地下水污染物運移數(shù)值模擬研究及應(yīng)用綜述

金云龍，邱錦安，劉遠鋒，邱耿彪，曾凡龍

(1.廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東 廣州 510510；2.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

地下水污染物運移數(shù)值模擬研究及應(yīng)用綜述

金云龍1，邱錦安2，劉遠鋒1，邱耿彪1，曾凡龍1

(1.廣東省水文地質(zhì)大隊，廣東 廣州 510510；2.中山大學地理科學與規(guī)劃學院，廣東 廣州 510275)

[摘要]地下水污染已成為當今全球關(guān)注的嚴重環(huán)境問題之一。研究地下水污染物運移數(shù)值模擬技術(shù)，對于保護地下水環(huán)境具有重要的理論研究意義和重大的應(yīng)用價值。介紹了主要的地下水數(shù)值模擬方法及常見的軟件平臺，綜述了地下水數(shù)值模擬在污染物運移中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了存在的問題，并對未來的應(yīng)用前景進行了展望。

[關(guān)鍵詞]地下水污染；污染物運移；數(shù)值模擬；研究與應(yīng)用

地下水是人類經(jīng)濟社會發(fā)展中不可或缺的物質(zhì)條件，也是維持水系統(tǒng)良性循環(huán)的重要保障。由于城市規(guī)模不斷擴大、人口加速增長、工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟加快發(fā)展，導致各種人類活動對地下水造成嚴重的污染[1]。目前地下水污染物種類和來源已呈現(xiàn)復雜化的趨勢，不僅對地下水環(huán)境造成了極大危害，也加大了地下水污染防治的難度[2-3]。面對這種局面，具有方便快捷、靈活高效、成效顯著等特點的地下水污染物運移模擬技術(shù)應(yīng)運而生，較好地解決了當今嚴重的地下水污染問題[4]。

1地下水數(shù)值模擬技術(shù)

1.1主要數(shù)值模擬方法

地下水模擬方法主要有數(shù)值法、解析法、相關(guān)分析法、水均衡法，而數(shù)值模擬法是目前求解模型最常用的方法，它在對數(shù)學模型識別和驗證的基礎(chǔ)上，可以預測地下水水質(zhì)變化情況，指導地下水資源的合理開發(fā)和環(huán)境保護。數(shù)值模擬方法包括有限差分法( FDM)、有限單元法( FEM)、邊界元法( BEM)和有限分析法(FAM)以及由此發(fā)展而成的特征有限單元法和特征有限差分法等[5-7]，其中有限差分法和有限單元法最常用，其原理及特點[8-9]如下所述：

有限差分法(FDM)將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代替連續(xù)的求解域，然后把控制方程中的導數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點的函數(shù)值的差商代替進行離散。在每一個差分區(qū)內(nèi)，把函數(shù)取極限求導的計算變換變成有限值的比率計算，表達和計算一維二維流等問題比較簡單直觀、易懂，但地下水污染物運移問題解精度不高；而有限單元法(FEM)可把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，通過剖分和插值的方法將描述地下水流動的定解問題轉(zhuǎn)化為微分方程進行離散求解，處理地下水流動以及地下水污染物運移問題計算過程簡單方便，但計算機運算量較大。

1.2常用數(shù)值模擬軟件

根據(jù)以上主要的地下水數(shù)值模擬方法，國外開發(fā)了以下不同的數(shù)值模擬軟件，數(shù)值模擬計算在地下水資源與環(huán)境評價分析中，尤其是污染物運移模擬中得到了廣泛的應(yīng)用，為解決地下水污染問題提供了先進的技術(shù)手段。

Visual MODFLOW有限差分軟件公開發(fā)行于1994年8月，它是在美國地質(zhì)勘探局原MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進的三維可視化技術(shù)，能夠快速建立地下水污染物遷移模型的專業(yè)軟件[10-11]。該軟件囊括了用于地下水流模擬的MODFLOW、流線失蹤分析的MODPATH、溶質(zhì)遷移模擬的MT3D、水量均衡分析的Zone Budget、水文地質(zhì)參數(shù)估計與優(yōu)化的PEST和三維可視化系統(tǒng)6個模塊。從建立模型、輸入或更改水文地質(zhì)及幾何參數(shù)，再到運行模型、反演校正參數(shù)、顯示輸出結(jié)果，整個過程都非常系統(tǒng)化、規(guī)范化[12-13]。

FEFLOW有限單元軟件由德國WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所公開發(fā)行于1979 年，是現(xiàn)有功能最齊全最復雜的地下水模擬軟件包之一，用于模擬多孔介質(zhì)中飽和及非飽和地下水流與污染物的運移。FEFLOW還能模擬多層自由表面含水系、熱傳遞、密度變化的流動以及非飽和流場及其溶質(zhì)運移等 MODFLOW 無法解決的問題[14]。但是，它最大的缺點是各個補排項沒有單獨的子程序包，調(diào)參比較麻煩[15]。

GMS地下水數(shù)值模擬軟件綜合了有限差分和有限單元模塊，建模過程直觀，操作簡便。它由美國Brigham Yung Unversity的環(huán)境模型研究實驗室和美國軍工部排水工程實驗室聯(lián)合開發(fā)，圖形軟件界面綜合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER等地下水模型。軟件基于概念模型和網(wǎng)格模型，具有建立三維可視化立體地質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能，可進行三維真實含水層的模擬。GMS的制圖模塊使其前處理功能優(yōu)越；軟件包兼容性強，同其他軟件系統(tǒng)交互使用方便[8]。

1.3地下水污染物運移建模

建立正確并且有意義的地下水污染物運移概念模型應(yīng)包括以下工作程序：確定模型目標；建立研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型；建立與水文地質(zhì)概念模型相對應(yīng)的數(shù)學模型；模型識別與校正；校正靈敏度分析；模型驗證以及預報；預報靈敏度分析；模型結(jié)果輸出[16]。其中建立污染物運移的水文地質(zhì)概念模型是關(guān)鍵的一步，它能簡化實際水文地質(zhì)條件并組織相關(guān)數(shù)據(jù)，便于能夠分析地下水系統(tǒng)，為建立地下水污染物運移數(shù)學模型奠定基礎(chǔ)。

國外學者Ewing[17]指出，地下水污染物運移數(shù)學模型建模時需要強調(diào)三個方面的問題：(1)有效地模擬復雜的流體與流體之間，流體與巖石之間的相互作用；(2)發(fā)展準確的離散技術(shù)，以保留模型的重要的物理特性；(3)利用計算機技術(shù)體系的潛力，為求解模型提供有效的算法。因此，地下水中污染物的運移問題涉及兩個數(shù)學模型，即地下水流動的數(shù)學模型和污染物運移的數(shù)學模型。建立地下水污染物運移模擬數(shù)學模型，應(yīng)包含輸入文件以及執(zhí)行模型計算的計算機程序，因此應(yīng)把場地的具體數(shù)據(jù)編制為輸入文件，提供給計算程序進行數(shù)值模擬計算[18]。

2地下水污染物運移數(shù)值模擬研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1地下水污染現(xiàn)狀

全球范圍內(nèi)的地下水污染物主要來源于城市生活污水、工業(yè)園區(qū)及礦山企業(yè)廢水和一些大型養(yǎng)殖場的農(nóng)業(yè)污水，污染物中的重金屬和有機物具有高毒性、難檢測性和難去除性[19]，加上地下水環(huán)境影響的隱蔽性、滯后性、艱巨性特點[20]，使得地下水污染防治任務(wù)日益艱巨。

2010年7月15日《Nature》[21]雜志News版報道了中國面臨的地下水污染危機，全國90%的城市和鄉(xiāng)村地下水都遭受了不同程度的污染，其中 60%為嚴重污染，重金屬和有機物是最主要的污染物來源。2011年，中國在地下水污染防治邁出了堅實的一步。當年11月11日《Science》[22]報道了中國在面臨嚴俊的地下水污染現(xiàn)狀面前做出重大決策—制定并實施《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011-2020)》，期間將斥資55億美元防治地下水污染問題。

控制地下水污染的關(guān)鍵問題之一是掌握污染物在地下水中的運移規(guī)律[23]，地下水污染物運移規(guī)律研究在基于有限差分法和有限單元法進行數(shù)值模擬應(yīng)用方面中得到了充分的體現(xiàn)。

2.2有限差分法數(shù)值模擬的應(yīng)用研究

有限差分法應(yīng)用最早盛行于20世紀 60年代末期，近年來在工程科學中開始大量應(yīng)用于地下水污染物的數(shù)值計算[24]。國外學者Saravanana等[25]通過研究印度泰米爾納德邦Tirupur地區(qū)水文地質(zhì)特征，利用有限差分軟件Visual MODFLOW模擬當?shù)丶徔椆I(yè)染色及漂白廢水污染物在地下水運移的情況，為劃定地下水保護區(qū)提供了科學依據(jù)；Leo等[26]在愛沙尼亞Kohtla-Jarve油頁巖區(qū)廢棄物垃圾填埋場建立了水文地質(zhì)概念模型和網(wǎng)格模型，通過地下水流動和污染物運移數(shù)值模擬，以三維可視化的立體角度顯示了地下真實的含水層，降低了地下水環(huán)境污染風險，優(yōu)化了地下水資源管理。

國內(nèi)學者周敏[27]運用Visual MODFLOW對露天礦地下水進行監(jiān)測及污染程度評價，在綜合考慮對流、彌散、吸附解吸及存在源匯項的條件下建立淋濾液在地下水中運移的動力學數(shù)學模型，采用有限差分方法對模型進行了數(shù)值求解，結(jié)合研究區(qū)邊界條件，對污染物在地下水中的運移規(guī)律進行了數(shù)值模擬，得出其運移擴散的規(guī)律及其污染特征；尉鵬翔[28]通過運用Visual MODFLOW軟件、采用有限差分法求解模型來研究地下水污染物運移現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，在彌散與對流的共同作用下，污染暈由最開始的近似圓形而逐漸變成為近似橢圓形，并且其長軸的方向和地下水水流的流向一致；劉東旭等[29]基于MODFLOW軟件平臺，應(yīng)用SRTM3 DEM數(shù)據(jù)和GIS 軟件，建立某區(qū)域飽和帶水流運動及核素運移數(shù)值模型，利用有限差分法求解這個模型，對核素污染物在地下水中的運移趨勢和環(huán)境影響進行了預測評價；喻佳等[30]采用Visual MODFLOW 軟件模擬預測石油類污染物泄漏后，在有監(jiān)控及應(yīng)急措施情況下或無監(jiān)控及應(yīng)急措施情況下的地下水污染物運移情況，預測結(jié)果表明兩種情況均會對地下水造成影響。

2.3有限單元法數(shù)值模擬的應(yīng)用研究

有限元法應(yīng)用始于1968年(Jeven-del)求解非穩(wěn)定流問題[4]，在基于有限單元法的地下水污染物運移數(shù)值模擬應(yīng)用方面，國外學者Hsieh等[31]運用GMS建立有限單元數(shù)值模型，對美國南卡羅萊納州的Savannah River原子能基地進行野外實地觀測，并建立了地下水污染物數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)吻合，為地下水污染防治提供科學依據(jù)；Milnes[32]在塞浦路斯南部Akrotiri地區(qū)研究地下水鹽化污染時，通過指定邊界條件，把水文地質(zhì)概化模型轉(zhuǎn)為數(shù)值模型，使用軟件FEFLOW構(gòu)建三維有限元模型，劃定地下水鹽化風險區(qū)域地圖，得出了研究區(qū)地下水鹽化污染主要由海水入侵導致的結(jié)論，為地中海地區(qū)的地下水環(huán)境風險評價與管理策略制定提供了參考經(jīng)驗；Vaidot等[33]利用FEFLOW 5.0軟件，研究立陶苑核電站反應(yīng)堆放射性核素氚在地下水的流動運移狀況，通過設(shè)置水文地質(zhì)條件和實地地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)校準，使計算結(jié)果更加精確，揭示了核電站反應(yīng)堆放射性元素的運移規(guī)律。

國內(nèi)學者對于有限單元法在地下水污染物運移數(shù)值模擬的應(yīng)用也做了積極的探索，孫道林[34]以典型垃圾堆放場為例，選取硝酸根離子作為模擬因子，建立地下水污染質(zhì)運移模型，采用基于有限元方法的FEFLOW軟件來求解模型，通過識別數(shù)值模型反映研究區(qū)地下水污染質(zhì)的運移情況；蒙媛等[35]在詳細分析研究區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)的均衡要素、流場及參數(shù)分布進行描述，建立水文地質(zhì)概念模型，采用FEFLOW軟件建立地下水流數(shù)值模擬模型并進行模型的識別和驗證，并對研究區(qū)地下水污染物運動進行數(shù)值模擬研究和分析；劉娟等[36]通過收集、分析研究區(qū)相關(guān)資料，建立水文地質(zhì)概念模型和地下水數(shù)學模型，利用FEFLOW軟件確定了研究區(qū)地下水流數(shù)值模擬模型，在此基礎(chǔ)上進行地下水中四氯化碳污染羽的濃度場運移模擬，預測了四氯化碳的污染濃度場未來變化的趨勢。

3存在的問題分析

隨著研究的不斷深入，在地下水滲流與污染物運移數(shù)值模擬領(lǐng)域，出現(xiàn)以下許多新的科學問題：(1)非均質(zhì)各向異性層狀含水層中有機污染物的運移轉(zhuǎn)化；(2)地下水流—污染物運移的尺度轉(zhuǎn)化問題；(3)多組分、多相流和地球化學耦合模型研究；(4)垃圾填埋場滲濾液滲透問題；(5)多孔介質(zhì)滲流—微生物淤堵機理和數(shù)學模型研究結(jié)果；(6)多孔介質(zhì)中水分循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)和碳循環(huán)研究；(7)礦山尾礦堆體的環(huán)境影響及污染控制研究；(8)多孔介質(zhì)滲流—污染物遷移的隨機數(shù)學模型研究等等[37]。

在地下水數(shù)值模擬預測當中，水文邊界條件設(shè)置直接影響到模擬的成功與否，然而邊界條件的刻畫往往受到人為主觀因素的影響，設(shè)置水文邊界不當，導致預測精度的銳減，以致模擬結(jié)果失真。這些問題已出現(xiàn)在不少實例當中，應(yīng)該引起重視，建議在進行邊界條件刻畫時充分了解研究區(qū)的水文地質(zhì)條件[10]。除了設(shè)置水文地質(zhì)邊界條件容易出現(xiàn)問題之外，模型參數(shù)的選擇也非常關(guān)鍵。因此，在模型應(yīng)用時選擇合適合理的參數(shù)比才能正確地反應(yīng)地下水系統(tǒng)污染物運移的真實狀況。

4結(jié)語

隨著人類經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，地下水資源的開發(fā)、利用和保護已顯得日益重要，對地下水污染問題不斷重視，數(shù)值模擬作為一種先進的地下水污染模擬技術(shù)，在水資源環(huán)境評價中占有越來越重要的地位。地下水污染物運移模型能夠準確地反映地下水系統(tǒng)的實際特征與運行特性，為工程應(yīng)用中的地下水水質(zhì)預報及污染治理提供科學依據(jù)。展望未來，地下水數(shù)值模擬技術(shù)將應(yīng)用得更加廣泛，而致力于實現(xiàn)與 3S 技術(shù)的數(shù)據(jù)交互，增強數(shù)據(jù)處理能力、提高輸出結(jié)果的可視化程度和精確度將是地下水污染物運移模擬研究的重點方向。我們必須清晰地認識到，在水資源短缺、地下水污染嚴重的國情背景情況下，我國地下水數(shù)值模擬技術(shù)與國外還存在著較大的差距，如何加強地下水污染數(shù)值模擬的模型理論研究力度、提高技術(shù)應(yīng)用成效是值得我國每一位地下水環(huán)境評價工作者認真思考的。

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Research on Numerical Simulation of Contaminant Transportion in Groundwater and Its Applciation Review

JIN Yun-long1，QIU Jin-an2，LIU Yuan-feng1，QIU Geng-biao1，ZENG Fan-long1

(1.Guangdong Hydrogeology Battalion, Guangzhou 510510, Guangdong, China；2.School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China)

Abstract:Groundwater pollution has become one of serious environmental problem facing the world today. It is important and significant both in theory research and practice to study the technology of numerical simulation of contaminant transportation in groundwater. the major methods of groundwater numerical simulation and the common software platforms were introduced and the research and application status of numerical simulation of contaminant transportion in groundwater were summarized in the paper. In addition, some existing problems were analyzed and the application in the future was prospected.

Key words:Groundwater pollution；Contaminant transport；Numerical simulation and research and application

[收稿日期]2016-03-14

[基金項目]廣東省水文地質(zhì)大隊科研基金項目(2014A30402004)

[作者簡介]金云龍(1982-)，男，河北秦皇島人，工程師，主要從事地下水污染及地質(zhì)災(zāi)害防治研究。 [通訊作者]邱錦安(1985-)，男，廣東廣州人，博士研究生，主攻方向：地質(zhì)災(zāi)害與地下水污染防治研究。

[中圖分類號]X523

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0021-03