关于天然胶体与三价铵（Am(III)）在非饱和带沉积物中共 transport 的数值研究

《Journal of Contaminant Hydrology》：Numerical study on co-transport of natural colloids and Am(III) in the vadose zone sediments

　　摘要
天然移动胶体显著促进了放射性镅(III) (Am(III))在地下介质中的传输，大大延长了其在多孔介质中的传输距离。评估胶体Am(III)的长期传输行为及其潜在的地下风险对于放射性废物处置场所的安全评估和应急管理至关重要。本研究通过实验室柱实验结合数值模拟，研究了胶体辅助下的Am(III)在非饱和多孔介质中的传输过程。利用Hydrus-1D建立了一维非饱和柱模型，反推出关键的保留和传输参数，并通过参数敏感性分析量化了水动力和地球化学因素的影响强度。在此基础上，构建了一个非饱和处置场所模型，以预测在不同泄漏和降雨情景下胶体Am(III)的环境传输特性。敏感性分析表明，介质分散度（0.141 ≤ S ≤ 0.258）和饱和体积含水量（?0.165 ≤ S ≤ ?0.139）是高敏感性参数，而饱和渗透系数（?0.044 ≤ S ≤ ?0.012）和介质密度（?0.0030 ≤ S ≤ ?0.0026）则是低敏感性参数。情景模拟结果表明，随着时间、降雨强度和泄漏量的增加，胶体Am(III)在非饱和带中的垂直传输深度也随之增加。短期强降雨（100–300毫米/天）显著加速了胶体Am(III)的向下传输，使其最大穿透深度达到0.60–1.26米而未到达地下水位。然而，长期泄漏（如Case S1情况>224年）或大量意外泄漏（>7.66立方米）最终可能导致地下水污染，对地下环境安全构成严重威胁。

引言
天然胶体在环境中普遍存在，由于其强烈的反应性和移动性，成为地下环境中最活跃的成分，在土壤和地下水中的污染物传输中起着重要作用（Wang等，2020；Sen和Khilar，2006；Xu等，2021；Zhang等，2022a；Zhang等，2022b）。近年来，土壤和地下水环境中胶体及其对污染物传输的促进作用受到了研究者们的广泛关注（Saiers和Lenhart，2003；Sen等，2002；Elimelech和Ryan，2002；Liu等，2007；Saiers，2002；Wolfsberg等，2017；Zhang等，2024）。在渗透过程中被激活的环境胶体可能会吸附放射性核素并促进其在非饱和带中的移动。认识到胶体作为非饱和带污染物传输介质的潜在重要性，激发了关于胶体在非饱和多孔介质中释放和传输的研究（Saiers和Lenhart，2003）。因此，了解胶体及其携带的放射性核素在地表和地下环境中的传输行为对于保护公众健康和水生生态系统免受潜在污染物影响至关重要。

放射性核素镅(III) (Am(III))的强吸附特性使其主要在胶体的携带作用下移动。目前，关于胶体Am(III)的研究主要集中在实验室柱实验上（Liu等，2007；M?ri等，2003；Sch?fer等，2003）。简单的柱实验是一种初步实验，可以在短时间内获得放射性核素传输的近似模式和特征常数（吸附分配系数、保留因子等）。例如，Delos等人（Delos等，2008）首次使用激光诱导断裂检测（LIBD）观察了天然膨润土胶体在裂隙介质中的传输过程，发现吸附在胶体上的锕系元素的传输速率更快，表明膨润土胶体可以促进244Pu和241Am在陶瓷柱中的传输。Dietrich等人（Dittrich等，2015）发现，在膨润土裂隙填充材料系统中，膨润土胶体可以促进241Am的传输。然而，关于胶体与放射性核素共传输的数值模拟研究主要集中在拟合柱实验结果以获得传输过程中的关键参数。例如，Ge等人（Ge等，2018）和Yang等人（Yang等，2019）利用Hydrus-1D定量描述了高岭石胶体/ gibbsite胶体/代表性天然胶体腐殖酸和U(VI)的共传输现象，并模拟了柱实验的突破曲线（BTC），获得了相应的传输数据。另一方面，由于现场实验的真实性与可信度，大规模现场传输实验被认为是最具代表性的研究方法。一些研究人员进行了广泛的野外研究，以探讨高放射性废物地质处置过程中胶体放射性核素的传输（Pan等，2019）。他们获得了处置设施孔隙介质中胶体放射性核素的对流、扩散和分散规律，并广泛使用对流扩散方程来描述和预测胶体放射性核素的传输行为。Novikov等人（Novikov等，2006）发现大部分Pu是由胶体携带传输的，但在3公里距离处难以检测到胶体Pu。M?ri等人（M?ri等，2003）研究了Grimsel试验现场裂隙岩层中Am(III)的现场传输行为。Am(III)的突破曲线与胶体的突破曲线一致，表明该地区的Am(III)传输主要由胶体主导。然而，大规模现场实验存在不可控环境因素的风险以及修复受污染场所的难度。因此，通过室内实验获得相关参数，并将其应用于数值模拟方法来研究地下环境中放射性核素的分布和传输模式，以及预测放射性核素对地下水环境的影响，成为了一个受青睐的研究方向。相反，目前关于胶体放射性核素现场模型的研究仍然较少（Liu等，2018）。

本研究使用从中国甘肃省一个放射性废物处置场所采集的天然胶体和原位非饱和带沉积物，研究了胶体辅助下的Am(III)在非饱和多孔介质中的传输（Xie等，2013）。结合实验室柱实验和数值模型进行了以下工作：（1）建立实验室规模和现场规模的数值模型，将基于实验数据的传输关键参数外推到现场规模模型；（2）识别主要控制因素并定量评估它们对胶体Am(III)传输的敏感性；（3）预测在不同水文地质条件和泄漏情景下胶体Am(III)的地下传输行为和潜在污染风险。

**部分内容**
**沉积物的制备与表征**
非饱和带沉积物（细沙）取自中国甘肃省一个处置场所的表面。通过环刀法测量该地点的介质密度约为1.5克/立方厘米。通过现场抽水试验和实验室柱实验获得的沉积物饱和含水量和饱和水力传导率为0.42和1.2厘米/分钟。根据该地区的最新研究（Chen等，2024a；Chen等，2024b），进行了相关分析。

**数学模型**
本研究使用一维变饱和水流和溶质传输软件Hydrus-1D（Rassam等，2018）来描述非饱和带中氚和胶体Am(III)的溶质传输过程。非饱和带中的水传输可以用Richards方程表示为：
$$
\mathcal{D}(\alpha \theta \partial h \partial t) = \mathcal{D}(\alpha \partial z) \left[ \kappa(H \partial \theta) \left( \kappa_H \partial \zeta + 1 \right) - \Sigma \right]
$$
其中，θ表示体积含水量（厘米3/厘米3），t表示水传输时间（分钟），H表示基质势（厘米），z表示空间坐标。

**敏感性分析**
为了研究介质物理参数和边界条件变化对胶体Am(III)传输性能的影响，选择了柱模型中的4个参数进行参数敏感性分析。图2显示，4个敏感因素的变化对胶体Am(III)的传输性能有显著影响。图2（a，b）表明，当无量纲密度分别为0.2、0.4、0.6和0.8时，胶体的质量回收率有所不同。

**结论**
本研究通过将Hydrus-1D模拟柱实验获得的传输关键参数扩展到处置场所模型，定量研究了胶体Am(III)在干旱地下环境中的环境传输行为。通过局部敏感性分析，量化了不同因素对胶体Am(III)突破曲线（BTC）和质量回收率的多层次影响。进一步进行了综合情景模拟，揭示了动态传输特性。

**作者贡献声明**
陈洁：撰写——原始草案；软件开发；资金获取。
曾贤江：撰写——原始草案。
郝启晨：撰写——审稿与编辑；资金获取。
朱军：撰写——审稿与编辑。
张秋兰：撰写——审稿与编辑；资金获取。
邵静丽：撰写——审稿与编辑；软件开发。
崔亚丽：撰写——审稿与编辑；软件开发。
张爱明：监督。
谢天：撰写——审稿与编辑；软件开发。

**资金支持**
本研究的资金支持来自中国地质科学院水利地质与环境地质研究所的基本研究基金（SK202534）、国家自然科学基金（42272295）以及国家重点研发计划（2024YFC3211600）。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
我们感谢中国辐射防护研究院对本实验的支持。
陈洁 | 曾贤江 | 郝启晨 | 朱军 | 张秋兰 | 邵静丽 | 崔亚丽 | 张爱明 | 谢天
中国地质科学院水利地质与环境地质研究所，厦门361021