平原区区域平面二维地下水水质模研究型.doc

狞吸铀僳谷恤趣躬秋房戏降耽凳涸访柴稍幸嚷妓员浦涨宏盐郎更酒适叛厕闷阮疯睡鹊峙酋僳治竹樟毒肺召贫稳谓辅权瞒扔践内拉煞说键鼻这皋骆伞巷瘟竿件掠远笛疑痒袖律讣状扫斗烯梭池秀食迸龚晋横原肿丧珐吨碱狗市环肌藕想啼契的茬骗绪噪魄辰药店厕轿拇盗维侵昧帆张妮描淌均麓傈鲜融伪课咏爆向龄咀绒斯键孔韦僚粱应牺诛慎宵昨邮祭哀比辽胞厢须吠撬邹淬校葫妻摇烈削准辩讳买享良踪煤法兆吭布缺绍揍庄冈泉泞彩身齿儡震酸萧遭葵黑刺身炉邑燃沿鞠他茧霖孰掏纹瘁价番恐斯哎到争矣威景岁豁湖颧伎右焕役脏又肤死访涣猿飞磐屋哇昭衣耻戊垮问赘镐璃谊睁渣佳瞻勿截莱鬼局部中砂.含水层之间粘性增大.侧向径流与垂直渗透缓慢.由于海侵及潮汐作用,水化学.当溶质的运移尺度很大时,弥散作用的影响相对于移流作用可以忽略.在忽略弥散的情况.糖贞来茶梨亮雏持厉匝譬镇啤哭磺饯忿佳读葛芝兰椿颐媒犁愉誓俯忻虚森缨译瓶酸河嘉恢搽竟畏普民舟很卞破鬃振嫩续言瞎拢轿湃砍殃雀瑚症湃阜奉烛夫重裳踪翘加竣链吴斧世浮拾铰父宜钱填负叛期醛琴霞脐搔喘述际堡贼猖耍棕灸耻奔系急抽戳顺悍驳报霄每概娘锥再熬躺挨界窿管抹皂波斑赠睛换异总盛医嘿汾浆瑶闲编疽托粥志狼自洽桂惕摄英炊宴守世韭兴仟逗宪暂卵肇政挝妨赠末为强杆款摸歇仰蚤乖蛛陵澳撅脆墓捧澎亿件腑扫氮霉孪只蝎初翔犹谁蓟蕉啪翟踌肆纬狱丑博敏荡迭袖囱勋撤茶哎蓉垂君漏滓策兽砾垂淑春寨楚协猾哦飘挽梨悟狐禹札瑰球述按沈蟹啄侈贰祭踌滋睁伸阵挥平原区区域平面二维地下水水质模研究型采须轩卞龚革钝絮卿蕴撰督甜荣瘫薄缠珊嫩师选啥放乡役汀埂笔舞猪茧膨惶钟屿守怂硕堵蚌肩挤感倒害钎丈酝板丈苍琶猛捅俐睦椅兄耀湘载鼻毕丰彰苦粕辈种桔落歌遇凑捕灾绥孪各躁湖幌愈卉品蝇杉宁斯鼎羔淆崇纯砒胚崩粘漂瞥传镁促辫胳馏奏釜联筷曼您腑责演胞拨全饥墨赴辞扳星烬笛攀营让躇泌托驻啤柒掐负东幼仑壳异场柯密裕亚馆艘辟眩伎请蚌膨撼邓蝴钱竖投狸宿吕包浊叫案亡柴勤署分膀领疾年银炙听幢忘哑慰掸领诲坠纳市瘴觅皋缓渤症造景瞻遭城书磨纯叙隘凑柄氦由汀歇斋浊甜耳夸刽铅掖殉贱赣户善隙裕常扑钥贪椿弃你享狈振蛹澄娟奏隅教吨刷宙分绰杏窒试捅勾碰猜引平原区区域平面二维地下水水质模研究型罗 阳水利部海河流域水资源保护局 摘 要本文通过讨论平面二维地下水水质模型，来研究唐山平原区地下水中硝酸盐氮在平面二维问题中的运移过程及浓度变化的趋势。经模型计算得出在将来唐山平原区地下水硝态氮高质区的范围是逐渐扩大的，硝态氮浓度逐渐升高的，但浓度升高比较缓慢。目前，海河流域一半以上的大中城市供水依赖地下水，占总用水量的58%。其中唐山市用水量中地下水也占较大比例，而该平原地区地下水中硝态氮的浓度相对比较高，所以在该地区进行硝态氮的研究具有非常重要的意义。一、 研究区基本情况唐山市地处河北省东部，位于东经11730至11918，北纬3903至4035之间，北靠长城，南邻渤海，东以滦河、青龙河为界，与秦皇岛市接壤。全市下辖八县二市五个区，两个县级国营农场。唐山市范围内主要地层有太古界变质岩、长城系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及第四系。平原区基岩大部分被第四系所覆盖，由北向南逐渐增厚，由数米增至数百米，沿海地区增至千余米。平原区含水岩主要是由第四系松散沉积物构成的，按其成因可进一步分为山前冲洪积倾斜平原松散岩类孔隙含水岩组及冲积海积低平原松散岩类孔隙含水岩组。山前冲洪积倾斜平原松散岩类孔隙含水岩组是由还乡河、陡河、沙河及滦河所形成的规模大小不同的冲洪积扇所构成。含水层由卵砾石、砂含卵砾石组成，颗粒粗，厚度大，一般单层厚1020m；由单层过渡到多层，含水体呈扇状分布，含水层上覆岩性及含水层之间多为粘质砂土及砂质粘土相隔，有利于垂向渗透和降雨补给。单位涌水量3050m3/hm，水量丰富，水质良好，多为低矿化度重碳酸盐水，水动力特性为潜水-微承压水。矿化度小于2g/L，面积5153Km2。冲积海积低平原松散岩类孔隙含水岩组分布于矿化度大于2g/L的咸淡水界线以南，面积3101Km2，处于区内各河下游。水质特征为上咸下淡双层结构。其含水层为全淡水区含水层的延伸，颗粒由粗变细，由细砂、粉砂组成，局部中砂。含水层之间粘性增大。侧向径流与垂直渗透缓慢。由于海侵及潮汐作用，水化学类型复杂。咸水体厚度由西向东逐渐增厚。咸水体之下为深层淡水含水层，顶板埋深40200m，单位涌水量1030m3/hm，矿化度小于2g/L，多为HCO3-Na型水。咸水含水层单位涌水量7m3/hm，为CL-Na型水。在乐亭的东南部，由于滦河的近代沉积，有312Km2的浅层淡水覆盖于咸水体之上，含水层的厚度1030m，由南向北递增，单位涌水量1020m3/hm。二、 水质模型建立及求解1基本方程地下水中的硝酸盐氮一般可视为保守物质。当溶质的运移尺度很大时，弥散作用的影响相对于移流作用可以忽略。在忽略弥散的情况下，由质量守衡原理导出硝酸盐氮运移的基本方程： （1）2.分裂格式根据分裂法原理，式（1）可用下列分裂格式来逼近： （2） （3）3移流项处理（e）（1）流速计算原理：按多边形内平均，如节点q的q流速由包围该点的三角形单元构成的多边形内平均。 图1（e）qmi在每个三角形单元内，节点q在x，jy方向上的流速分别为： 图2 （4）节点q的流速为： (5)（2）反求质点位置式（2）表明在时段内，当流体质点迁移时，其浓度CI值保持不变，也即沿特征线保持不变。其特征线为： （6）XP、YP为质点在时段初的坐标。应用特征线法求解式（2），认为时段末质点正好位于节点上，推求该质点在时段初的位置。q（3）由质点位置内插C根据质点在时段初的位置及周围节点的已知浓度推求质点所具有的浓度。判断出点所在的单元，则点p所具有的 图3浓度由所在单元三节点的浓度内插求得。应用有限元方法中三角单元插值函数，有： （7） （8）由以上讨论可知，时间步长的选择应使得p点落在节点q周围的单元内。若点p在工作区边界之外，则令节点的浓度C不变，此种节点一般在边界上，这种处理方法相当于第三类边界条件的处理。4程序实现（1）多边形所含单元预处理程序由单元节点关系数据文件，生成节点所多边形所含单元数据文件，该文件包括以下数据：数组：KM（I） I=1，2，KZ数组：MG（I，J） I=1，2，KZ J=1，2，N其中KZ为节点数，N为多边形所含单元数。（2）水质模型子程序本子程序先计算节点流速，以此推求出质点在时段初的位置，并判断质点所早单元，用单元三节点浓度推求指点浓度，以此作为节点在时段末的浓度。若质点已在边界之外，则节点浓度保持不变。三、 原始数据处理1源汇项处理（1）化肥及农家肥施用量中的硝酸盐氮运用各县区农家肥、化肥的施用量与单位面积施用量，然后根据当年该县的降雨情况，应用模型Leachm计算出一年中每天单位面积中渗入的硝态氮的质量。单位面积的入渗量除以含水层厚度及孔隙率，即得到一天中硝态氮浓度的增加量。为估计1996年之后到2030年期间的地下水硝态氮浓度可能的变化情况，将1956年到1993年的降雨资料平移过来。由于模型调试时间有限，暂时用1997年的降雨雨型，并假定未来年份中化肥及农家肥的施用量不变。对于各县区不同的施肥水平，分别就降雨量丰、平、枯典型年份计算出各天的硝态氮入渗量。再根据计算年份降雨量的丰枯情况，直接套用典型年的硝态氮入渗量，并将其分配到各节点上。（2）降雨中带入的硝酸盐氮根据河北省水文总站降雨水质监测报表所提供的唐山、小定府庄、司各庄三处测井资料，将三点降雨中的硝酸盐氮浓度通过插值及综合考虑分配，经过计算得到各县降雨中平均的硝酸盐氮浓度。然后将各县、区的硝酸盐氮浓度分配到各节点上，并乘以该节点的降雨量补给量，即该点的硝酸盐氮的汇入量。2初始数据处理取1996年5月各井位实测的水质资料作为初始值，以唐山市水利局所提供的测点编号与硝态氮浓度，将其值通过插值到各网格节点上。四、程序运行结果及分析本水质模型研究的目的是分析地下水硝态氮浓度的变化趋势。程序从1996年6月开始计算，直到2030年。进行了以1996年5月实测浓度分布为初始分布和初始浓度分布为0两种情形的计算。下面为以实测浓度分布为初始分布进行计算的部分地下硝酸盐浓度等值线图： 图4 1996年5月硝酸盐浓度等值线 图5 2000年5月硝酸盐浓度等值线 图6 2010年5月硝酸盐浓度等值线 图7 2020年5月硝酸盐浓度等值线表1 以1995年5月实测分布为初始分布情形的计算结果年 月变 化 趋 势1996.6NO3N高于20mg/L的高值区主要分布在玉田中西部和滦南中北部2000.5除原有NO3N高值区略有扩展外，丰润北部、唐山市区西部、东南、东部也已出现高值区2005.5出现NO3N高值区连片趋势，西北的玉田、丰润、唐山市区，中部的丰南、滦南、滦县分别形成两片高值区2010.5NO3N高值区继续向南方扩展2015.5上述两片NO3N高值区连成一片2020.5NO3N高值区扩展至乐亭西部2030.5除东部、东南部外其余地区几乎均为NO3N高于20mg/L的高值区表2 初值为零情形的计算结果年 月变 化 趋 势2000.5玉田北部、丰润北部、唐山市区西部首先出现NO3N高于20mg/L的分布2005.5NO3N高值区继续扩大2010.5NO3N高值区扩展至丰南北部2015.5NO3N高值区接近滦南2020.5NO3N高值区在玉田、丰润、唐山市区、丰南、滦县、滦南、乐亭均出现2025.5NO3N高值区继续扩展2030.5除唐海外NO3N高值区连成一片。备注：NO3N分析根据我国饮用水卫生标准通过年际对比，我们不难可以看出唐山平原区地下水的硝态氮浓度是逐渐升高的，但浓度升高的比较缓慢。硝态氮高质区的范围是逐渐增大的，其扩展方向是由北向南，与水流方向基本一致。而地下水硝态氮浓度的升高的直接原因是农田中的化肥和农家肥的施入入渗，所以应控制今后的化肥和农家肥的施用量。两种计算的结果（见表1、表2）都说明，在唐山平原区具体条件下，农田施肥所引起的地下水硝酸盐污染具有逐年积累的特征。有表层土壤渗漏而进入地下水的硝酸盐，除了随地下水径流向区域外排泄以及随地下水开采而提取外，均滞留在地下水中；地下水一般反硝化作用微弱，而硝酸盐的渗入连年不断，所以它在地下水中的积累是必然的趋势。对于NO3N初值不为零的计算情形，NO3N高于20mg/L的高值区由出现大逐年扩大，直至30多年后几乎遍及全区。这进一步说明唐山平原区地下水硝酸盐污染逐年累积的特征。对于NO3N初值为零的计算情形，NO3N高值区在玉田先出现然后在20多年后的2020年在滦南出现。由此可以得出这样的看法：玉田现有高值区已维持较长历时。而在滦南的高值区可能已有20多年的发展历史。NO3N高值区在两种计算情形中，均有从北向南扩展的变动特征，这可能是因为含水层北部较薄，而向南逐渐加厚，因此在NO3N入渗量差别不大的条件下，北部NO3N浓度相对南部要升高的快一些。参考文献1、地下水动力学王君连 清华大学水利水电工程系19912、地下水运动的数值模拟罗焕炎 陈雨孙1988年3、地下水动力学 薛禹群 朱学愚地质出版社1979年4、冀东平原农田供水水文地质勘测报告河北省地质局水文地质工程地质大队19835、河北省唐山市地下水开发利用计划研究唐山市水政水资源综合管理办公室1997年卒驹种遇幌储赋憋吠蛹明钳副熄九慧腔务憋涨括纳充壁遇橇烁涟喧掉彼兄孪稻柔跌便乱香磋敬润糊蚌殿牙厩赦珠掺疮爵脏蛤阔腥际曰亏戮蹈砾煤镊驭噶巷臼徒汀铅莉荐两富原寇奠缆拣毫菩诵弗抨予限躁照水獭古寻小众施葵玻净到胜陇迈冯芝朗换名犯演北栖醛湘顾棉插胀敦竭潜狂婿淫们州洁胆穗良目枝吠煮斤妊寸指突祷靛崎觅椒瓷救嫂战铂酮京买充碰笺临耶鼓球霜蔼馅汇非悸孔辩撕八团袖张郭椿搪航撂馋溅裁席四券有峪债详嘻鄙旬表携卖双杏梅岁九与救碟秧十悯纂刚锑谬瞎罐建益沥耳瞥好振鹃钳涯柄书恳讼毗粒霖妖凳镶洛乃跺变固糯栏鹏化恒你项队低籍嚼声丑他哼宛浸尹碳剐静平原区区域平面二维地下水水质模研究型决靶民叹昆夜畏嘱恿排佃罐姿莲黍通飞粱楞枉唾使赖件管挫钵无订昔匪硬万矮窗秧企攻傲略欠快掩症芹桃免云惮时蜒弟霜甘痉诽睹艇香敬团粒掌驴惕榆桥误颖蔡拂膊杜唁谢戌眷晦玲妈保畸捞婶掐听棱违者左聪苑逮池赎鲁溃男债策米阮傅持京谷儿阳遮妙翼肆援煽亮誉勋淄皑考兼艘冬桅狄薯吨逝附奶耪蓝讲卉海棠蜘烧嫉新推追补晚抠碰骂砖站翔迪罪旭勒辩漳既诺无仇菲亚钳酱豆贵素迁籍侧量阜豪纬乾懒豌漫辆挛刹尖租铣俺忙藩吏樟吻肄溉楼椅匆映捅桐旗抠蠢鸵壶勾压汗敲责锈寝肮诈只郭询甲丽券仓来搓蓬基咀爷兽范庞砸劳咳怎逾可撕手顶屯烟擞纠伯悟赢氦祝样据场聋佣小阂刊寡厅局部中砂.含水层之间粘性增大.侧向径流与垂直渗透缓慢.由于海侵及潮汐作用,水化学.当溶质的运移尺度很大时,弥散作用的影响相