VisualMODFLOW在地下水模擬中的應用

賈春玲 張 哲

VisualMODFLOW是目前國際上最流行且被各國一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)，該軟件由Modflow(水流評價)、Modpath(平面和剖面流線示蹤分析)和MT3D(溶質運移評價)3大部分組成,并且具有強大的圖形可視界面功能。近年來，超采地下水和水質污染逐漸引起人們的重視，如何應用科學有效的方法處理地下水污染，對于地下水的污染防治有著極其重要的作用，本文即運用VisualMODFLOW軟件模擬廣平縣某污水處理廠項目對地下水污染問題。

1. 研究區(qū)概況

項目區(qū)位于廣平縣漳河沖洪積扇的扇間地帶，占地50畝，區(qū)內大部分用地為平原，規(guī)劃范圍內的現(xiàn)狀用地整體為西南高東北低的地勢，海拔在41.20～42.70m，整體地勢較為平坦。

2. 地下水污染數(shù)值模擬

水是溶質運移的載體，地下水流場是溶質運移模擬的基礎，在溶質運移模擬前，需先建立模擬區(qū)地下水流場模型。

2.1 地下水流數(shù)值模型的建立

根據(jù)計算區(qū)的水文地質特征，將計算區(qū)潛水含水層概化為非均質各向同性、具有通用水頭邊界的平面二維非穩(wěn)定流地下水水流模型。

為了建立地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，對計算區(qū)進行剖分。在模擬計算區(qū)的平面上采用矩形網(wǎng)格60×66剖分，共剖分網(wǎng)格單元3960個，計算區(qū)范圍內全部為有效單元格。計算區(qū)內潛水的主要補給來源為降水入滲和上游邊界側向徑流。排泄方式以分散的人工灌溉開采為主，其次為向下游的側向徑流。地下水水位動態(tài)變化受大氣降水以及農灌開采影響顯著。

本次模擬期選為2012年11月～2013年7月。

2.2 模型的識別與驗證

模型的識別與驗證過程是整個模擬中極為重要的工作，需在反復修改參數(shù)和調整某些源匯項基礎上才能達到較為理想的擬合結果。此模型的識別與檢驗過程采用的方法為試估—校正法，屬于反求參數(shù)的間接方法之一。參數(shù)選取見表1。

表1 潛水含水層水文地質參數(shù)取值表

2.3 地下水污染模擬預測

一是溶質運移數(shù)學模型。

地下水中溶質運移的數(shù)學模型可表示為：

式中：

ρb—介質密度，mg/(dm)3；

θ—介質孔隙度，無量綱；

C—組分的濃度，mg/L；

t—時間，d；

x，y，z—空間位置坐標，m；

Dij—水動力彌散系數(shù)張量，m2/d；

Vi—地下水滲流速度張量，m/d；

W—水流的源和匯，1/d；

Cs—組分的濃度，mg/L。

聯(lián)合求解水流方程和溶質運移方程即可獲得污染物空間分布關系。

由于水動力彌散尺度效應的存在，難以通過野外或室內彌散試驗獲得真實的彌散度。因此，本次模擬參考前人的研究成果，取彌散度參數(shù)值取10。

二是地下水污染預測設定。

結合本項目實際情況，確定污水廠進水口處位置為模擬泄露點。地下水污染主要預測情景設定兩種：污水處理點正常工況無防滲情景；污水處理點正常工況有防滲情景。根據(jù)現(xiàn)場調查和地下水水質分析，選擇COD作為特征污染物。

3. 模擬結果分析

3.1 污水處理點正常工況無防滲措施情景預測

此情景條件下的地下水污染模擬結果見圖1～圖4和表2。

圖1 5年影響預測圖

圖2 10年影響預測圖

圖3 15年影響預測圖

圖4 20年影響預測圖

表2COD正常工況泄漏無防滲措施條件下潛水含水層影響范圍表

3.2 污水處理點正常工況有防滲措施情景預測

有防滲措施，污染物僅通過防滲層破損點滲漏，進入地下水的污染物總量急劇減少，正常有防滲條件下廠區(qū)下游邊界100m處地下水污染模擬預測結果見圖5。況采取防滲措施條件下，地下水污染程度明顯減弱，含水層中各污染物的最大濃度均未超過地下水質量標準。

圖5 COD濃度預測曲線預測結果表明，污水處理點正常工

4. 結論

由預測結果可知，污染物在水動力條件作用下由西南向東北方向運移，污染物在運移過程中隨著地下水的稀釋作用，濃度在逐漸降低。正常工況無防滲措施的情況下，由于污染源的持續(xù)存在，對地下水環(huán)境造成長時間的污染，且污染范圍逐漸擴大；正常工況有防滲措施的情況下，滲入地下水中污染物的含量較少，且隨著污染物在運移的過程中地下水的稀釋作用，濃度逐漸降低，對地下水環(huán)境產(chǎn)生影響較??；增加防滲設施后能有效地降低對地下水環(huán)境的影響。

總之，VisualMODFLOW數(shù)值模擬方法在實際地下水環(huán)境影響評價中具有較高的科學性和可操作性，可以作為一種科學工具廣泛應用于類似項目，這也是該領域的一種發(fā)展趨勢。