染研究的一个重要手段。

表1.1　数值模拟软件介绍

1.6.3　Hydrus-1D模型研究现状

Hydrus-1D是由美国农业部盐渍土实验室开发的，主要运用在非饱和土壤中模拟水、热、溶质迁移的。随着科技发展，土壤中的水盐、污染物质和养分运移都能够得到模拟。

国内的早期研究中，主要是利用Hydrus-1D软件对土壤中氮的迁移和氮素动力学进行的。其中，郝芳华曾对土壤中氮素的迁移进行了模拟，研究中表明，当灌水强度大于0.14cm/h时，大量的氮元素就会向土壤的深层进行流失。这项研究在一定程度上阐明了农田灌溉、施肥与氮淋失三者之间的关系，同时对于土壤中氮淋失的特征也进行了描述。方堃等人利用Hydrus-1D模拟了硝态氮的垂直穿透情况，模拟结果表明，模拟值与实验值呈正比关系。研究中，对于实际中难以实测的参数，如土壤饱和导水率和的垂直扩散率都能够通过模拟获得。可见，Hydrus-1D软件在研究土壤中污染物的运移以及预测参数方面都有很大的用途。

国外的研究中，HEATWOLE等利用软件对地下水中的氮含量进行了模拟，研究表明，在30cm之内，氨氮均发生了转化，5cm内大多数的氨氮就已发生了转化；在350cm内所有的硝酸盐氮基本转化。在实验中使用的两种土壤，剖面相似、硝酸盐氮的浓度也相似，但是土壤中氮素的迁移转化能力并未出现明显的区别。由此证明在Todd Creek地区，土壤物理性质的不同不会影响地下水氮素浓度。DARWISH等人对土壤和地下水中的氮的迁移转化做了相关研究，他们在研究中利用Hydrus-1D对氮素在包气带中的迁移转化进行了模拟，最后通过实验中的实测值与软件中的模拟值进行了对比，验证了模型的可信性并得到了氮的迁移转化规律。

由于硝酸盐氮的难降解性，对人类、植物以及经济方面造成严重影响，所以研究氮的迁移转化对于地下水污染的控制有着重要的意义。本实验是以氮的迁移转化实验为基础，应用Hydrus-1D软件对实验结果进行模拟预测，探讨包气带中氮的迁移转化规律，同时利用氮氧双同位素技术进行氮元素来源的示踪，为减少氮污染提供依据。