第六章(2)地下水数值模拟模型的应用实例xiugai.pptVIP

地下水数学模型及数值模型的建立 含水层之间存在的一个弱透水层组由于相对隔水 地下水流动特征以水平为主 垂向为辅 研究区含水层组概化为3层 一个浅层水含水层 一个弱透水层和一个深层压含水层 水文地质概念模型 1 水文地质概念模型 模拟区地下水总体由西北流向东南 北部边界为宿北断裂是一隔水断裂 断裂阻隔了岩溶水和孔隙水之间的水力联系 作用阻隔了北区岩溶水与南区孔隙水的水力联系 因此是隔水边界 东西南部边界为宿州市规划区区域边界 均为透水边界 浅层水水力坡度1 5500 1 6500 深层水比浅层水稍小 迳流缓慢稳定 故可处理成二类流量边界 2 地下水数学模型的建立 三维 非均质 各向异性 非稳定流 3 地下水流数值模型 1 本文主要用GMS中MODFLOW模块2 网格剖分研究区面积约690Km2 根据模拟区含水层的结构和地下水渗流特征 将计算域在垂向上分为3层 平面上各层按 x y 200m的网格剖分 时间步长为30d 4 初始条件 1993年浅层含水层等水位线图1993年深层含水层等水位线图 5 含水层参数分区及初步选取 浅层含水层组渗透系数及给水度分区图 深层含水层组渗透系数及弹性释水系数分区 6 源汇项 1 降雨入渗 7 降水入渗系数与降水量 潜水水位埋深和包气带岩性有关 全区年降水量变化不大 但是降水入渗系数存在着分区分带的差异 下图为按降水入渗系数大小分区 源汇项 降雨入渗系数 8 农灌地下水灌溉回渗量 计算公式为 其中 灌溉回渗量 m3 a 灌溉模数 m3 a km2 灌溉区面积 m2 耕地比率系数 灌溉回渗系数 源汇项 q F b a 9 河流补给量及河流排泄 计算公式 其中 河流补给或排泄量 m3 a 河流侧渗系数 m d 河流侧渗带宽度 m 平均水力坡度 河流侧渗带长度 补给时间 d 侧向径流补给量和侧向径流排泄 计算公式 其中 侧向径流量 m3 a 侧向径流边界水力坡度 垂直地下水流向的径流带宽度 含水层导水系数 m2 d Q KBLJt 河 流 Q 河 流 K B J L t Q JLT 侧 Q 侧 T L J 源汇项 10 蒸发强度 潜水年蒸发强度主要取决于包气带岩性 地下水埋深及相应时间水面蒸发强度 根据查区不同地段地下水长期观测资料 采用阿维利杨诺夫经验公式进行计算 源汇项 11 模型识别过程主要是对模型参数进行调整 通过反复试算调整模型参数使识别期模型计算结果与实际均衡结果接近 1 区域流场 2 动态长观孔监测资料 3 模拟计算的水资源量与长期监测水量计算结果吻合 选用1993年1月至2003年12月为模拟时间段 该时段内区内地下水动态观测资料和各种源汇资料及2003年水位等值线为依据进行模型的识别 模型识别 12 水位动态拟合误差基本保证在2m以内 这与流场拟合误差范围相同 模型识别 13 模型识别 14 模型识别期地下水均衡结果对比表 单位万m3 11a 模型识别 15 模型识别 16 模型的检验 以2003 12至2006 12月作为模型验证时期 共计36个时段 以2003年统测的地下水流场作模型验证的初始流场 模型检验期观测孔水位动态拟合曲线 17 图4 162006年浅层含水层水位拟合曲线 实线为实测值 虚线为计算值 图4 172006年深层含水层水位拟合曲线 实线为实测值 虚线为计算值 模型的检验 18 模型的检验 19 模型可靠性分析 1 识别模型模拟结果的宏观效果与区内水文地质条件 动态观测结果基本一致 反映出数值模型对于实际模型有良好的相似性 保证了模型预测的可靠性 2 模型调参期间 将流场与水均衡分析结果结合起来 对水力梯度场进行了对比 减少了调参的自由度 保证了调参结果准确性 3 模型求参结果与钻孔抽水所确定的参数基本接近 综上所述 从观测孔水位动态 流场和均衡量对比等三个方面看 观测孔拟合精度相对较高 水力梯度场宏观效果较好 模型计算的均衡量与均衡法得到的结果相差不大 模型识别得到的水文地质参数值及参数分区与水文地质条件基本相符 能够反映区内地下水流动系统特征 具有较高的仿真性 因此 可以用上述模型对区内地下水开采方案进行模拟预测 20 预测方案设计 一 新水源地位置选择含水层的富水性地段 充足良好的补给来源 远离原有的取水点减少相互干扰 选在远离城市 远离已污染地表水体地段 上部有稳定隔水层分布的在含水层地段综合以上条件 宿州市新水源地选取城区偏西北部新水源地选在富水性强的西二铺附近 21 开采井的布置方案 宿州市现阶段地下水开采处于稳定阶段 但城区中心水位过低 针对开采现状提出以下3种方案 1 现有开采水源井位置不变开采量增加50 2 现有开采水源井不变 同时在水源地研究区西北部增设开采井 总开采量约15万m3 d 3 现有开采水源井不变 同时在水源地研究区西北部增设开采井 总开采量约20万m3 d 22 模型预测 预测模型的各项参数参照上文模型识别检验的结果 预测时段选用2006年1月 2020年12月 时间步长为90天 以2006年年平均流场作为模拟的初始流场 大气降水量在时间和空间上分布都极为不均 由此 采用多年平均降水量作为预测期各年的降水量 年内每月的的变化也按多年统计平均的的比例赋值于模型开采量在现有开采基础上按开采方案以定开采量输入模型 其它源汇项数据 按照检验模型给出 23 三种方案得到的预测水位在模拟的15年时间内都呈下降的趋势 下降最严重的地方是城区 三种方案水位分别下降23m 10m和20m 深层含水层漏斗中心水位历时曲线图 模型预测 24 从水均衡计算结果看侧向补给量及河流补给量随开采量的增大而增大 蒸发量依旧是主要排泄项 三种方案均处于负均衡 方案二补给项与排泄项相差较小 基本保持平衡 增加开采量在短期内必然会消耗含水层储存量 长期开采将造成含水层的枯竭 三种预测方案2020年水均衡表单位 万m3 a 模型预测 25 结论 1 经过系统收集宿州市的气象 水文 地质 地貌 水文地质和地下水开发利用状况等资料 查明研究区第四纪地质及地下水系统的空间分布与结构 2 根据水文地质资料分析将研究区概化为3层 中间有1个弱透水层 含水层的上边界为潜水面 四周边界均处理为流量边界 下边界为第三系顶部的厚层灰绿色粘土 局部为胶结 半胶结状泥岩 隔水性能好 因此也处理成为隔水边界 含水层间通过垂向渗透系数进行水量交换 将研究区地下水系统概化为空间三维 非均质各向异性 非稳定的地下水流系统概念模型 3 建模过程中首先选择1993年的资料建立了地下水流模型 通过调参识别了潜水含水层的给水度和承压含水层储水系数 模型识别的含水层参数渗透系数范围在为2 10m d 给水度范围在0 02 0 15内 弹性给水度值在0 0002 0 0014 输入模型的补给项包括 降雨入渗 西面的侧向径流补给 灌溉回渗和河流入渗等 排泄项包括 人工开采 潜水蒸发 北东边界流出等 26 4 运用2003年的资料输入模型进行了模型的验证 计算结果与地下水位观测结果相差最大不超过2m 所建立的宿州市地下水流数值模型能够反映研究区含水层水流运动特征 因此可用此模型来做不同开采方案下的地下水流场预测 5 通过水均衡法计算宿州市多年平均地下水资源补给资源量为15781 77万m3 a 排泄资源量为15823 47万m3 a 数值法计算多年平均补给资源量为16283 17万m3 a 排泄资源量为16286 39万m3 a 蒸发为主要排泄方式 约占排泄量的60 6 针对宿州市水资源开采现状及供需状况设计3种开采方案 通过模型对3种开采方案的预测得出如下结论 3种方案得到的预测水位在模拟的15年时间内都呈下降的趋势 下降最严重的地方是城区下降水位粉分别为23m 11m和20m 三种方案综合比较 为不至于由于开采地下水使水位下降引起各种地质环境问题 建议今后不应增加原水源地的开采量 如需增加开采量需增设新水源地 可采取第二种开采方案开采 结论 27 建议 1 蒸发为研究区地下水主要排泄方式 约占排泄量的60 但由于浅层水单井出水量较小不宜集中开采 可考虑增加浅层地下水的面状开采 增大浅层地下水埋深减少有效增发量 2 本文所设开采方案仅考虑增加开采量 没有考虑增加补给量的开采方案 在增加开采井时同时可考虑增加回灌井 或以原来部分水源井改为回灌井 以增加补给量 3 本文大部分参数都是由前人研究成果得来 下一步应直接获取第一手资料 4 由于资料有限 所建宿州市规划区模型范围较小 当取水量稍大时 对整体流场都会产生较大影响 因此在开采方案预测时本文仅能在开采区周边把握流场变化趋势 下一步工作应扩大研究区范围 5 建立模型的过程中 由于缺少河流水位动态资料 对河流刻画较为粗略 为了模型能够更加真实反映研究区特征 建议今后对河流资料应充分收集 28 应用研究 地下水开采引起的环境问题 1 地面沉降 2 开采深层水引起浅层水位下降 3 浅层水位下降导致的地下水污染 29 7 3嘉兴垃圾填埋场地下水溶质运移模型 30 2020 3 20 31 总体目标 查明长江三角洲地区典型垃圾填埋场地下水污染现状 并建立相应的地下水污染数值模型 研究不同地质背景条件的垃圾场地下水有机污染物迁移演化特征及其影响因素 建立地下水污染综合评价方法 建立地下水防污性能评价指标体系 32 研究区概况 33 如图 在地图东南角 垃圾场傍水而建 东 西 南三面都靠临河流 填埋场垃圾平均堆放高度约20m 整个地区高程在4 2m到2 0m之间 潜层含水层由巨厚型粘性土组成 区内无大型水源地开采 浅层地下水的开采主要来自于当地居民的生活用水 开采量较小 特别是近几年来 由于地下水污染加重而不能继续用来饮用 对浅层地下水的抽取量则更小 嘉兴垃圾填埋场的基本情况 34 由于该垃圾填埋场不是实际意义上的垃圾卫生填埋场 它没有底部 侧部和顶部的防护系统 没有隔绝氧气的进入 降雨比较容易渗入垃圾场中 使渗滤液的量增大 组分变化复杂 由于垃圾场直接位于第四系粘性土之上 与地下含水层之间没有稳定的隔水地层的存在 所以 垃圾渗滤液渗透进入地下水中 使地下水遭受污染 嘉兴垃圾填埋场的基本情况 35 2006年9月2007年12月 36 湖州松鼠岭垃圾填埋场的基本情况 湖州垃圾填埋场位于市区西北部杨家埠松树岭 距市区10公里 填埋场靠王母山 面对104国道 其原始地形为东 北 西三面高 向南敞开的山坳 37 湖州垃圾填埋场2000年5月份动工建造 2001年8月竣工投入使用 总投资6350万元 填埋场占地面积15 67公顷 库区面积6 32公顷 库区总容积147万立方米 设计使用年限14年 日处理能力470吨 湖州垃圾填埋场的整个区域高程在2 2m到171 9m之间 周围土壤为中生界侏罗系上统黄尖组的灰色含砾晶屑熔结灰岩风华后的黄褐色粘土 为防止渗滤液直接流入填埋场下方的小溪 在填埋场下方挖有污水池 通过导流以收集渗滤水 区内无大型水源地开采 浅层地下水的开采主要来自于当地居民的生活用水 开采量较小 特别是近几年来 由于地下水污染加重而不能继续用来饮用 对浅层地下水的抽取量则更小 湖州松鼠岭垃圾填埋场的基本情况 38 嘉兴垃圾填埋场概况图及布置钻孔位置 39 嘉兴垃圾填埋场附近钻探取样孔 40 嘉兴垃圾填埋场剖面图图 41 地形测量 为了准确的掌握嘉兴垃圾填埋场附近的地形地貌 为垃圾渗滤液在地下水中的迁移数值模拟提供精确的的地形数据 于2007年12月5号项目组利用全站仪 对嘉兴垃圾填埋场周围的地形进行了测量 42 采样测试 第一次于2007年10月 主要采集了两个垃圾填埋场 嘉兴与湖州松鼠岭 的渗滤液 共六组 用于对比2006年的有机测试结果及增加测试的连续性 测试在国土资源部武汉监督检测中心进行 第二次采样于2007 11 30 2007 12 10进行 共采集有机样19组 无机样24组 其中嘉兴垃圾填埋场有机样16组 无机样各21组 湖州松鼠岭垃圾填埋场有机样与无机样各3组 测试结果见附件 第三次采样于2008 3 19 2008 3 25 共采集有机 无机样各25组 43 2006年嘉兴采样点分布 2007年嘉兴采样点分布 44 嘉兴无机物检测情况分析 Cl 1 总的来说 Cl 最忠实的记录着垃圾场渗滤液对地下水及地表水的污染程度 且规律性较明显 靠近污染源的井点浓度值较高 远离污染源的井点浓度值较低 没有超标 45 嘉兴总硬度与溶解性检测情况分析 垃圾填埋场对周围地区地下水的污染是主要的污染源 且通过总硬度的数据可以说明 除了垃圾渗滤液的影响外 生活污染 工业废水的排放都有很大的关系 这些污染共同作用使得这一地区地下水化学类型复杂 是地下水污染的严重区 46 嘉兴无机物检测情况分析 三氮 三氮的浓度也反应了该区域的污染状况 该区域地下水三氮的浓度都出现不同程度的超标 地下水中NO3 的检测值差别很大 范围在0 64 130mg L 超标率最高 达到58 3 NO2 NH4 的检测值范围分别在NO3 NO2 而在地下水中 三氮浓度大小为NO3 NH4 和NO2 且硝酸盐的超标率最高 亚硝酸盐次之 氨氮最低 第二次和第三次的检测值较低可以说明靠近垃圾填埋场的浅层地下水氮污染主要是由垃圾渗滤液造成的 而远离垃圾场污染源的浅层地下水氮污染主要是由居民人为污染造成的 47 嘉兴无机物检测情况分析 重金属元素 该地区三次地下水水样检出重金属有 Fe Mn Zn Cd Pb Cr6 等 检出结果表明 垃圾场附近的地下水中重金属含量要高于距离垃圾场稍远处 这说明垃圾场附近区域的地下水已经受到渗滤液重金属的污染 以 Fe Mn较明显 48 部分嘉兴有机物检测情况分析 从总体上看 氯代烃的检出率较高 尤其是氯仿 且分布广泛 具有面状分布特征 这可能与多个污染源 垃圾填埋场 排污积水池 排污沟 有关 2007年11月和2008年3月水样检测的氯代烃浓度和检出率都比2007年1月水样高 这主要原因可能是采样点重新布置 且采样点更靠近垃圾场 污水沟等污染源 49 由图3 14可以看出 采样点BS102的检出浓度相对较高 主要原因可能是该点是紧邻垃圾场的地表水样 垃圾渗滤液随地表径流直接进入河流 加上污染物在河流中迁移能力差 溶解度小 主要累积在沉积物中 导致该处的地表水浓度高 部分嘉兴有机物检测情况分析 50 部分有机物浓度分布变化 51 52 湖州垃圾场主要有机污染物的浓度分布特点 53 研究区水文地质条件 嘉兴垃圾堆放场处于降雨丰富的杭嘉湖平原上 紧傍河道 且研究区地下水位埋深浅 0 5m 因此堆放场淋滤液与地下水形成统一的水力联系 垃圾渗滤液不经包气带而直接进入地下水中 其浅层 厚度6 10m左右 岩性主要由冲淤积松散砂粉细砂构成 渗透性变化较大 0 5 3m d 在松散粉砂层下是一厚度约10 20m左右的粘土 54 模型控制方程 地下水流方程 地下水污染物运移方程 55 地下水溶质运移模型 Cl 由于嘉兴垃圾填埋场是一个没有封闭的垃圾填埋场 2007 8前 降雨直接补给垃圾填埋场 因此此次研究中应用分析模型计算垃圾渗滤液的产量 选取保守型离子 Cl 作为模拟因子 模拟垃圾渗滤液在地下水中的迁移距离及范围 垃圾渗滤液产量估算模型 Q C1 A1 I 10 3C1 C值为填埋场降水量转为渗滤液的比率 根据具体情况 C值又