第六章(2)地下水數(shù)值模擬模型的應(yīng)用實例xiugai

地下水數(shù)學模型及數(shù)值模型的建立含水層之間存在的一個弱透水層組由于相對隔水，地下水流動特征以水平為主，垂向為輔。研究區(qū)含水層組概化為3層，一個淺層水含水層、一個弱透水層和一個深層壓含水層。水文地質(zhì)概念模型水文地質(zhì)概念模型模擬區(qū)地下水總體由西北流向東南；北部邊界為宿北斷裂是一隔水斷裂，斷裂阻隔了巖溶水和孔隙水之間的水力聯(lián)系，作用阻隔了北區(qū)巖溶水與南區(qū)孔隙水的水力聯(lián)系，因此是隔水邊界。東西南部邊界為宿州市規(guī)劃區(qū)區(qū)域邊界，均為透水邊界。淺層水水力坡度1/5500～1/6500；深層水比淺層水稍小，逕流緩慢穩(wěn)定，故可處理成二類流量邊界。地下水數(shù)學模型的建立三維、非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)定流

地下水流數(shù)值模型1.本文主要用GMS中MODFLOW模塊2.網(wǎng)格剖分研究區(qū)面積約690Km2，根據(jù)模擬區(qū)含水層的結(jié)構(gòu)和地下水滲流特征，將計算域在垂向上分為3層，平面上各層按Δx=Δy=200m的網(wǎng)格剖分。時間步長為30d。初始條件1993年淺層含水層等水位線圖1993年深層含水層等水位線圖含水層參數(shù)分區(qū)及初步選取淺層含水層組滲透系數(shù)及給水度分區(qū)圖深層含水層組滲透系數(shù)及彈性釋水系數(shù)分區(qū)源匯項1.降雨入滲降水入滲系數(shù)與降水量、潛水水位埋深和包氣帶巖性有關(guān)。全區(qū)年降水量變化不大，但是降水入滲系數(shù)存在著分區(qū)分帶的差異，下圖為按降水入滲系數(shù)大小分區(qū)源匯項降雨入滲系數(shù)農(nóng)灌地下水灌溉回滲量計算公式為：

其中：——灌溉回滲量(m3/a)；

——灌溉模數(shù)(m3/a*km2)；

——灌溉區(qū)面積（m2

）；

——耕地比率系數(shù)；

——灌溉回滲系數(shù)源匯項QqFba=***灌溉Q灌溉qFba河流補給量及河流排泄計算公式：

其中：——河流補給或排泄量(m3/a)

——河流側(cè)滲系數(shù)(m/d)；

——河流側(cè)滲帶寬度(m)；

——平均水力坡度；

——河流側(cè)滲帶長度；——補給時間(d)；側(cè)向徑流補給量和側(cè)向徑流排泄計算公式：

其中：——側(cè)向徑流量(m3/a)；

——側(cè)向徑流邊界水力坡度；——垂直地下水流向的徑流帶寬度——含水層導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；QKBLJt=河流Q河流KBJLtQJLT=側(cè)Q側(cè)TLJ源匯項蒸發(fā)強度潛水年蒸發(fā)強度主要取決于包氣帶巖性、地下水埋深及相應(yīng)時間水面蒸發(fā)強度。根據(jù)查區(qū)不同地段地下水長期觀測資料，采用阿維利楊諾夫經(jīng)驗公式進行計算。源匯項模型識別過程主要是對模型參數(shù)進行調(diào)整，通過反復(fù)試算調(diào)整模型參數(shù)使識別期模型計算結(jié)果與實際均衡結(jié)果接近。（1）區(qū)域流場；（2）動態(tài)長觀孔監(jiān)測資料；(3)模擬計算的水資源量與長期監(jiān)測水量計算結(jié)果吻合。選用1993年1月至2003年12月為模擬時間段，該時段內(nèi)區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料和各種源匯資料及2003年水位等值線為依據(jù)進行模型的識別模型識別水位動態(tài)擬合誤差基本保證在2m以內(nèi)。這與流場擬合誤差范圍相同。模型識別模型識別

模型識別期地下水均衡結(jié)果對比表（單位萬m3/11a）-2.8-4791.2178363.7173272.5合計-0.3-1103960039490深層地下水3.34401337813618淺層地下水人工開采量-4.1-5121.2125285.7120164.5蒸發(fā)量排泄項-3.2-5518.4178352.3172833.9合計-5-24508484側(cè)向補給量0.56.61445.41452河流補給量808灌溉入滲補給量3.46100.9176998.9170090降雨量補給項%誤差數(shù)值模擬計算值水均衡法計算值均衡要素

模型識別

0.129160.0014100.0338

0.17150.001290.12107

0.022140.000750.1960.00460.035130.000460.03550.000220.046120.000250.03340.000750.022110.007100.1930.00190.077100.00270.121020.001450.02290.00290.0771彈性釋水系數(shù)滲透系數(shù)給水度滲透系數(shù)區(qū)彈性釋水系數(shù)滲透系數(shù)給水度滲透系數(shù)區(qū)第三層第一層分第三層第一層分模型識別

模型的檢驗以2003.12至2006.12月作為模型驗證時期，共計36個時段。以2003年統(tǒng)測的地下水流場作模型驗證的初始流場模型檢驗期觀測孔水位動態(tài)擬合曲線圖4-162006年淺層含水層水位擬合曲線(實線為實測值，虛線為計算值)圖4-172006年深層含水層水位擬合曲線(實線為實測值，虛線為計算值)模型的檢驗

均衡要素水均衡法計算值數(shù)值模擬計算值誤差%補給項降雨量47362.549057.03-1474.17-3.1灌溉入滲補給量220.36河流補給量396414.46-18.46-4.66側(cè)向補給量132140.56-8.56-6.48合計48110.8649612.04-1501.19-3.12排泄項蒸發(fā)量31772.1433163.09-1390.95-4.38人工開采量淺層地下水37143829.74-115.74-3.12深層地下水1277012652.99117.010.92合計48256.1449645.81-1389.68-2.88模型的檢驗

模型可靠性分析1、識別模型模擬結(jié)果的宏觀效果與區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件、動態(tài)觀測結(jié)果基本一致，反映出數(shù)值模型對于實際模型有良好的相似性，保證了模型預(yù)測的可靠性。2、模型調(diào)參期間，將流場與水均衡分析結(jié)果結(jié)合起來，對水力梯度場進行了對比，減少了調(diào)參的自由度，保證了調(diào)參結(jié)果準確性。3、模型求參結(jié)果與鉆孔抽水所確定的參數(shù)基本接近。綜上所述，從觀測孔水位動態(tài)、流場和均衡量對比等三個方面看，觀測孔擬合精度相對較高，水力梯度場宏觀效果較好，模型計算的均衡量與均衡法得到的結(jié)果相差不大，模型識別得到的水文地質(zhì)參數(shù)值及參數(shù)分區(qū)與水文地質(zhì)條件基本相符，能夠反映區(qū)內(nèi)地下水流動系統(tǒng)特征，具有較高的仿真性。因此，可以用上述模型對區(qū)內(nèi)地下水開采方案進行模擬預(yù)測。預(yù)測方案設(shè)計（一）新水源地位置選擇含水層的富水性地段，充足良好的補給來源。遠離原有的取水點減少相互干擾。選在遠離城市，遠離已污染地表水體地段；上部有穩(wěn)定隔水層分布的在含水層地段綜合以上條件，宿州市新水源地選取城區(qū)偏西北部新水源地選在富水性強的西二鋪附近。開采井的布置方案

宿州市現(xiàn)階段地下水開采處于穩(wěn)定階段，但城區(qū)中心水位過低。針對開采現(xiàn)狀提出以下3種方案：1.現(xiàn)有開采水源井位置不變開采量增加50%。2.現(xiàn)有開采水源井不變，同時在水源地研究區(qū)西北部增設(shè)開采井，總開采量約15萬m3/d。3.現(xiàn)有開采水源井不變，同時在水源地研究區(qū)西北部增設(shè)開采井，總開采量約20萬m3/d。模型預(yù)測

預(yù)測模型的各項參數(shù)參照上文模型識別檢驗的結(jié)果，預(yù)測時段選用2006年1月-2020年12月，時間步長為90天，以2006年年平均流場作為模擬的初始流場。大氣降水量在時間和空間上分布都極為不均，由此，采用多年平均降水量作為預(yù)測期各年的降水量，年內(nèi)每月的的變化也按多年統(tǒng)計平均的的比例賦值于模型開采量在現(xiàn)有開采基礎(chǔ)上按開采方案以定開采量輸入模型。其它源匯項數(shù)據(jù)，按照檢驗?zāi)Ｐ徒o出。三種方案得到的預(yù)測水位在模擬的15年時間內(nèi)都呈下降的趨勢，下降最嚴重的地方是城區(qū)，三種方案水位分別下降23m、10m和20m。深層含水層漏斗中心水位歷時曲線圖模型預(yù)測從水均衡計算結(jié)果看側(cè)向補給量及河流補給量隨開采量的增大而增大，蒸發(fā)量依舊是主要排泄項。三種方案均處于負均衡。方案二補給項與排泄項相差較小，基本保持平衡。增加開采量在短期內(nèi)必然會消耗含水層儲存量，長期開采將造成含水層的枯竭。三種預(yù)測方案2020年水均衡表單位：萬m3/a-1959.37-278.93281-989.172745均衡差-19983.6-18156.175-18273.59701合計-7297.07-5500.6335-5321.35045深層地下水-1405.84-1405.844-1423.328585淺層地下水人工開采量-11280.7-11249.698-11328.91797蒸發(fā)量排泄項18024.2317877.242617184.42426合計789.8412708.561523339.8412006側(cè)向補給量835.1049767.396287485.1048819河流補給排泄量16399.2816401.284716359.47818降雨量及灌溉入滲補給量補給項方案三方案二方案一均衡要素

模型預(yù)測

結(jié)論1.經(jīng)過系統(tǒng)收集宿州市的氣象、水文、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)和地下水開發(fā)利用狀況等資料，查明研究區(qū)第四紀地質(zhì)及地下水系統(tǒng)的空間分布與結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)水文地質(zhì)資料分析將研究區(qū)概化為3層，中間有1個弱透水層。含水層的上邊界為潛水面；四周邊界均處理為流量邊界；下邊界為第三系頂部的厚層灰綠色粘土，局部為膠結(jié)、半膠結(jié)狀泥巖、隔水性能好，因此也處理成為隔水邊界。含水層間通過垂向滲透系數(shù)進行水量交換。將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為空間三維、非均質(zhì)各向異性、非穩(wěn)定的地下水流系統(tǒng)概念模型。3.建模過程中首先選擇1993年的資料建立了地下水流模型，通過調(diào)參識別了潛水含水層的給水度和承壓含水層儲水系數(shù)；模型識別的含水層參數(shù)滲透系數(shù)范圍在為2-10m/d，給水度范圍在0.02-0.15內(nèi)，彈性給水度值在0.0002-0.0014；輸入模型的補給項包括：降雨入滲、西面的側(cè)向徑流補給、灌溉回滲和河流入滲等；排泄項包括：人工開采、潛水蒸發(fā)、北東邊界流出等。4.運用2003年的資料輸入模型進行了模型的驗證，計算結(jié)果與地下水位觀測結(jié)果相差最大不超過2m。所建立的宿州市地下水流數(shù)值模型能夠反映研究區(qū)含水層水流運動特征，因此可用此模型來做不同開采方案下的地下水流場預(yù)測。5.通過水均衡法計算宿州市多年平均地下水資源補給資源量為15781.77萬m3/a，排泄資源量為15823.47萬m3/a；數(shù)值法計算多年平均補給資源量為16283.17萬m3/a，排泄資源量為16286.39萬m3/a。蒸發(fā)為主要排泄方式，約占排泄量的60%。6.針對宿州市水資源開采現(xiàn)狀及供需狀況設(shè)計3種開采方案，通過模型對3種開采方案的預(yù)測得出如下結(jié)論：3種方案得到的預(yù)測水位在模擬的15年時間內(nèi)都呈下降的趨勢，下降最嚴重的地方是城區(qū)下降水位粉分別為23m，11m和20m，三種方案綜合比較，為不至于由于開采地下水使水位下降引起各種地質(zhì)環(huán)境問題，建議今后不應(yīng)增加原水源地的開采量，如需增加開采量需增設(shè)新水源地，可采取第二種開采方案開采。結(jié)論

建議1.蒸發(fā)為研究區(qū)地下水主要排泄方式，約占排泄量的60%。但由于淺層水單井出水量較小不宜集中開采?？煽紤]增加淺層地下水的面狀開采，增大淺層地下水埋深減少有效增發(fā)量。2.本文所設(shè)開采方案僅考慮增加開采量，沒有考慮增加補給量的開采方案。在增加開采井時同時可考慮增加回灌井，或以原來部分水源井改為回灌井，以增加補給量。3.本文大部分參數(shù)都是由前人研究成果得來，下一步應(yīng)直接獲取第一手資料。4.由于資料有限，所建宿州市規(guī)劃區(qū)模型范圍較小，當取水量稍大時，對整體流場都會產(chǎn)生較大影響，因此在開采方案預(yù)測時本文僅能在開采區(qū)周邊把握流場變化趨勢。下一步工作應(yīng)擴大研究區(qū)范圍。5.建立模型的過程中，由于缺少河流水位動態(tài)資料，對河流刻畫較為粗略，為了模型能夠更加真實反映研究區(qū)特征，建議今后對河流資料應(yīng)充分收集。應(yīng)用研究地下水開采引起的環(huán)境問題（1）地面沉降（2）開采深層水引起淺層水位下降（3）淺層水位下降導(dǎo)致的地下水污染7.3嘉興垃圾填埋場地下水溶質(zhì)運移模型總體目標查明長江三角洲地區(qū)典型垃圾填埋場地下水污染現(xiàn)狀，并建立相應(yīng)的地下水污染數(shù)值模型；研究不同地質(zhì)背景條件的垃圾場地下水有機污染物遷移演化特征及其影響因素；建立地下水污染綜合評價方法；建立地下水防污性能評價指標體系。研究區(qū)概況

如圖，在地圖東南角，垃圾場傍水而建，東、西、南三面都靠臨河流。填埋場垃圾平均堆放高度約20m，整個地區(qū)高程在4.2m到2.0m之間。潛層含水層由巨厚型粘性土組成，區(qū)內(nèi)無大型水源地開采，淺層地下水的開采主要來自于當?shù)鼐用竦纳钣盟?，開采量較小，特別是近幾年來，由于地下水污染加重而不能繼續(xù)用來飲用，對淺層地下水的抽取量則更小。嘉興垃圾填埋場的基本情況

由于該垃圾填埋場不是實際意義上的垃圾衛(wèi)生填埋場，它沒有底部、側(cè)部和頂部的防護系統(tǒng)，沒有隔絕氧氣的進入，降雨比較容易滲入垃圾場中，使?jié)B濾液的量增大，組分變化復(fù)雜。由于垃圾場直接位于第四系粘性土之上，與地下含水層之間沒有穩(wěn)定的隔水地層的存在，所以，垃圾滲濾液滲透進入地下水中，使地下水遭受污染。嘉興垃圾填埋場的基本情況2006年9月2007年12月湖州松鼠嶺垃圾填埋場的基本情況

湖州垃圾填埋場位于市區(qū)西北部楊家埠松樹嶺，距市區(qū)10公里。填埋場靠王母山，面對104國道，其原始地形為東、北、西三面高、向南敞開的山坳。

湖州垃圾填埋場2000年5月份動工建造，2001年8月竣工投入使用，總投資6350萬元。填埋場占地面積15.67公頃，庫區(qū)面積6.32公頃，庫區(qū)總?cè)莘e147萬立方米。設(shè)計使用年限14年，日處理能力470噸。湖州垃圾填埋場的整個區(qū)域高程在2.2m到171.9m之間。周圍土壤為中生界侏羅系上統(tǒng)黃尖組的灰色含礫晶屑熔結(jié)灰?guī)r風華后的黃褐色粘土。為防止?jié)B濾液直接流入填埋場下方的小溪，在填埋場下方挖有污水池，通過導(dǎo)流以收集滲濾水。區(qū)內(nèi)無大型水源地開采，淺層地下水的開采主要來自于當?shù)鼐用竦纳钣盟_采量較小，特別是近幾年來，由于地下水污染加重而不能繼續(xù)用來飲用，對淺層地下水的抽取量則更小。湖州松鼠嶺垃圾填埋場的基本情況嘉興垃圾填埋場概況圖及布置鉆孔位置嘉興垃圾填埋場附近鉆探取樣孔嘉興垃圾填埋場剖面圖圖地形測量

為了準確的掌握嘉興垃圾填埋場附近的地形地貌，為垃圾滲濾液在地下水中的遷移數(shù)值模擬提供精確的的地形數(shù)據(jù)。于2007年12月5號項目組利用全站儀，對嘉興垃圾填埋場周圍的地形進行了測量。采樣測試第一次于2007年10月，主要采集了兩個垃圾填埋場（嘉興與湖州松鼠嶺）的滲濾液，共六組，用于對比2006年的有機測試結(jié)果及增加測試的連續(xù)性。測試在國土資源部武漢監(jiān)督檢測中心進行。第二次采樣于2007.11.30-2007.12.10進行，共采集有機樣19組，無機樣24組，其中嘉興垃圾填埋場有機樣16組、無機樣各21組，湖州松鼠嶺垃圾填埋場有機樣與無機樣各3組（測試結(jié)果見附件）。第三次采樣于2008.3.19-2008.3.25，共采集有機、無機樣各25組。2006年嘉興采樣點分布2007年嘉興采樣點分布嘉興無機物檢測情況分析--Cl-1

總的來說，Cl-最忠實的記錄著垃圾場滲濾液對地下水及地表水的污染程度，且規(guī)律性較明顯，靠近污染源的井點濃度值較高，遠離污染源的井點濃度值較低，沒有超標。嘉興總硬度與溶解性檢測情況分析

垃圾填埋場對周圍地區(qū)地下水的污染是主要的污染源，且通過總硬度的數(shù)據(jù)可以說明，除了垃圾滲濾液的影響外，生活污染、工業(yè)廢水的排放都有很大的關(guān)系，這些污染共同作用使得這一地區(qū)地下水化學類型復(fù)雜，是地下水污染的嚴重區(qū)。嘉興無機物檢測情況分析--三氮

三氮的濃度也反應(yīng)了該區(qū)域的污染狀況，該區(qū)域地下水三氮的濃度都出現(xiàn)不同程度的超標，地下水中NO3-的檢測值差別很大，范圍在0.64-130mg/L，超標率最高，達到58.3%，NO2-、NH4＋的檢測值范圍分別在<0.004-1.66mg/L和0.06-1.0mg/L，超標率分別為25%和8.2%。而第二次檢測值都較第一次低。在垃圾滲濾液中，三氮濃度大小為NH4＋>NO3->NO2-，而在地下水中，三氮濃度大小為NO3-》NH4＋和NO2-，且硝酸鹽的超標率最高，亞硝酸鹽次之，氨氮最低。第二次和第三次的檢測值較低可以說明靠近垃圾填埋場的淺層地下水氮污染主要是由垃圾滲濾液造成的，而遠離垃圾場污染源的淺層地下水氮污染主要是由居民人為污染造成的。嘉興無機物檢測情況分析—重金屬元素

該地區(qū)三次地下水水樣檢出重金屬有：Fe、Mn、Zn、Cd、Pb、Cr6+等，檢出結(jié)果表明：垃圾場附近的地下水中重金屬含量要高于距離垃圾場稍遠處，這說明垃圾場附近區(qū)域的地下水已經(jīng)受到滲濾液重金屬的污染，以、Fe、Mn較明顯。

部分嘉興有機物檢測情況分析

從總體上看，氯代烴的檢出率較高，尤其是氯仿，且分布廣泛，具有面狀分布特征，這可能與多個污染源（垃圾填埋場、排污積水池、排污溝）有關(guān)。2007年11月和2008年3月水樣檢測的氯代烴濃度和檢出率都比2007年1月水樣高，這主要原因可能是采樣點重新布置，且采樣點更靠近垃圾場、污水溝等污染源

由圖3-14可以看出，采樣點BS102的檢出濃度相對較高，主要原因可能是該點是緊鄰垃圾場的地表水樣，垃圾滲濾液隨地表徑流直接進入河流，加上污染物在河流中遷移能力差，溶解度小，主要累積在沉積物中，導(dǎo)致該處的地表水濃度高。部分嘉興有機物檢測情況分析部分有機物濃度分布變化

湖州垃圾場主要有機污染物

的濃度分布特點研究區(qū)水文地質(zhì)條件

嘉興垃圾堆放場處于降雨豐富的杭嘉湖平原上，緊傍河道，且研究區(qū)地下水位埋深淺(<0.5m)，因此堆放場淋濾液與地下水形成統(tǒng)一的水力聯(lián)系。垃圾滲濾液不經(jīng)包氣帶而直接進入地下水中。其淺層（厚度6~10m左右）巖性主要由沖淤積松散砂粉細砂構(gòu)成，滲透性變化較大（0.5~3m/d）。在松散粉砂層下是一厚度約10~20m左右的粘土。模型控制方程地下水流方程地下水污染物運移方程地下水溶質(zhì)運移模型—Cl-由于嘉興垃圾填埋場是一個沒有封閉的垃圾填埋場（2007.8前），降雨直接補給垃圾填埋場，因此此次研究中應(yīng)用分析模型計