雨水回灌對深層承壓含水層水質(zhì)影響的模擬研究

李賀強, 邢國平, 王 超

(天津大學(xué) 環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院, 天津 300072)

雨水回灌對深層承壓含水層水質(zhì)影響的模擬研究

李賀強, 邢國平, 王 超

(天津大學(xué) 環(huán)境工程與科學(xué)學(xué)院, 天津 300072)

摘要：[目的] 揭示雨水回灌中污染物在深層承壓含水層中的遷移擴散規(guī)律。[方法] 以常規(guī)指標氯化物(Cl-)為研究對象，針對天津市市區(qū)第Ⅳ承壓含水組，應(yīng)用地下水模擬軟件(groundwater modeling system，GMS)中的MODFLOW和MT3DMS模塊分別進行地下水流場和溶質(zhì)遷移模擬。模擬了4種不同的Cl-質(zhì)量濃度和水量條件對溶質(zhì)運移的影響。[結(jié)果] 當溶質(zhì)質(zhì)量濃度相同時，回灌水量增大4倍，等Cl-濃度面積增大約1.44倍；當回灌水量相同時，溶質(zhì)質(zhì)量濃度增大2倍時，等Cl-濃度面積增大約0.92倍。[結(jié)論] 回灌水溶質(zhì)濃度和回灌水量對Cl-在地下水中的遷移均有一定的影響，而且回灌水量的影響大于溶質(zhì)質(zhì)量濃度的影響；增大回灌水量、減小回灌水溶質(zhì)濃度利于Cl-的遷移擴散。

關(guān)鍵詞：雨水回灌; 流場模擬; 溶質(zhì)運移

天津市長期超量開采地下水，造成地下水位持續(xù)大幅度下降，形成了市區(qū)及近郊區(qū)等幾個下降漏斗，惡化了地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，加劇了地面沉降，誘發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問題。為了解決上述問題，利用雨水回灌進行人工補充地下水是一個新的方向。由于深層地下水的埋藏較深，水文地質(zhì)等檢測勘察資料和手段不夠齊全，試驗和現(xiàn)場研究等都存在著較大的難度，隨著各種地下水模擬軟件的開發(fā)應(yīng)用，對人工回灌地下水水質(zhì)影響的數(shù)值模擬研究也越來越多。張宗文等[1]采用地下水數(shù)值模擬軟件GMS，模擬預(yù)測了北京某地區(qū)面狀污染源對水源地的影響情況。吳昌將等[2]采用軟件Visual Modflow，預(yù)測模擬了呼和浩特及周邊淺層地下水硝態(tài)氮污染的時空變化規(guī)律及趨勢。目前，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究多集中在淺層地下水中污染物的遷移模型，本文運用GMS軟件研究深層低滲透性承壓含水層中污染物的遷移規(guī)律。

1研究背景

1.1　研究區(qū)基本情況

天津市地處華北平原東北部平原區(qū)，松散巖類孔隙水自上而下分為4個含水組，研究區(qū)目標層為天津市區(qū)第Ⅳ含水組，該含水層為承壓含水層。底界深度400～500 m，含水層巖性主要為粉細砂，厚度多在30～40 m，市區(qū)中南部可見中細砂，涌水量在1 000～3 000 m3/d，導(dǎo)水系數(shù)100～300 m2/d，其余地區(qū)涌水量在500～1 000 m3/d，導(dǎo)水系數(shù)50～200 m2/d，滲透性較差。該含水層也是市區(qū)及近郊的主要開采層，處于超采狀態(tài)，雖然與其他含水層比，第Ⅳ含水組的開采量要小得多，但由于補給條件差，水位持續(xù)下降，在其周圍形成了較大的水位下降漏斗，該含水層承壓水等水位線為-70～-90 m[3]。

1.2　雨水回灌地下水的可行性

隨著水資源的進一步短缺，雨水再利用成為研究熱點。雨水一般具有雨量大，降雨季節(jié)集中等特點，以天津市為例，統(tǒng)計該市1985—2012年的月降水量，求得多年來各月份的平均降雨量，計算各月降水量占全年降水量的百分比。天津市7月占全年降雨量的百分比最大，為27.5%，7月平均降雨量為140.4 mm；8月份次之，平均降雨量為124.4 mm，占全年降雨量的24.3%；再次之是6月份，占全年降雨量的17.1%。天津城區(qū)道路雨水徑流的污染物包括無機陰離子、重金屬、有機污染物、營養(yǎng)鹽等，其中氯化物的平均濃度為27.88 mg/L[4]。Cl-性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)變化，較難被吸附，很難被微生物分解，選擇Cl-作為示蹤離子是比較理想的。對于水資源嚴重短缺的天津，將雨水處理達標后進行人工回灌補充地下水具有一定的必要性和可行性。

1.3　GMS軟件介紹

GMS(groundwater modeling system)是由美國Brigham Yung University的環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗站在綜合Modflow，MT3DMS，Modpath，F(xiàn)emwater，RT3D，UTCHEM，SEAM3D等已有模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個綜合性的，用于地下水模擬的可視化地下水模擬軟件包。本研究中主要用GMS中的Modflow建立天津市第Ⅳ承壓含水組的流場模型，在該模擬流場基礎(chǔ)上運用MT3DMS軟件建立Cl-運移模型，在具有多種類型邊界和外部源匯項，考慮對流、彌散等情況下，模擬地下水中Cl-的濃度變化，著重分析回灌雨水中的污染物濃度和水量對污染物在地下水中遷移的影響，以期提高回灌水在低滲透性承壓含水層中的遷移體系的認識。

2地下水流場模擬

2.1　模型概化

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和地層巖性，將目標區(qū)地下水系統(tǒng)概化成一層承壓含水層，根據(jù)多年水位觀察資料，該研究區(qū)地下水的動態(tài)變化較穩(wěn)定，可將目標區(qū)地下水系統(tǒng)概化為平面二維穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)。

研究區(qū)含水組上邊界和下邊界無越流量，概化為不透水層。研究區(qū)邊界不是天然邊界，根據(jù)其與邊界地區(qū)的流量交換，概化為通用水頭邊界。

2.2　水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料和前人研究成果及經(jīng)驗，將含水層滲透系數(shù)分為多個區(qū)。根據(jù)各個分區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)概況，給各個分區(qū)的水平滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等分別賦予適當?shù)某跏贾礫3,5]。

2.3　模型校核

模型校核是地下水數(shù)值模擬中重要的環(huán)節(jié)，通過不斷改變滲透系數(shù)、釋水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，重復(fù)計算，直到觀測點計算結(jié)果與觀察結(jié)果的差控制在可以接受的范圍內(nèi)。由于實際地質(zhì)條件比較復(fù)雜，為了達到研究目的，建立模型時必然要提取主要影響因素，弱化甚至忽略部分次要因素，因此可能導(dǎo)致模型參數(shù)和實際地質(zhì)參數(shù)不一樣，這是理論研究允許的，但是模型參數(shù)應(yīng)規(guī)范在一定的范圍內(nèi)，其變化趨勢和實際地質(zhì)參數(shù)應(yīng)一致[6]。建立模型經(jīng)過模型校核后，8個觀測井中觀測值和水頭計算值偏差在1 m以內(nèi)的觀測點有7個，占總數(shù)的87.5%，最大偏差率為2.1%，擬合效果較好。觀測孔水位擬合見圖1。由圖1可知，水流模型與觀測孔所得到的地下水動力特征基本吻合，說明該水流模型具有較高的精密度。

圖1　觀測井水位擬合圖

模型校正后，彈性釋水系數(shù)取0.000 6～0.000 8，水平滲透系數(shù)根據(jù)不同分區(qū)取值為1~16，均為有效合理范圍，且參數(shù)分區(qū)及遞變規(guī)律基本符合實際水文地質(zhì)情況,，開采用水較為分散，利用Recharge模塊將其以面狀補排形式給出，入滲速率為-0.000 014。

3運移模擬

3.1　數(shù)學(xué)模型的建立

描述三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)中k組分污染物的存在時間和運移的偏微分方程為：

(1)

C(x,y,z,t)=c0(x,y,z,t)(在Ω上)

(2)

式中：C(x,y,z,t)——溶質(zhì)的濃度分布；c0(x,y,z,t)——已知的濃度分布； Ω——整個模型區(qū)域。

溶質(zhì)運移模型以第2節(jié)所得的水流數(shù)值模擬模型為基礎(chǔ)，同時考慮模擬單元溶質(zhì)濃度是隨時間變化的，所以模型建立為平面二維非穩(wěn)定流模型，無垂向模擬。Cl-作為示蹤離子，其本身性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)變化，較難被吸附，很難被微生物分解，在Cl-運移過程中的對流與彌散起主要作用，不考慮Cl-在含水層中的吸附、生物降解等作用，因此式(1)偏微分方程中略去化學(xué)反應(yīng)項。

3.2　參數(shù)的確定

研究對象選取人工回灌地下水水質(zhì)控制中的基本控制項目中的氯化物(Cl-)。由于目標層為第Ⅳ承壓含水層，采用井灌的方式將處理后的雨水回灌給目標層。將該注水井作為一個Cl-遷移的點源，點源外的Cl-濃度為220.68 mg/L[7-8]。模擬過程中秉承污染最大化、危害最大化的原則，取天津市Cl-濃度的平均最高值27.88 mg/L和該值的2倍(即55.76 mg/L)作為入滲初始質(zhì)量濃度[4]，以確定可能出現(xiàn)的最大危害情況[9]。根據(jù)相關(guān)研究，孔隙度取0.30，縱向彌散度和橫向彌散度分區(qū)取40和8 m[10-11]。

為了研究回灌水量對地下水水質(zhì)的影響，分別取回灌水量為100和400 m3/d。研究區(qū)地下水流場模型是用2011年的鉆孔資料校核的，校核后的模型參數(shù)可直接用于溶質(zhì)運移模擬[7]。

3.3　模擬結(jié)果與分析

在Cl-運移模型中，分別按以下條件模擬溶質(zhì)運移情況，假設(shè)在3 000 d的時間內(nèi)，Cl-以該質(zhì)量濃度持續(xù)補給地下水。

(1) 回灌雨水的Cl-質(zhì)量濃度為27.88 mg/L，回灌水量為100 m3/d。3 000 d后的地下水中Cl-質(zhì)量濃度分布情況見圖2a。

(2) 保持回灌溶質(zhì)濃度不變，回灌水量為400 m3/d。模擬后地下水中Cl-質(zhì)量濃度分布情況見圖2b。

圖2　3 000 d后回灌井周圍地下水中Cl-質(zhì)量濃度等值線

(3) 回灌雨水的的Cl-質(zhì)量濃度為55.76 mg/L，回灌水量為100 m3/d，3 000 d后的地下水中Cl-質(zhì)量濃度分布情況見圖2c。

(4) 保持回灌溶質(zhì)濃度不變，回灌水量變?yōu)闉?00 m3/d。模擬后地下水中Cl-質(zhì)量濃度等值線見圖2d。

回灌井以外的Cl-濃度背景值為220.68 mg/L。由圖2可知回灌區(qū)Cl-濃度隨著距離回灌井距離的減小而減小，說明該回灌雨水對第Ⅳ含水組的氯化物濃度具有稀釋作用，有利于改善原地下水水質(zhì)。

已知回灌井西南方向(即回灌井的左下角方向)水頭較低，地下水中Cl-污染羽在回灌井的西南方向分布較廣，說明通過深井回灌的雨水主要向地下滲流場中水頭較低的方向運動。由于導(dǎo)水系數(shù)、水力坡度等較小，回灌雨水運動速度較慢，擴散范圍較小，回灌水中的Cl-在該深層注水井中3 000 d后大約遷移了570～630 m，這與Li等[12]在澳大利亞佩思設(shè)計的儲水層恢復(fù)系統(tǒng)(ASR)的研究結(jié)論類似。

3 000 d后等Cl-質(zhì)量濃度為220.280 mg/L時，情況1，2，3，4中回灌水影響面積分別為：305 000，437 500，280 000和405 000 m2。當溶質(zhì)質(zhì)量濃度相同時，回灌水量增大4倍，等Cl-濃度面積增大約1.44倍；當回灌水量相同時，溶質(zhì)質(zhì)量濃度增大2倍時，等Cl-濃度面積增大約0.92倍。說明回灌水量增大有助于回灌水在地下水中的遷移擴散，當回灌水溶質(zhì)濃度增大時，由于回灌水中Cl-濃度與原地下水中Cl-濃度的差值減小了，Cl-濃度差的減小抑制了其在地下水中的彌散作用。回灌水溶質(zhì)質(zhì)量濃度和回灌水量對Cl-在地下水中的遷移均有一定的影響，其中，回灌水量的影響大于溶質(zhì)質(zhì)量濃度的影響。

4結(jié) 論

(1) 回灌區(qū)Cl-濃度隨著距離回灌井距離的減小而減小，說明利用雨水回灌地下水不僅可以從水量上補充地下水，而且可以稀釋天津地下水中的氯化物濃度，利于改善原地下水水質(zhì)。

(2) 在3 000 d的模擬期內(nèi)，通過深井回灌的雨水主要向地下滲流場中水頭較低的方向運動，由于導(dǎo)水系數(shù)、水力坡度等較小，回灌雨水運動速度較慢，污染羽最遠處距回灌井約570～630 m，擴散范圍較小。低Cl-濃度主要分布在回灌井附近，220.280 mg/L等濃度線覆蓋約437 500 m2，217.382 mg/L等濃度線覆蓋大約227 500 m2，占220.280 mg/L等濃度線區(qū)域的52.00%；205.788 mg/L等濃度線覆蓋大約115 000 m2，占220.280 mg/L等濃度線區(qū)域的26.29%。

(3) 回灌水溶質(zhì)質(zhì)量濃度和回灌水量對Cl-在承壓含水層中的遷移均有一定的影響，其中，當溶質(zhì)質(zhì)量濃度相同時，回灌水量增大4倍，等Cl-濃度面積增大約1.44倍；當回灌水量相同時，溶質(zhì)質(zhì)量濃度增大2倍時，等Cl-濃度面積增大約0.92倍，可見回灌水量的影響大于溶質(zhì)質(zhì)量濃度的影響。增大回灌水量、減小回灌水溶質(zhì)濃度利于Cl-的遷移擴散。

(4) 在回灌井附近的污染羽中，Cl-隨回灌水在地下含水層遷移擴散，隨著雨水回灌的持續(xù)進行，Cl-影響范圍越來越大，考慮到回灌水中其他污染物的影響，選擇回灌地點時應(yīng)避開以地下水為水源的區(qū)域。

(5) 由于目標含水層補給條件和滲透性較差，雖然地下水對回灌雨水有稀釋作用，但作用非常緩慢，為防止回灌水污染地下水，應(yīng)該進一步根據(jù)水文地質(zhì)情況的不同制定更加嚴格的回灌水質(zhì)標準。

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Simulation Study on Effects of Stormwater Recharge on Deep Confined Aquifer Water Quality

LI Heqiang, XING Guoping, WANG Chao

(SchoolofEnvironmentScienceandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract：[Objective] To analyze the contaminant transport of stormwater recharge in deep confined aquifer.[Methods] The groundwater flow modeling and solute transport simulation were studied by the Modflow and MT3DMS, which are two modules of groundwater modeling system (GMS), in the fourth confined aquifer of Tianjin City. And chloride ion(Cl-), a common index, was used as object of the study. Four different kinds of the mass concentrations of Cl-and the amounts of recharge water were simulated and analyzed. [Results] When the amount of recharge water increased 4 times and the solute concentration remained constant, the area of certain Cl-concentration in the groundwater would increases 1.44 times; when the solute concentration increased 2 times and the amount of recharge water remained constant, the area of certain Cl-concentration in the groundwater would increases 0.92 times. [Conclusion] Both the amount of recharge water and the mass concentration influence the transportation of Cl-obviously, and the influence of the former tends to be greater than the latter. Meanwhile, either increasing the amounts of recharge water or reducing the solute concentrations are conducive to transferring and diffusing of Cl-.

Keywords:stormwater recharge; flow field simulation; solute migration

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0139-04

中圖分類號：P641.8

收稿日期：2014-01-01修回日期：2014-03-04

資助項目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“城市綠色發(fā)展生態(tài)技術(shù)研究與示范”(2012BAC13B00)

第一作者：李賀強(1988—), 男(漢族),河北省保定市人,碩士研究生,研究方向為城市雨水資源化。E-mail:liheqiangll@163.com。