GMS在地下水污染遷移模擬中的應(yīng)用

梁 健，婁華君，張 征

(1.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101)

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GMS在地下水污染遷移模擬中的應(yīng)用

梁 健1，婁華君2*，張 征1

(1.北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室，北京 100101)

GMS(GroundwaterModelingSystem)作為目前國際上流行的三維地下水?dāng)?shù)值模擬的集成軟件系統(tǒng)，具有模塊多、功能全、使用范圍廣、建模過程直觀、操作簡便等特點。該研究詳細(xì)介紹了GMS在地下水污染遷移模擬中的應(yīng)用流程：首先，使用MODFLOW模塊建立地下水流場模型；其次，使用MT3DMS模塊建立溶質(zhì)(污染物)運移模型；最后，使用MODPATH模塊建立地下水流跡線示蹤模型。使用GMS對污染物在地下水中的遷移進(jìn)行模擬預(yù)測，對地下水環(huán)境的保護(hù)具有重要積極意義，也可為制定污染物防控方案提供科學(xué)支持和理論依據(jù)。

地下水；污染遷移模擬；GMS；MODFLOW；MT3DMS；MODPATH

目前我國地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個領(lǐng)域[1]，一些先進(jìn)的模擬軟件如MODFLOW[2]、MT3DMS[3]等廣泛地應(yīng)用于建立水流模型、溶質(zhì)運移模型，以解決水資源評價、地下水污染、海水/高濃度咸鹵水入侵、地下水管理與合理開發(fā)、地表-地下水聯(lián)合調(diào)度、地面沉降等問題[4-9]。GMS作為目前國際上流行的三維地下水?dāng)?shù)值模擬的集成軟件系統(tǒng)[10]，與其他一些軟件系統(tǒng)(VisualMODFLOW[11]、FEFLOW[12])相比，具有模塊多、功能全、使用范圍廣、建模過程直觀、操作簡便等優(yōu)點，可用于礦山、工業(yè)企業(yè)、垃圾填埋場、有機污染場地、土壤殘留農(nóng)藥、污水灌溉等各類地下水污染的預(yù)測以及治理修復(fù)方案的設(shè)計。筆者詳細(xì)介紹了GMS在地下水污染遷移模擬中應(yīng)用的流程，提出了相關(guān)結(jié)論與建議。

1　GMS軟件簡介

地下水模擬系統(tǒng)(GroundwaterModelingSystem)簡稱GMS，是美國楊百翰大學(xué)(BrighamYoungUniversity)環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站在集成MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件。GMS軟件界面友好、模塊多、功能全，幾乎可以用來模擬任何與地下水相關(guān)的水流和溶質(zhì)運移問題。對地下水污染的遷移模擬，主要用到GMS中集成的MODFLOW、MT3DMS、MODPATH模塊。MODFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局于20世紀(jì)80年代開發(fā)出的一套專門用于孔隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬模型。MODFLOW自從問世以來，由于其程序結(jié)構(gòu)的模塊化、離散方法的簡單化和求解方法的多樣化等優(yōu)點，已被廣泛用來模擬井流、河流、排泄、蒸發(fā)和補給對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。MT3DMS是模擬地下水系統(tǒng)中對流、彌散和化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運移模型。MODPATH是美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的一款三維地下水流跡線示蹤程序，可確定給定時間內(nèi)穩(wěn)定或非穩(wěn)定流中質(zhì)點運移路徑，可用來模擬指定地點溢出污染物的運動軌跡。模擬計算時，MT3DMS、MODPATH需在MODFLOW的基礎(chǔ)上使用[13]。

2　GMS在地下水污染遷移模擬中的應(yīng)用

2.1使用MODFLOW模塊建立地下水流場模型

2.1.1模型的建立。 建模前期，首先需熟悉模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件，了解該地區(qū)的地貌、地質(zhì)條件，構(gòu)造發(fā)育情況、主要含水層組、第四系厚度、流域水文地質(zhì)特征等。在熟悉模擬區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，還需要收集相關(guān)資料，包括地表高程等值線(DEM)、各含水層頂?shù)装甯叱痰戎稻€(Top/BottomElevation)、初始地下水位線(StartingHead)，然后結(jié)合水文地質(zhì)條件對資料進(jìn)行整理、概化。

GMS中使用MODFLOW建模的方法一般可分為2種：網(wǎng)格建模法(GridApproach)和概念化建模法(ConceptualModelApproach)。網(wǎng)格建模法中，地下水的建模過程和模型識別驗證都直接在三維網(wǎng)格(3DGrid)上操作。網(wǎng)格法建模是基于對網(wǎng)格的直接操作，因此參數(shù)分區(qū)的賦值、邊界條件的指定和調(diào)參都非常繁瑣，但對于水文地質(zhì)條件比較簡單、研究區(qū)面積比較小的模型，網(wǎng)格法是一種有效的方法。概念化建模法是把三維網(wǎng)格的屬性用概念模型(Coverage圖層)相應(yīng)實體的屬性來表示，模型賦值和調(diào)參直接操作Coverage圖層上的實體。Coverage圖層獨立于網(wǎng)格(Grid)之外，通過“MaptoMODFLOW/MODPATH”命令轉(zhuǎn)化成MODFLOW數(shù)值模型時，參數(shù)能自動分配給相應(yīng)的網(wǎng)格(Grid)和應(yīng)力期(StressPeriods)，不但可以節(jié)省時間，而且能減少出錯的機會。概念模型建模法適用于建模面積大，且水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜的模型。

GMS建立模型的一般步驟如下：

(1)確定模擬區(qū)邊界。模擬區(qū)邊界包括側(cè)向邊界和垂向邊界。側(cè)向邊界的確定根據(jù)模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件，優(yōu)先以獨立的水文地質(zhì)單元界線作為側(cè)向邊界，如分水線、阻水?dāng)嗔?、以及平行于地下水流方向的界線可作為隔水(零流量)邊界，河流、湖泊等巨大地表水體可視作地下水的排泄基準(zhǔn)面，根據(jù)實際情況設(shè)置為定流量(SpecifiedFlow)邊界或定水頭(SpecifiedHead)邊界。垂向邊界的頂面一般設(shè)置為地面，底面一般設(shè)置為地下水系統(tǒng)的隔水底板。

(2)建立三維模型空間。即模型的空間離散化，MODFLOW采用的空間離散化方法是有限差分法，需要綜合考慮模型區(qū)的面積、模擬的精度要求、模擬設(shè)備的性能等因素，選擇適當(dāng)大小的有限差分網(wǎng)格。

(3)地層結(jié)構(gòu)概化。即設(shè)置各地層頂?shù)装宓母叱碳案骱畬拥某跏妓桓叱?。地層分含水?潛水、承壓水)、隔水層，滲透系數(shù)大，阻水性能差的巖層可概化為含水層，而各類滲透系數(shù)小、阻水性能好的巖層可概化為隔水層。

(4)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)。由于模型區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件普遍存在各向異性，需要對模型的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)賦值，以最大限度地接近自然情況。模型所需的水文地質(zhì)參數(shù)主要有滲透系數(shù)(垂向、縱向)、孔隙度、給水度、貯水系數(shù)等，參數(shù)的選取主要通過現(xiàn)場試驗獲得。

(5)源匯項概化。源匯項即區(qū)域地下水的補給排泄方式，主要包括大氣降水入滲、河渠滲漏補給、農(nóng)田灌溉入滲、側(cè)向徑流、蒸發(fā)、人工開采、泉排泄、河流排泄等。

大氣降水入滲量根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅砍艘韵鄳?yīng)的降雨入滲系數(shù)作為降雨補給項，通過Recharge(RCH)子程序包輸入到模型中，影響降水入滲補給系數(shù)的主要因素是降水量、地下水埋深、包氣帶巖性。

河渠滲漏補給及河流排泄量確定方法如下：若掌握有準(zhǔn)確的地下水與地表水之間交換量的數(shù)據(jù)，則可用定流量(SpecifiedFlow)邊界來處理，但實際上很難得到這類數(shù)據(jù)，所以一般情況下使用River(RIV)、Stream(STR)等子程序包來實現(xiàn)地下水與地表水之間的自動轉(zhuǎn)換計算。

農(nóng)田灌溉入滲量的處理與降水入滲量類似，根據(jù)實際灌溉量，灌溉量乘以灌溉入滲系數(shù)作為灌溉補給項，通過Recharge(RCH)子程序包輸入到模型中，影響農(nóng)田灌溉入滲補給系數(shù)的主要因素是灌溉量、地下水埋深、包氣帶巖性。

側(cè)向徑流是指地下水在模擬邊界上的側(cè)向流入或流出，故一般只在模型的邊界上設(shè)置，通過將概念模型(Coverage圖層)中代表模型邊界的線段屬性設(shè)置為定流量(SpecifiedFlow)邊界或定水頭(SpecifiedHead)邊界，定流量邊界根據(jù)邊界的性質(zhì)(流入、流出、零流量)設(shè)置流量(FlowRate)，定水頭邊界則根據(jù)邊界的水頭值設(shè)置水頭(HeadStage)。

蒸發(fā)指的是潛水蒸發(fā)量，主要與氣候、地表覆被、包氣帶巖性和厚度等因素有關(guān)?？墒褂肊VT子程序包來處理地下水蒸發(fā)問題，其所需的參數(shù)有：最大蒸發(fā)速率(MaxETrate)、最大蒸發(fā)發(fā)生的地面高程(ETelevation)、蒸發(fā)的極限深度(ETExtinctiondepth)。EVT子程序包根據(jù)阿維里楊諾夫公式(1965)及模型中給定的參數(shù)自動計算出不同地下水位埋深條件下的地下水蒸發(fā)量。

人工開采是指人類生活生產(chǎn)等活動開采地下水資源的量，單井等集中式開采可在開采處設(shè)置單個抽水井(Well)，群井等分散式開采可在面狀開采區(qū)域上設(shè)置定流量(SpecifiedFlow)來實現(xiàn)。

泉排泄處理方式與人工開采相似。

概括起來，對于以上源匯項的處理，主要包括2大類：一類是以面狀的形式補給或排泄地下水系統(tǒng)，其主要包括大氣降水入滲補給、農(nóng)田灌溉入滲補給、潛水蒸發(fā)排泄；第二類是以點的形式補給或排泄地下水系統(tǒng)，包括河渠補給排泄、側(cè)向徑流、人工開采、泉排泄。總體上，這2類源匯項的量最終均以平均分配到模型中激活的有限差分單元格上的形式參與計算。同樣由于模型區(qū)域的各向異性，需要對面狀補給排泄進(jìn)行分區(qū)化處理以提高模型精度，同時注意在賦值時，補給排泄的強度以流入為正、流出為負(fù)。

2.1.2模型的識別與驗證。識別和驗證是模型應(yīng)用的一個重要環(huán)節(jié)，只有通過識別和驗證的模型才能用來準(zhǔn)確預(yù)測未來污染物的分布狀況。地下水流模型的識別和驗證主要包括3方面內(nèi)容：①流場驗證。模型模擬得到的地下水流場的流向及其動態(tài)變化要與自然狀況一致。②水均衡驗證。模型計算區(qū)范圍內(nèi)的地下水補給量和排泄量要與實際情況相當(dāng)。③識別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合實際水文地質(zhì)條件。

模型參數(shù)的識別一般采用試估校正法，即根據(jù)野外試驗結(jié)果、構(gòu)造特征、含水層性質(zhì)、流場形態(tài)及水位變化等資料初步確定各參數(shù)的上限和下限，以其作為對應(yīng)參數(shù)的約束區(qū)間。經(jīng)過多次調(diào)試、優(yōu)選，將觀測孔的水位動態(tài)實測資料做為擬合對象，使得最終獲得的各觀測孔處的模擬水頭值與其實測值達(dá)到誤差最小，以此確定含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

2.2使用MT3DMS模塊建立溶質(zhì)(污染物)運移模型使用MODFLOW建立地下水流場模型并調(diào)試好參數(shù)后，就可在此基礎(chǔ)上使用MT3DMS模塊建立溶質(zhì)(污染物)運移模型，以確定污染物溶質(zhì)運移和濃度變化規(guī)律、污染與擴(kuò)展范圍等。使用MT3DMS模塊建立污染物運移模型的一般步驟如下：

(1)定義溶質(zhì)(污染物)類型(DefineSpecies)及初始濃度(StartingConcentrations)。根據(jù)實際污染場地的污染物種類定義特征污染物，如選取地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)的一項或多項指標(biāo)作為特征污染物。污染物的初始濃度則依據(jù)模型區(qū)實際監(jiān)測資料給定，未被污染的模型區(qū)的污染物初始濃度可使用默認(rèn)設(shè)置為0。

(2)選擇并設(shè)置子程序包(Packages)。根據(jù)模型區(qū)域污染物的運移特征及模擬任務(wù)需求選擇相應(yīng)的子程序包，主要包括對流(Advention)、彌散(Dispersion)、化學(xué)反應(yīng)(ChemicalReaction)等，對流子程序包主要設(shè)置對流的求解算法類型，彌散子程序包則主要設(shè)置彌散系數(shù)(縱向、橫向、垂向)，化學(xué)反應(yīng)子程序包則設(shè)置吸附等溫線和反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。

(3)設(shè)置應(yīng)力期(StressPeriods)。需要根據(jù)污染物排放的時間曲線特點，設(shè)置污染物運移模型的模擬時間。

(4)設(shè)置污染物源強(Source/Sink)。根據(jù)設(shè)置的應(yīng)力期定義污染物在每一個應(yīng)力期內(nèi)的排放濃度，同樣有網(wǎng)格設(shè)置法(GridApproach)和概念化設(shè)置法(ConceptualModelApproach)。

綜上，污染物運移模型的建立比地下水流場模型相對簡單，但由于MT3DMS建立的污染物運移模型是以MODFLOW建立的地下水流場模型為基礎(chǔ)的，所以地下水流場模型的模擬結(jié)果將直接影響污染物運移模型的模擬結(jié)果。

2.3使用MODPATH模塊建立地下水流跡線示蹤模型MODPATH是以MODFLOW模擬的地下水流場為基礎(chǔ)，追蹤地下水流中質(zhì)點的遷移運動軌跡，有著廣泛的應(yīng)用，如確定抽水/注水井的影響半徑、追蹤污染物在地下水環(huán)境中的運移規(guī)律等。其一般步驟如下：

(1)調(diào)整模型區(qū)孔隙度。由于地下水實際流速受孔隙度影響，系統(tǒng)默認(rèn)孔隙度為0.3，若此孔隙度不符合實際，則需進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，孔隙度的設(shè)置主要有網(wǎng)格設(shè)置法(GridApproach)和概念化設(shè)置法(ConceptualModelApproach)2種。

(2)生成粒子運動跡線。有2種生成形式，一是在井的位置生成；二是在所選擇的模型網(wǎng)格中生成。

生成粒子運動跡線后，可手動選擇跡線，GMS軟件相應(yīng)地自動顯示其覆蓋面積、長度、流經(jīng)時間等信息，用以輔助地下水相關(guān)的決策管理。

3　結(jié)論和建議

該研究介紹了GMS在地下水污染遷移模擬中的應(yīng)用流程，得出以下結(jié)論與建議。

(1)除了網(wǎng)格建模法和概念化建模法外，還有實體建模法(SolidApproach)，能夠逼真地刻畫地層的空間結(jié)構(gòu)，特別適用于礦區(qū)面積較小、鉆孔資料豐富的地區(qū)。而使用MODFLOW建立地下水流場模型時，源匯項定義過程中各子程序包的選用不是一成不變的，可根據(jù)實際情況靈活使用。

(2)模型的調(diào)試過程需要不斷地調(diào)整模型的各項參數(shù)(水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、源匯項等)，這個過程需要耗費大量的時間，可使用PEST和UCODE這2個自動調(diào)參的模塊進(jìn)行輔助調(diào)參，提高工作效率。

(3)使用MT3DMS建立污染物運移模型時，若要考慮淋濾、吸附、解吸、降解、復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)作用等過程所引起的污染物濃度變化，還須結(jié)合RT3D、SEAM3D模塊，RT3D模塊可處理多組分反應(yīng)，適用于模擬自然衰減和生物恢復(fù)，SEAM3D是用于模擬復(fù)雜生物降解問題(包括多酶、多電子接收器)，以提高模擬精度。

(4)由GMS建立地下水?dāng)?shù)值模型，只是解決問題的一種手段，在實際應(yīng)用中要充分重視對模擬區(qū)水文地質(zhì)條件的調(diào)查，尤其要注意對復(fù)雜水文地質(zhì)條件的正確概化，其中包括模型邊界的選定、水文地質(zhì)概念模型的建立、網(wǎng)格設(shè)計與剖分、邊界條件的查明與處理、源匯項的處理等。

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ApplicationofGMSinSimulatingGroundwaterPollutionTransportation

LIANGJian1,LOUHua-jun2*,ZHANGZheng1(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083; 2.KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcessed,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101)

GMS(GroundwaterModelingSystem)isaninternationalfamousthree-dimensionalintegratedgroundwaternumericalmodelingsoftwaresystemandcharacterizedbyitsmultivariablemodules,all-aroundfunctions,wideapplycations,intuitionalmodelingprocess,friendlyoperationinterfaceetc.ThisarticledetailedthegeneralmodelingprocessofGMSappliedinthecontanminanttransportinthegroundwaterenvironment:first,usetheMODFLOWmoduletobuildthegroundwaterflowmodel;second,usetheMT3DMSmoduletobuildthesolute(contanminant)transportmodel;finally,usetheMODPATHmoduletobuildtheparticletrackingmodel.UsingGMStosimulateandpredictthecontanminanttransportinthegroundwaterissignificantfortheprotectionofgroundwaterandalsooffersscientificalandtechnicalsupportandtheoreticalfoundationforthepollutionpreventionandcontrolment.

Groundwater;Pollutionmigrationsimulaiton;GMS;MODFLOW;MT3DMS;MODPATH

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC09B00)。

梁健(1988- )，男，江西南康人，碩士研究生，研究方向：地下水資源與環(huán)境。*通訊作者，副研究員，博士后，從事地下水資源與環(huán)境研究。

2016-05-28

S126;P345

A

0517-6611(2016)22-239-03