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数值模型在青岛市大洁河水源地地下水水质预测中的应用 摘要 大沽河是胶东半岛最大的河流，是青岛市主要饮用水源地之一，每年对青 岛市供水量约8 0 0 0 万m 3 ，占市区用水总量的4 5 左右，被称为青岛市的母亲河。 近几年随着城市发展，用水量增加，其水环境问题也日益突出，本文主要利用 已有资料，结合本次水文地质及环境地质调查、野外试验等工作成果，建立青 岛市大沽河水源地地下水质数值模型，模拟预测地下水污染并分析治理对策。 全文共分为五个部分，第一部分主要介绍了数值模型的概念及应用：第二 部分主要综述了区域地质及水文地质概况；第三部分讲述了大沽河水源地地f 水流数值模型的建立：第四部分讲述了大沽河水源地地下水水质模型的建立； 第五部分利用所建数值模型对大沽河水源地水质进行了预测。 大沽河水源地范围北起古岘朴木，南至青胶公路，面积为4 3 6 ，8 k m 2 ，在 开采初期( 1 9 8 1 年) 水化学类型分布最广的是t t c o a c 1 一c a 型水，大沽河西岸 局部地段地下水中f 含量较高。开采以后水化学成分变化明显，水源地北部组 份含量上升较快，水化学类型为h c o 。s o + 、c 1 h c o 。及c 1 s o a - - c a 或c a m g 型 水，局部为n o 型水：水源地中部水质变化缓慢，为h c 魄s o t 、h c 魄c 1 - - c a 型水；水源地南部污染离子含量逐年增加，水化学类型变为h c o 。s o 。c 1 一c a 型，局部变为s 0 。c l 或s o 。- - c a m g 型水，该区过去受李哥庄开采漏斗影响，造 成海水内侵，水质超标现象较严重，主要超标组分或指标有：s o ；2 。、c 1 、矿化 度、总硬度、n 0 。一，其中s 0 。2 基本呈逐年增长趋势。 本次建立水质数值模型采用水平二维流场中的对流一弥散型数值模型，模 型的求解由两部分构成，分别求解渗流方程与对流弥散方程的定解问题。数 值模型研究面积为4 3 6 8 k m 2 ，水流模型根据1 9 8 9 年1 2 月3 1 目的统测水位资料， 采用内插法形成地下水流场，作为模型识别的初始流场。计算区根据储水层岩 性共分为三个大区1 2 个块段，各块段的水文地质参数参考了大沽河水源地供水 水文地质勘察总体报告并结合本次工作所取得资料综合选定。经多次调算，新 建立的水文地质参数与原输入参数系列吻合：水质模型利用1 9 9 5 年6 月区内水 质分析资料，分别对c l 一、n o i 、s o 。2 1 、n o ：一经过k r i g i n g 内插、网格化后作为初 始浓度输入模型。根据区内水文气象条件的分析，共划分l o 个时段进行调算。 通过对大沽河水源地地下水水质动态分析、水质模型识别，大沽河水源地水质 ( c i 、n o 。一、n o r 等) 污染，可分为面状污染和局部片状污染，分散面状污染主 要源自农业生产化肥过量施用、大沽河水质污染、农村、乡镇生活污水的不达 标排放，局部片状污染主要源自乡镇企业等小型工业废水排放。 应用该数值模型，对大沽河水源地2 0 0 3 - - 2 0 1 2 年水质预测结果如下： ( i ) n o ：- 浓度预测 区内n 0 。污染程度多出现减轻的趋势，在下游李哥庄镇附近n o 。一污染程度 加重，尽管在模型中考虑了现状污染治理措施的作用，但地下水n o r 浓度还多 不能达到地下水i i i 类标准，可见地下水污染仍需加大治理力度，一方面在水源 地范围内杜绝不达标排放的工业、乡村企业污染源，另一方面，改善农业种植 结构、肥料施用技术，减少化肥施用量。 ( 2 ) c i 一浓度预测 在污染治理措施得到实施的条件下，区内c 1 一污染程度多出现减轻的趋势 地下水，c l 一浓度多能达到地下水i i i 类标准，在下游李哥庄镇附近c l 一污染程度 加重，下游截渗墙的修建对下游李哥庄镇以南地段地海水入侵起到了较明显的 阻滞作用，但截渗墙上游附近仍有部分咸水，当在上游对地下水进行较强烈开 采时，截渗墙上游的成水仍会有倒灌现象。 总之，在通过污染治理，进入地下水的污染物质浓度每年平均递减3 的情 况下，今后l o 年内，大沽河水源地地下水质大部分地段有变好的趋势，下游李 哥庄镇附近有变差的趋势。 关键词：大沽河水源地数值模型水质预测地下水 n u m e r i c a l m o d e m 1 9a p p l i c a 缸o n i np r e d i c t i o no fw a t e r q u a r r y i n m a g u h e r i v e rg r o u n d w a t e rs o u r c e f i e l d ，q i n g d a o a b s u a c t d a g u h er i v e r ，w h i c hi st h el a r g e s tr i v e ri nj i a o d o n g p e n i n s u l a r a n dt h em a i nd r i n k i n gw a t e rs o u r c ef o rq i n g d a oc i t y ，s u p p l i e sw i t h d r i n k i n gw a t e rt o t a l i n g8 0 m i l l i o nc u b i cm e t e ra n n u a l l y ，w h i c h d o m i n a t e sa b o u t4 5p e r c e n to ft h em u n i c i p a lw a t e rs u p p l y w i t ht h e c i t yd e v e l o p m e n ta n d w a t e ru t i l i z a t i o ni n c r e a s e ，w a t e re n v i r o n m e n t i nt h ed a g u h er i v e rs o u r c ef i e l dism o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i nt h i s p a p e r ，ag r o u n d w a t e rq u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l i sb u i l tt op r e d i c t t h eg r o u n d w a t e rp o ll u t i o ni nd a g u h er i v e rs o u r c ef i e l db a s e do n h y d r o g e 0 1 0 9 i c a la n de n v i r o n m e n t a lg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o n s a n d f i e l dt e s t s t h i sp a p e rw illc o v e rt h ef o ll o w i n gf i v ep a r t s p a r ti ，t h e c o n c e p t a n d a p p l i c a ti o no fn u m e r i c a lm o d e li n ga r ei n t r o d u c e d b r i e f l y p a r ti i ，t h er e g i o n a lg e o l o g y a n d h y d r o g e o l o g y a t e d i s c u s s e dc o m p r e h e n s i v e l y a n d c o n c i s e l y p a r t i i ib u i l d sa g r o u n d w a t e rf l o wn u m e r i c a l m o d e l p a r ti vb u il d sag r o u n d w a t e r q u a l i t y n u m e r i c a lm o d e l p a 】 tvt h eg r o u n d w a t e r p o l l u t i o n i s p r e d i c t e db a s e do nn u m e r i c a l m o d e l s t h ed a g u h er i v e rw a t e rs o u r c ef i e l ds p a n sa na r e ao f4 3 6 8k f f w i t has c o p eo fn o r t ht og u x i a n - p u m ua n ds o u t ht oo i n g d a o j i a o z h o u e x p r e s s w a y i nt h ei n i t i a lm i n i n gs t a g e ，t h eg r o u n d w a t e rt y p e i s p r e d o m i n a n t l yh c o o c i - c a ，w i t h ar e l a t i v e l yh i g hc o n c e n t r a t i o no f fi ns o m ew e s t e r np a r t so ft h ed a g u h er i v e r 。a f t e ry e a r so fm i n i n g ， t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nc h a n g e sr a p i d l y i nt h en o r t h e r np a r t ，t h e g r o u n d w a t e rt y p et r a n s f o r m si n t oh c 0 3 s o n ，e l 。h c c 1 。s 0 4 一c a o r c a m g ，e v e n n 0 3 l o c a l l y i n t h e m i d d l e p a r t ，t h e w a t e r q u a l i t yc h a n g e s s l o w l yw i t hat y p eo fh c 0 3 s o 一、h c 0 3 c 1 一c a w h i l ei nt h es o u t h e r n p a r t ，t h ec o n c e n t r a t i o n so fp o l l u t i o ne l e m e n t sa s c e n da n n u a l l y ，t h e d o m i n a n tt y p ei sh c 0 3 - s 0 4 c 1 一c aw i t hs 瓯c 1o rs 0 4 一c a m gl o c a l l y d u et ol i g e z h u a n gm i n i n gc o n ew h i c hc a u s e ds a l tw a t e ri n t r u s i o n ， g r o u n d w a t e rq u a l i t ya g g r a v a t e ss e v e r e l ya n dt h em e a ne l e m e n t so v e r n a t i o n a lp r o o fs t a n d a r d ( 6 b ) a r es 0 4 ，c 1 ，t o t l ed i s s o l v e ds o l i d s ， t o t l eh a r d n e s s ，n 0 3 一s 0 4 2 一i n c r e a s e sa n n u a ll y i nt h i s p a p e r ，t h e h o r i z o n t a lt w o d i m e n s i o n a l h y d r o d y n a m i c d i s p e r s i o ne q u a t i o n s a r ei n t r o d u c e di nt h i s g r o u n d w a t e rq u a l i t yn u m e r i c a lm o d e l a n dt h es o l u t i o no ft h em o d e l c a nh ed i v i d e di n t ot w op r o c e s s e s f i r s t l yt h es e e p a g ee q u a t i o ni s s o l v e da n dt h ea d v e c t i o n d i s p e r s i o ne q u a t i o nf o l l o w ss e c o n d l y t h e i n i t i a lg r o u n d w a t e rf l o wf i e l dl e v e li sb a s e do nd e c e m b e r3 11 9 8 9 d a t ai ns i t ua n di n t e r p o l a t i o n t h es t u d ya r e ao ft o t a l4 3 6 8k 群 i sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa n d1 2r e g i o n sb a s e do na q u i f e rr o c k f e a t u r e t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n si ng r o u n d w a t e rq u a l i t ym o d e l a r ei n t e r p o l a t e df r o mf i e l dd a t ai nj u n e1 9 9 5 f o u re l e m e n t so fc 1 、 n o r 、s o ? - 、n o a r ec o n s i d e r e d b a s e d o n r e g i o n a lh y d r o - m e t r o l o g i c a l c o n d i t i o n ，1 0t i m es e g m e n t sa r ec a l i b r a t e d t h ep o l l u t i o n ( c 1 、 n o r 、n 0 2 一) i nt h es o u r c ef i e l dc a n b ed i v i d e di n t op o i n ta n ds u r f a c e k i n d t h es u r f a c ep o l l u t i o nc o m e sf r o mc h e m i c a lf e r t i l i z e ro v e r u t i l i z a t i o n ，r i v e rw a t e rp o l l u t i o na n dd i s p e r s a lo fl i v i n g w a s t e w a t e r w h i l et h es o u r c ep o l l u t i o nr e s u l t sf r o mi n d u s t r i a lw a s t e w a t e rd i s p e r s a l u s i n gt h ea b o v em e n t i o n e dn u m e r i c a lm o d e l s ，w a t e rq u a l i t y i s p r e d i c t e df r o m 2 0 0 3t o2 0 1 2i nd a g u h er i v e rg r o u n d w a t e rs o u r c ef i e l d t h er e s u l t sa r ea sf 0 1 l o w s ： 1 )n 0 2c o n c e n t r a t i o np r e d i c t i o n t h ep o l l u t i o nt r e n do fn 0 2i ns t u d ya r e ai sm i t i g a t i n g ，w h i l e i nt h el o w e rr e a c ho fl i g e z h u a n gt o w n s h i pt h ep o l l u t i o na g g r a v a t e s a l t h o u g h t h e p r e s e n tp r o t e c t i o nm e a s u r ei s c o n s i d e r e d ，n 0 2 c o n c e n t r a t i o ni ss t i l lb e y o n dn a t i o n a ls t a n d a r d i if o r g r o u n d w a t e r q u a l i t y g r o u n d w a t e rc o n s e r v a n c ym e a s u r e ss h o u l db ee n h a n c e d f u r t h e r a 1 1 d i s p e r s a l so fp o l l u t i o ns o u r c e sa r eo v e rn a t i o n a l s t a n d a r d ss h o u l db ec e a s e d o n t h eo t h e r s i d e ，a g r i c u l t u r a l p l a n t i n gs t r u c t u r ea n df e r t i l i z e rd i s p e n s a t i o nt e c h n o l o g ys h o u l d b e i m p r o v e d ：t h ec h e m i c a lf e r t i l i z e ru s es h o u l db ed e c r e a s e d g r a d u a ll y 2 ) c 1 一c o n c e n t r a t i o np r e d i c t i o n t h ep o l l u t i o nt r e n do fc 1 i n s t u d ya r e ai sm i t i g a t i n g t h e c o n c e n t r a t i o no fc l 、i sa b o v en a t i o n a ls t a n d a r di i i w h i t ei nt h e l o w e rr e a c ho fl i g e z h u a n gt o w n s h i pt h ep o l l u t i o na g g r a v a t e s t h e c o n s t r u c t i o no f a n t i s e e p a g ew a l lw h i c hl o c a t e ds o u t ho fl i g e z h u a n g t o w n s h i po b s t r u c t st h es a l t w a t e ri n t r u s i o no b v i o u s l y i ts h o u l db e n o t e dt h a tt h e r ei ss t i l ls a l t yw a t e ri nt h ei n n e r p a r to ft h ew a l l t h es a l t yw a t e rw i l li n t r u d e df u r t h e ri ft h eg r o u n d w a t e rw i t h d r a w a l i nt h eu p p e rr e a c hi se n h a n c e d t h eg r o u n d w a t e rp o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o nw i l l d e c r e a s ea t a r a t eo f3 a n n u a l l yi nt h ed e c a d et oc o m ei nm o s tp a r t so ft h es o u r c e f i e l d ，b u tp o l l u t i o nt r e n dn e a rl i g e z h u a n gt o w n s h i p ，w h i c hi st h e l o w e rr e a c ho fd a g u h er i v e r ，w i l la g g r a v a t e s k e yw o r d s ：d a g u h er i v e rw a t e rs o u r c ef i e l d ：n u m e r i c a lm o d e l i n g ： w a t e rq u a l i t yp r e d i c t i o n ；g r o u n d w a t e r 数值模型在青岛市人沽河水源地地下水水质预测中的应用 u 日l j 吾 本论文是在“青岛地区生态环境地质调查”项目资助下完成的，该项目是2 0 0 1 年中央财政补助地方地质勘查项目。本次青岛地区生念环境地质调查工作的目的 是通过环境地质、水文地质调查，采用“3 s ”技术等新方法手段，对青岛地区的 环境地质问题、地下水资源问题进行调查研究，并提出相应治理对策及建议，为 青岛地区的经济可持续发展决策提供地学依据。本人在项目组负责环境地质工作 小组，项目于2 0 0 3 年底完成，现已通过评审。借助本次调查工作，本人对青岛 市大沽河水源地水质进行了迸一步研究。 大沽河是胶东半岛最大的河流，流经青岛市莱西、平度、即墨、胶州、胶南、 城阳等市区，于胶州市码头村南入胶州湾，全长1 7 9 7 k m ，流域面积6 1 3 1 3 k m 2 ， 其中青岛境内长约1 5 7 k m ，流域面积4 8 5 0k r n 2 。大沽河水源地是青岛市主要饮用 水源地之一，每年供水量约8 0 0 0 万m 3 ，占市区用水总量的4 5 左右，因此大沽河 被称为青岛市的母亲河，但近几年随着城市发展，用水量增加，大沽河水源地水 环境问题也日盏突出。 此前对大沽河水源地研究中，地下水水质预测采用的多是回归法及灰色模型 g m ( i ，i ) ，而回归法对研究对象与预报因子之间存在高度的非线性时，难以取 得很好的效果，g m ( 1 ，1 ) 模型对原始序列满足指数规律或十分接近指数规律， 预测是较有效的，但将其作为地下水动态短期或长期预测，则精度偏低，且不能 正确反映地下水动态特征周期性和随机性。本文主要是通过水文地质及环境 地质调查试验，建立了青岛市大沾河水源地地下水质数值模型，科学地模拟预测 了大沽河水源地地下水污染趋势，并提出了治理对策。 本次研究一l i 作采用的主要方法有：资料收集、综合地面调查、钻探、野外抽 水试验、弥散试验、样品采集与测试、地下水长期观测、资料综合分析研究、信 息系统建设等。通过本次研究，对大沽河水源地水质进行了科学预测，取得了一 定成果，但仍然存在一些不足之处，希望各位专家给予批评指正。 数值模型住青岛市大沾河水源地地下水水质预测中的应用 1数值模型应用简介 地下水动态预测方法是多种多样的，从最早的水均衡方法、水文地质比拟方 法到回归法、解析法、有限差分法等，随着计算机的应用发展，数值模型愈来愈 显出优势。数值模型是由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件和边界条件 构成的数学模型，其求解方法主要在2 0 世纪6 0 年代后期发展起来的，目前应用 较多的主要为有限差分法( f d b l ) 、有限单元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 和有限 分析法( f a m ) 等，应用这些方法进行求解，可比较准确地预测地下水动态变化， 特别是对研究区水文地质条件简单、含水层系统较均一的情形更为有效。该模型 是在许多假设条件基础之上建立起来的，用它进行地下水动态预测需获取含水层 参数信息( 渗透系数、贮水系数等) 以及对含水层系统识别，因此对更复杂的水 文地质条件研究还具有局限性。 1 1 数值模型应用的一般过程 应用数值模型解决一个实际的地下水水质问题主要包括以下步骤。 1 1 1 确定目标和任务 首先应根据所考虑的实际问题确定研究的目标和任务，不同的问题会提出不 同的任务，确定了研究的目标和任务后，就应当对结果的精度提出恰如其分的要 求，以便确定野外工作量。 1 1 2 现场调查 收集有关地质、水文和环境方面的现场资料，包括含水层的分布和边界条件、 非均质性、地下水的补给和开采情况，地下水与地表水的联系，现有的污染状况， 污染源的位罱、大小和强度等。对模型所含的参数和定解条件进行初步分析，明 确需要进一步研究的问题。在此基础上制定出为获得这些参数和条件所必须进行 的勘探和试验的工程设计，其中包括需要补加的钻探与物探工作，抽水试验和野 外示踪剂注入试验的布置，室内参数测定和样品分析的方法等。 1 1 3 选择模型 现场凋奁的结果和问题精度要求是选择模型的依据。当污染源广泛分布并且 数值模型在青岛市大浦w 水源地地下水水质预测中的应用 仅限于预测较大范围内水质的长期变化或预测通过非饱和带含水层系统后的水 量和水质，可考虑用集中参数型的水质模型，这类模型需要较少的输入数据：若 要求模拟或预测不同位置上的污染发展状况，则应利用分布参数模型。 1 1 4 现场试验 当没有足够的历史观测资料可用时，为了确定有关的水文地质参数就要靠在 现场进行各种规模的抽水试验和示踪剂注入试验，应以现场调查的资料为依据， 按照所选用的数学模型的要求对试验的规模、方法、观测井的布置、试验的时间 等做合理的设计。试验时一方面观测水位的变化，一方面对采得的水样进行分析， 测出有关的化学成份浓度值。试验的最终成果是得到由试验所造成的水头分布、 流速分布和示踪剂浓度分布，整理成表格和图件备用。 1 1 5 编制程序与整理数据 模拟人员按所处理的具体问题的条件和所用的计算机的性能，可以选择某种 计算方法自己编制程序，也可以借用已有的通用程序。本文所采用的是美国的 m o d f l o w 程序，按二维流场的水流及水质模型，需要输入的数据包括： ( 1 ) 含水层的几何参数( 边界形状、厚度、顶底板高度等) ； ( 2 ) 初始的水头场及浓度场； ( 3 ) 水流方程的边界条件和水质方程的边界条件； ( 4 ) 抽水井( 或注水井) 的位置和流量： ( 5 ) 各种水文地质参数的估计值，包括孔隙度、比贮水系数、水力传导系数、 纵向和横向弥散度、多孔介质中的分子扩散系数等； ( 6 ) 用于校正模型的历史观测资料或野外试验的观测资料( 包括水头分布和浓 度分布两方面) 。 1 1 6 模型校正 首先要确定出模型中各种参数和边界条件的估计值，然后由各局部的参数值 综合出全区的参数分布，将这些初值代入到选定的模型通用程序中模拟已有的试 验过程，看看模拟结果与现场资料是否一致，若不一致时，就要用最优化方法对 参数进行修正直到拟合为止，最终得到一个能代表该区域实际情形的模型。为 保证这一模型的可靠性，最好根据模型的预测结果再进行一些现场的验证工作。 数值模型在青岛市大沽河水源地地下水水质预测中的应用 1 1 7 预测与控制 有了可靠的数学模型，便可根据开始提出的具体任务进行预测计算，例如用 来预测各种不同条件下水位及水质的发展趋势，对比不同防治方案的效果，及绘 制出各个时刻的等浓度曲线图，还可以作为一个构成部分用于水资源管理模型 巾。 1 2 地下水水质模型应用的主要方面 1 2 1 地下水污染的模拟与预测 对地下水水质进行模拟与预测，目的是为了保护供水水源地。而水质污染的 原因一般有工业方面、农业方面及生活方面等，反映到水化学成分变化上有重金 属组分、有机质组分、p h 值、矿化度、总硬度、c l 、s o 。2 。、n o ；一、n o ：一等组分的超 标。本文即进行了大沽河水源地地下水的污染模拟及预测，而且利用了近2 0 年 的长期观测资料，反复调试，使计算结果与实际资料拟合较好，证明该模型是比 较成功的。 1 2 2 海水入侵问题 在滨海含水层过量地抽取淡水会造成海水向陆地方向的入侵，使井中的水变 咸，含水层和种植土层受到破坏，为了避免这一问题的发生，需要进行有控制的 抽水，或用淡水注入挡住海水入侵，为了评价滨海含水层的淡水资源并设计有关 工程，有必要建立相应的数学模型。 1 2 3 试验设计 在水文地质勘探阶段也可应用数学模型，例如为抽水试验或示踪剂注入试验 提供设计依据。 1 2 4 地下水管理 地下水水流和水质的数学模型是地下水管理模型的主要构成部份，它们能预 测任何管理决策对含水层造成的状态，以检验该决策是否满足约束条件，例如是 否会使水位过高或过低，是否会使水质超出规定的指标等，即检验该决策是否可 行，然后在大量可行的决策中找出按某种目标为最优的管理决策。 1 3m o d f l o w 简介 数值模型在青岛市太沽河水源地地下水水质预测中的应用 m o d f l o w 是英文m o d u l a r t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t e d i f f e r e n c e g r o u n d w a t e rf l o wm o d e l ( 模块化三维有限差分地f 水流动模型) 的简称。这 套计算机程序由美国地质调查局( u s g e o l o g i c a ls u r v e y ) 的m c d o n a d 和 h a r b a u g h 于八十年代开发出来。它是一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的 软件。m o d f l o w 一个最显著的特点是它采用了模块化的结构，即由一个主程序和 一系列具有高度独立性的子程序组成，这些模块又组合成为子程序包，使用户可 以按实际工作需要选用其中某些子程序包对地下水运动进行数值模拟。该程序采 用单元中心有限差分法模拟地下水在含水层中的运动。有限差分方程组可以用强 隐式法或超松弛法进行求解。 1 3 1 多孔介质中地下水流动的有限差分公式数学模型 在不考虑水密度变化情况下，孔隙介质中地下水在三维空间的流动可以用下 面的偏微分方程表示： 渗流方程为： 面t 触帮o h + 斋( 劬争+ 0 勉i o h 卜= 盛等 其中：k x x 、k y y 、k z z 为渗透系数在x 、y 、z 方向上的分量； h 为水头； w 为单位体积流量，代表流进或流出的水量； s s 为孔隙介质的贮水率； t 为时问。 弥散方程为： 瓦0 【瓦o c + 琴+ 吃篆一c k ) + 矿a 面o c + 孑+ 篆一c m。 + 瓦o 【比面o c + 巩詈+ 现篆一c k ) 十，= 鲁也黜。洲口 j 中c 一饱和含水层中溶质浓度( m l 1 ) ； i 一水质方程中的源汇项； n 一有效孔隙率； v x 、v y 、v z 一地下水在x 、 ，：c w ” y 、z 向的流速分量( 1 t ) 数值模型在青岛市大沽河水源地地下水水质预测中的心用 d x x 、d x y 、d x z 、d y y 、d y z 、d z z 一不同方向的弥散系数( l 2 t ) t 为时间。 公式( 1 ) 、( 2 ) 加上相应的初始条件和边界条件，便构成了一个描述地下水 流动体系的数学模型，在所定义的空间和时间范围内，所求得的值应满足边界条 件和初始条件，但除了某些简单的情况，其解析解很难求得，因此，各式各样的 数值法被用来求其近似解，比如有限差分法。在有限差分法求解过程中，连续的 时间和空间被划分成为一系列离散的点。在这些点上，连续的偏导数也由水头差 分公式来取代，将所求得的未知点联合起来，这些有限差分式构成了一个线性方 程组，然后对这个线性方程组进行联立求解，这样获得的解就是水头或水质在各 个离散点上的近似解，数值解虽然不能给出描述水头或水质随时间和空间变化的 代数表达式，但它可以用来解决大量的实际问题。 1 3 2m o d f l o w 程序设计简介 m o d f l o w 基本程序结构可参见框图1 - 1 ，整个模拟过程可分为一系列应力期 ( s t r e s sp e r i o d s ) ，在每一个应力期内，所有的外应力( s t r e s s ) 均保持不变， 每个应力期又可分为若干个时间段( t i m es t e p s ) ，通过对有限差分方程组的迭 代求解，可以得到每个时间段结束时的数值，所以每个模拟应包括三大循环：应 力期循环，时间段循环及迭代求解循环。该框图也是m o d f l o w 主程序的程序框图， 图中的各个步骤均由相应的子程序来实现。 数值模型在青岛市大沽河水源地地下水水质预测中的应用 圈l lm o d f l o w 总框图 7 开始运行 定义( d f ) 内存处理( a l ) 输入处理( r p ) 应力期( s t ) 输入处理( r p ) 时问控制( a d ) 建立方程( f m ) 近似求解( a p ) 输出控制( o c ) 均衡计算( b d ) 结果输出( o t ) 卜一时间段? 卜一应力期? 运算结束 n8_po焉4sajl薛蜒暴r毯 数值模型在青岛市大沾河水源地地下水水质预测中的应用 2 大沽河流域地质环境概况 2 1 地形地貌 大沽河流域在大的地貌单元中属鲁东低山丘陵区的一部分。区内地貌按其成因类型 及形态特征可划分为构造剥蚀地形堆积地形两种大的类型。地形变化的总趋势是北高南 低。古岘以北为构造剥蚀低l 【i 丘陵地形，主要由花岗岩和变质岩组成，地形标高一般 5 0 一2 0 0m ，大泽山主峰高7 3 6 7m ，是区内最高点。古岘以南为构造剥蚀平原，主要由碎 屑岩和火山岩组成，是胶莱盆地的组成部分。地形起伏平缓，标高一般2 0 一5 0m ，沿大沽 河中下游河床两侧为河谷冲积平原，由北向南呈不规则的带状分布，长期接受冲积、冲 洪积及洪积堆积作用，堆积物厚度一般1 0 2 0 m ，局部达2 5 m 以上，多具双层结构。古岘一 店埠以南河谷开阔，地形平坦，地形标高4 0 4 m ，微向南倾斜，坡降2 0 7 0 。另外在大 沽河流域南边缘入海口处有部分海相或海陆交互相沉积。 2 2 气象水文 2 2 1 气象 大沽河流域属华北暖温带季风型大陆气候，由于受海洋环境的影响和调节，具有较 明显的海洋性气候特点，空气湿润，气候温和，四季分明，具有夏季炎热多雨，冬季寒 冷于燥，春季于旱少雨，秋季冷暖适中的特征。据青岛市近百年来的气象资料统计，多 年平均气温1 2 左右，极端最高气温3 8 9 ( 2 0 0 2 7 1 5 ) ，极端最低气温一1 6 4 。c ( 1 9 3 1 1 1 0 ) ，平均温差一般在4 0 5 0 。c 。霜期一般在1 0 月至翌年3 月，最晚为1 1 月至 翌年5 月。结冰期一般在1 1 月2 0 日至翌年3 月2 5 日，平均结冰e t8 2 1 天。多年平均 冻土深度为4 3 c m 。多年平均风速为5 3 m s ，主导风向为东南风和西北风。年均相对湿度 7 3 ，夏季7 月最高，为8 9 。年平均气压1 0 0 8 m p 。 掘青岛地区百年来气象观测资料统计，青岛地区多年平均降水量为6 7 7 9 5 r a m ( 1 8 9 8 2 0 0 2 ) ，1 9 9 6 2 0 0 2 年平均降水6 4 7 8 m m ，降水特点是有一定时空分布规律的： ( i ) 年内各季分配不均，汛期( 6 9 月) 占7 ( j 7 6 ，多集中于几次暴雨，枯水期( 3 5 月) 占1 3 5 ，平水期仅占5 0 2 ( 2 ) 年际问降水量变化悬殊，枯水年系列持续时怄l 较长，最大值比最小值多近1 0 0 0 m m ， 比值一般在3 4 倍； ( 3 ) 在地域上，从沿海至内陆呈递减趋势，在山区具垂向分带性，a 高向低递减。 青岛地区多年平均蒸发量为1 4 1 0 r a m ，月平均最高值出现在5 月份，为1 7 5 r a m ，内陆 数值模型在青岛市大沽河水源地地下水水质预测中的应用 蒸发量大于近海地区。 2 2 2 水文 大沽河是胶东半岛最大的河流，发源于招远市阜山，在莱西市道子泊村北5 0 0 m 处入 境，流经莱西、平度、即墨、胶州各i 1 丁和城阳区，于胶州市营房镇码头村南入胶州湾， 干流全长1 7 9 9 k m ，青岛境内长1 5 7 6 k m ，流域面积6 1 3 1 3 k 0 2 ，青岛地区境内流域面积 4 8 5 0 7 k 0 2 ，占流域总面积的7 9 1 1 ，占青岛市总面积的4 5 。大沽河水系流经青岛市辖 区内的5 市1 区7 0 多个乡镇，长5 k m 以上的支流1 1 0 条，主要支流有小沽河、洙河、五 沽河、流浩河及南胶莱河等。大沽河水源地是青岛市主要饮用水源地之一，每年向青岛 市区供水量约8 0 0 0 万m 3 ，占市区用水总量的4 5 左右，在河流的中上游建有产芝水库和 尹府水库大型水库2 座，高格庄水库等中型水库6 座，拦蓄能力为3 7 亿m 3 见表2 1 。 大沽河水系及水源地分布见图2 一l 。 表卜1大沽河水系大、中型水库一览表 项目 流域兴利库容 死库容 建库 所在所在 总库容 水库 面积库容水位库容水位 时间河道市区( 万m 3 ) 名称 ( k m 2 ) ( 万一) ( m ) ( 万m 3 ) ( m ) 产芝1 9 5 8 9大沽河莱西 8 7 9 4 0 2 0 01 8 4 0 0 7 1 5 0 8 0 06 3 0 0 尹府 1 9 6 0 6 猪洞河平度 1 7 81 6 1 3 08 1 0 07 9 5 07 0 07 1 7 0 束化泉 1 9 6 0 8 流浩河即墨 4 2 72 5 0 01 6 4 04 2 3 91 2 03 8 “ 挪城 1 9 6 0 8 桃源河即墨 5 l1 2 2 57 5 01 5 5 06 01 1 4 1 堤湾1 9 6 0 五沽河莱西 7 3 52 8 0 04 0 03 6 06 03 5 0 0 高格庄1 9 5 8 洙河莱西 1 2 52 0 5 07 9 88 3 3 51 77 7 0 7 北墅1 9 7 0 4小沽河莱西3 0 15 0 1 02 2 0 01 1 2 o2 31 0 0 0 黄同1 9 5 9 6 黄同河平度 1 2 65 1 4 72 5 9 08 6 5 01 4 07 8 0 8 9 数值模型在青岛市大沾河水源地地下水水质预测中的应用 图2 - 1 大沽河流域水系分布图 l o 数值模型在青岛市大沽河水源地地下水水质预测中的应用 2 3 地质概况 2 3 1 地层岩性 大沽河流域出露的地层除第四系松散地层以外，主要为中生代白垩系和古元古代变 质岩系地层，第三系为隐伏地层。区内古元古代变质岩层主要出露荆山群( p t l j ) 及粉 子山群( p t i f ) ，中生代白垩系地层自老至新分为莱阳群( k ) 、青山群( k q ) 和王氏群( k w ) ， 广泛分柿于本区中部台陷区，第三系地层主要隐伏于平度南大洼，为下第三系五图组。 ( 1 ) 古元古代变质岩层( p t ) ，区内主要出露荆山群( p t 。j ) 及粉子山群( p t f ) 。 荆山群地层主要分布于胶北隆起莱西南墅镇、平度明村镇及云山镇等地，属角闪麻粒 岩一角闪岩相变质，主要岩性为大理岩、黑云变粒岩、长石石英岩、浅粒岩、斜长角闪岩、 透辉岩、石墨变粒岩、片麻岩等。 粉子山群地层主要分布于平度灰埠，属高绿片岩相一低角闪岩相变质，岩性主要为黑 云变粒岩，斜长角闪岩、浅粒岩、长石石英岩、透闪大理岩等。 ( 2 ) 中生代白垩系地层自老至新分为莱阳群( k 1 ) 、青山群( k q ) 和王氏群( k w ) ，广泛 分布于本区中部台陷区。 莱阳群主要分布于胶州、即墨等地，为一套陆相粗碎屑一细碎屑的洪积相一河流相一河 湖相沉积，由砾岩、砂岩、粉砂岩、长石砂岩及含砾中粒岩屑砂岩等组成。 青l 【 群主要分布于胶州、河套、红岛及莱西等地，为一套陆相火山爆发相、溢流相 的中基性一巾性酸性火山岩系，下部岩性为流纹质含角砾熔结凝灰岩、岩屑玻屑凝灰岩； 中部岩性为安山岩、玄武安山岩夹安山质火山角砾岩、角砾集块岩等；上部为玄武粗安 岩夹砂砾岩。 王氏群主要分布于胶州市至上马镇以北直至古岘、莱西广大地区，为一套陆相紫红 色碎屑岩间夹玄武岩沉积，下部岩性为钙泥质粉砂岩夹钙质细粒长石砂岩、细粒长石砂 岩，上部为杏仁状玄武岩、拉斑玄武岩及伊丁石化安山玄武岩。 ( 3 ) 第三系地层主要隐伏于平度南大洼，为下第三系五图组，出砾岩、砂岩、页岩和 泥质岩等组成。 ( d ) 第四系地层广泛分布于区内现代河流两侧、山前、入海处及准平原地区，为第四 系更新一全新统冲积、洪积、冲洪积、残坡积、海积、海陆交互堆积及人工堆积等松散堆 积层。其中冲积和冲洪积层最有供水意义，该层主要分布于较大河流的中下游和山前地 数值模型在青岛市大沽河水_ i 缛l