基于多尺度源项耦合的场地尺度地下水与三维流域模型：Savannah River Site长期氚（3H）迁移模拟

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Multiscale source-term coupling of site-scale groundwater and watershed models for long-term tritium transport at the Savannah River Site

　　

• 展示了场地尺度地下水模型（site-scale groundwater model）与三维（3D）流域模型（watershed model）的耦合（coupling）。
• 该耦合可纳入详细的地下水流动（groundwater flow）与污染物迁移（contaminant transport）。
• 该方法再现了由点源（point source）产生的河水³H浓度。
• 预期将进一步开展与其他放射性核素（radionuclide）和场地的耦合模拟。

Kazuyuki Sakuma等围绕地下水污染由源区向地表水长期迁移的评估问题开展研究。研究背景在于，众多工业场地存在地下水污染，污染地下水排入地表水体会增加暴露风险并形成向下游受体的快速迁移路径；评估长期迁移还需考虑全球变暖及气候变化引起的水文循环变化。已有地下水与污染物迁移模型取得进展，三维流域尺度流动与迁移模拟也逐步发展，但仅依赖场地尺度地下水模拟不足以理解地下水排放对河水的影响，而流域模型计算成本高，难以解析场地内详细地下结构和地下水流。因此，研究人员旨在建立一种有效的多尺度耦合方法，将详细二维（2D）场地/山坡尺度地下水流动与污染物迁移模型和三维（3D）流域尺度流动与迁移模型连接，将场地尺度模型输出的溶质排放时间序列作为点源（point source）源项输入流域模型，并保证模型连通性和一致性，以降低计算成本并支持流域尺度长期评估。研究以Savannah River Site（SRS）的Fourmile Branch Creek集水区为案例，该场地历史上核材料生产导致低放废液排入渗滤池和溪流，污染羽已到达地表水，部分核素超过饮用水标准，其中³H是评估潜在辐射暴露的关键核素。该研究的意义在于为包含污染源场地的河流集水区尺度评估、监测和修复决策提供计算高效的多尺度框架。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员构建三维流域尺度ATS（Advanced Terrestrial Simulator）模型，耦合地表—地下水流动与多组分迁移，并用Watershed Workflow生成网格及填入DEM、NLCD、GLHYMPS、SSURGO/STATSGO2等数据；构建二维场地尺度Amanzi模型，经Alquimia耦合PFLOTRAN地球化学引擎模拟F-Area渗滤池³H迁移；采用顺序单向耦合，将Amanzi渗出面³H通量按源区宽度换算为源项输入ATS河流单元；以SRS观测数据校准和评估，包括FMC-002H/F基流流量（2011–2013）、河水³H（1996/2000–2015）、F-Area井FSB 94DR、FSB 78、FSB 79季度³H（1990–2015），并采用CMIP5气候情景和参数研究。

研究结果如下。3.1. Simulations for hydrological cycle within Fourmile Branch Creek catchment using ATS（使用ATS模拟Fourmile Branch Creek集水区水文循环）：经30年spin-up后，ATS复现河道地表水条件，集水区出口平均流量为0.5 m³ s^?1，与由集水区面积和有效降水估算的理论值一致；2011–2013年FMC-002F和FMC-002H基流流量校准的R²分别为0.83和0.81，79%和86%的模拟值落在观测值两倍范围内，RMSE分别为0.050和0.041 m³ s^?1；基于CMIP5 2020–2100情景的预测显示不同情景下流量变化较小，Kolmogorov–Smirnov检验在0.05显著性阈值下未检出显著差异，未来F-Area渗滤池排放预计变化较小。3.2. Transport modeling for 3H in subsurface water around the F-Area basin using Amanzi（使用Amanzi模拟F-Area渗滤池周边地下水³H迁移）：不同有效降水下1954–2100年³H渗出面排放模拟表明，较高有效降水使³H更快到达渗出面；274与150 mm y^?1情形下总排放分别为1.98 PBq和2.74 PBq，约40%差异处于观测变化范围内；2000年后渗出面³H排放呈下降趋势，较低补给情形排放更高，较高有效降水促进稀释；低渗透Tan Clay位于Upper与Lower UTRAs之间，形成快速与延迟排放混合，使³H排放下降缓慢。3.3. Coupling the ATS watershed-scale model with the Amanzi site-scale groundwater transport model（将ATS流域尺度模型与Amanzi场地尺度地下水迁移模型耦合）：耦合模拟显示F-Area和H-Area下游地表水³H浓度升高，F-Area附近略高于H-Area，H-Area和ORWBG来源与F-Area来源叠加，趋势与观测一致，下游发生稀释；FMC-002F处模拟河水³H与下游FMC-A7观测吻合；较高有效降水情形更匹配1972–1990年观测，较低有效降水情形更好复现2000年后下降趋势；源区宽度影响河水³H浓度范围，补给率对河水³H影响大于源区宽度；仅考虑F-Area和H-Area时高补给情形匹配早期观测，2010年后低估与ORWBG贡献简化表示有关；FMC-002H与FMC-002F模拟浓度相当，集水区出口在约1960–2020年估计超过美国饮用水³H限值740 Bq L^?1，但排放随即汇入Savannah River，总体影响被估计为有限。

讨论部分总结：该研究的方法学贡献是将基于过程的场地尺度地下水迁移与流域尺度地表—地下水水文通过时间依赖源项传递整合，保留源区排放时序和强度，同时由ATS计算流域尺度地下水—地表水交换、河流流量和稀释；计算效率支持多十年模拟及多种补给和源宽假设。由于未实现ATS到Amanzi的水力反馈，该框架适用于流域尺度地下水波动不显著改变局部水力梯度的情形。源项不确定性来自排放和浓度测量、既往仅关注F-3等；H-Area与ORWBG按比例由F-Area时间序列估计，ORWBG作为固废经浸出和包气带—含水层迁移可能造成滞后，直接输入河流和比例缩放会增加不确定性；二维场地模型与三维表示的排放估算差异被认为有限；SRS因升温与蒸散增加相抵消，净补给变化小，但其他区域需评估水文循环变化；流域模拟计算昂贵，正式敏感性分析困难，未来可用代理模型。扩展至反应性污染物需考虑吸附、沉淀和氧化还原等过程。

结论部分翻译：本研究开发了一个多尺度建模框架，将二维（2D）场地尺度地下水流动与迁移模型（Amanzi）与三维（3D）流域尺度水文模型（ATS）耦合，用于模拟Savannah River Site的Fourmile Branch Creek集水区中的³H迁移。主要方法学贡献在于，由详细地下水模拟得到的时间依赖³H排放可纳入长期流域模拟，而无需在整个集水区采用统一高空间分辨率。结果为研究区提供了新的水文认识，尤其是分析表明有效降水是³H排放和河水浓度的主导控制因素，影响迁移时间与稀释过程。耦合模型在一系列参数条件下再现了观测³H浓度的数量级和时间趋势，突出地下水驱动的基流过程在控制流域尺度长期污染物迁移中的重要性。但应注意若干局限：污染源表示通过将排放直接分配到河流单元而简化，不同源区贡献用比例关系近似；场地尺度模型为二维表示，模型校准因数据限制聚焦基流条件，限制事件尺度水文过程表征；补给条件和地下属性的不确定性可能影响模拟结果。未来研究应通过更详细排放路径、改进源表征、将框架扩展至反应性污染物和额外水文地球化学过程来应对这些局限；使用包括暴雨流条件在内的更全面观测数据将进一步改善模型校准与验证。尽管存在这些局限，本研究证明将场地尺度地下水过程与流域尺度建模整合，可为评估长期污染物迁移提供有用且计算高效的框架。所提方法为评估复杂流域中污染物行为提供有价值基础，可支持环境管理与修复规划，尤其在地下水—地表水相互作用关键的地区。结果还表明，源特征差异（液体废物与固体废物）在控制流域尺度污染物迁移时间方面起关键作用。