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    MODFLOW模擬技術(shù)在水源地保護區(qū)劃分中的應(yīng)用

    2020-01-01 02:28:50張子涵
    水利技術(shù)監(jiān)督 2019年6期
    關(guān)鍵詞:溶質(zhì)運移水源地

    張子涵

    (山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東 泰安 271018)

    水是最重要的資源,人類的一切活動都離不開水的支撐。雖然目前我國已經(jīng)成為全球第二大經(jīng)濟體,但這是在“高能耗、高污染、高排放”基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。據(jù)統(tǒng)計,我國超過90%的城市水域污染嚴重,每年因水污染造成的經(jīng)濟損失高達2400億元。因此在保證各行業(yè)正常運行的前提下,必須做好水源地劃分和保護工作,而目前應(yīng)用較為廣泛的是MODFLOW模擬技術(shù)。

    1 模擬區(qū)域概況

    本文所選擇的模擬區(qū)域位于某市機場附近,劃定模擬區(qū)域尺寸為:長×寬=2km×2km,模擬層數(shù)為3層,從上至下依次為:淺砂層(砂礫含水層)、黏土半透水層、深砂層(砂礫含水層)(模型示意圖如圖1所示)。模擬場的污染源為飛機燃料補充區(qū),保護區(qū)為城市供水水源地,2者中間分布有一個半透水地層。

    圖1 模擬區(qū)域水文地質(zhì)模型(單位:m)

    2 地下水源保護區(qū)劃分方法

    目前,主要依據(jù)水文地質(zhì)條件來劃定地下水源保護區(qū)范圍,需要掌握的資料包括含水層特性、地下水通道、污染物的遷移等。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗和標準,將地下水保護區(qū)分為3級:一級保護區(qū)、二級保護區(qū)和準保護區(qū)[1]。

    (1)一級保護區(qū)。地下水保護區(qū)的主要劃定依據(jù)時地下水運動規(guī)律,當然這些規(guī)律時通過當?shù)厮牡刭|(zhì)條件推斷出來的。相關(guān)規(guī)范規(guī)定:按照地面的細菌和污染物滲透到地下水源所用時間在60d以內(nèi)的區(qū)域統(tǒng)一劃定為地下水源一級保護區(qū)。該區(qū)域是保證地下水安全的最敏感地帶,如果該區(qū)域被污染,則容易造成大范圍地區(qū)缺水問題,該區(qū)域能暫時保證用水安全。

    (2)二級保護區(qū)。在一級保護區(qū)以外的一定范圍內(nèi),將其稱為二級保護區(qū),一般地下水水源的補給區(qū)均分布于該區(qū)域,所以其重要性也很大。污染源通過二級保護區(qū)進入的一級保護區(qū),會在中途的被土壤及水分子的吸附作用稀釋很大一部分,因為對保護水源地安全意義重大。相關(guān)規(guī)范規(guī)定:二級保護區(qū)地下水運移時間范圍一般設(shè)定為10a,在這個范圍內(nèi)的區(qū)域統(tǒng)稱為二級保護區(qū)[2]。

    (3)準保護區(qū)。在二級保護區(qū)以外的一定范圍內(nèi)設(shè)置準保護區(qū),其主要作用是防止污染物過快進入二級保護區(qū),主要保護對象為集水區(qū),范圍內(nèi)采空層地下水流入采空井群。相關(guān)規(guī)范規(guī)定:將污染物在地下水中移動25a的范圍作為準保護區(qū)域范圍[3]。

    3 MODFLOW模擬技術(shù)的應(yīng)用分析

    MODFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局在20世紀80年代開發(fā)的一種用于地下水流數(shù)值模擬的三維有限元分析軟件,采用模塊化原理,可模擬的地下水流場和不同時間水力截流區(qū)來劃分水源保護區(qū)。在此規(guī)定:污染物向水源中心移動100d和1000d的捕獲區(qū)分別設(shè)為一級保護區(qū)和二級保護區(qū),二級保護區(qū)外的地下水補給區(qū)設(shè)為準保護區(qū)。

    3.1 模擬區(qū)域邊界及水文地質(zhì)參數(shù)的確定

    3.1.1模擬區(qū)域邊界確定

    (1)上部含水層。模擬區(qū)的上部含水層為潛水含水層,均值各向同性。南部有河流,設(shè)計南北邊界均為給定水頭邊界,其中南部邊界給定水頭6m,北部邊界給定水頭5.2m。上部含水層的東西部均為流量邊界[4]。

    (2)下部含水層。模擬區(qū)的下部含水層為承壓含水層;均值各向同性;南北為給定水頭邊界,其中南部邊界給定水頭為18m,北部邊界給定水頭為16.5m;東西部方向為給定流量邊界抽水井P1和P2,取水量分別為400、550m3/d。

    3.1.2模擬區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)確定

    將模擬區(qū)剖分為900個有效單元格,每個單元格尺寸為30m×30m,垂向上為3層。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型,設(shè)計第一層為砂巖,第二層為泥巖,第三層為砂巖。其中水文地質(zhì)初始參數(shù)取值見表1,最終確定的溶質(zhì)運移模型參數(shù)見表2[5]。

    表1 區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)取值表 單位:m/d

    表2 溶質(zhì)運移模型參數(shù)表

    3.1.3建立溶質(zhì)運移模型

    (1)調(diào)用MODPATH,在燃料堆放地中投入示蹤劑。進行初始化設(shè)置,定義溶質(zhì)運移的單位。

    (2)對溶質(zhì)運移基本程序進行設(shè)置,包括:溶質(zhì)運移模擬描述、運移程序包選擇、定義組分、溶質(zhì)運移問題描述、模擬期、輸出控制、初始濃度、孔隙度等的定義或輸出[6]。

    (3)在MAP模塊中建立溶質(zhì)運移概念模型,包括:縱向彌散度、孔隙度、補給濃度賦值。其中體積密度為1700kg/m3,補給濃度為500.0mg/L。

    (4)在3D模塊中對于對流彌散程序包進行設(shè)置。定義橫向彌散度與縱向彌散度的比值,垂向彌散度與縱向彌散度的比值。

    (5)將概念模型導(dǎo)入MT3DMS中,模擬運行與結(jié)果查看。

    3.2 模型運行及結(jié)果分析

    3.2.1燃料堆放區(qū)污染物運移情況分析

    模擬區(qū)域附近機場的燃料堆放區(qū)是本項目模擬的主要污染源,水動力場是帶動污染物遷移的主要動力。污染物位于模擬區(qū)的正北方,而水動力場時由北向南分布,因此污染物的運動方向也是逐步向南擴散。在此選取100、1000、7300d三個時間段對污染物擴散區(qū)域進行模擬[7]。

    3.2.2模擬結(jié)果分析

    圖2—3展示了模型運行100、1000、7300d三個不同時段下地下水中污染物的遷移擴散情況。從圖中可知:①污染物的遷移方向逐步由北向東南部擴散,污染源逐步擴大。其中1000d的范圍是100d的1.29倍左右,7300d的范圍是100d的3.26倍左右,見表3;②在地下水稀釋作用下,隨著污染物擴散范圍越廣,最高濃度逐步降低[8]。

    表3 機場燃料堆放區(qū)污染物運移結(jié)果

    圖2 第100d(上)和1000d(下)污染物運移情況

    圖3 第7300d污染物運移情況

    3.2.3模擬區(qū)水源地保護區(qū)劃分

    在此參考《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)劃》,并綜合我國多地區(qū)相似情況的均值,確定水源地一、二級保護區(qū)的降解時間分別為100、1000d[9]。

    本項目利用“示蹤粒子跟蹤法”確定了該模擬區(qū)域地下水運動遷移情景,并以此確定相關(guān)地下水保護區(qū)域,如圖4所示[10],本項目劃定的各保護區(qū)劃分面積見表4。

    表4 水源地保護區(qū)劃分結(jié)果

    圖4 示蹤粒子100、1000d運移軌跡圖

    4 結(jié)語

    水源地保護區(qū)的劃分對于保證當?shù)氐叵滤|(zhì)安全有著重要意義,MODFLOW模擬技術(shù)可以在宏觀上給出污染源在一定時間內(nèi)的擴散范圍,作為理論參考值。MODFLOW模擬技術(shù)的應(yīng)用步驟文章已經(jīng)詳細闡述,其中建立模型是首要步驟,應(yīng)當緊密結(jié)合當?shù)貙嶋H情況。但在此需要特別說明:由于當前模擬技術(shù)是根據(jù)事先給定的限定條件進行演示,因此缺少水文地質(zhì)條件在實際情況中復(fù)雜性和動態(tài)性,并不能完全將模擬結(jié)果作為最終參考對象。本項目區(qū)模擬得到了各級保護區(qū)面積,在實際中還需要修定,但遵循的原則是寧可范圍擴大,也要避免縮小。

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