雨水回灌對深層承壓含水層水質影響的模擬研究

李賀強, 邢國平, 王 超

(天津大學 環境工程與科學學院, 天津 300072)

雨水回灌對深層承壓含水層水質影響的模擬研究

李賀強, 邢國平, 王 超

(天津大學 環境工程與科學學院, 天津 300072)

摘要：[目的] 揭示雨水回灌中污染物在深層承壓含水層中的遷移擴散規律。[方法] 以常規指標氯化物(Cl-)為研究對象，針對天津市市區第Ⅳ承壓含水組，應用地下水模擬軟件(groundwater modeling system，GMS)中的MODFLOW和MT3DMS模塊分別進行地下水流場和溶質遷移模擬。模擬了4種不同的Cl-質量濃度和水量條件對溶質運移的影響。[結果] 當溶質質量濃度相同時，回灌水量增大4倍，等Cl-濃度面積增大約1.44倍；當回灌水量相同時，溶質質量濃度增大2倍時，等Cl-濃度面積增大約0.92倍。[結論] 回灌水溶質濃度和回灌水量對Cl-在地下水中的遷移均有一定的影響，而且回灌水量的影響大于溶質質量濃度的影響；增大回灌水量、減小回灌水溶質濃度利于Cl-的遷移擴散。

關鍵詞：雨水回灌; 流場模擬; 溶質運移

天津市長期超量開采地下水，造成地下水位持續大幅度下降，形成了市區及近郊區等幾個下降漏斗，惡化了地質環境和生態環境，加劇了地面沉降，誘發一系列環境地質問題。為了解決上述問題，利用雨水回灌進行人工補充地下水是一個新的方向。由于深層地下水的埋藏較深，水文地質等檢測勘察資料和手段不夠齊全，試驗和現場研究等都存在著較大的難度，隨著各種地下水模擬軟件的開發應用，對人工回灌地下水水質影響的數值模擬研究也越來越多。張宗文等[1]采用地下水數值模擬軟件GMS，模擬預測了北京某地區面狀污染源對水源地的影響情況。吳昌將等[2]采用軟件Visual Modflow，預測模擬了呼和浩特及周邊淺層地下水硝態氮污染的時空變化規律及趨勢。目前，國內相關學者的研究多集中在淺層地下水中污染物的遷移模型，本文運用GMS軟件研究深層低滲透性承壓含水層中污染物的遷移規律。

1研究背景

1.1　研究區基本情況

天津市地處華北平原東北部平原區，松散巖類孔隙水自上而下分為4個含水組，研究區目標層為天津市區第Ⅳ含水組，該含水層為承壓含水層。底界深度400～500 m，含水層巖性主要為粉細砂，厚度多在30～40 m，市區中南部可見中細砂，涌水量在1 000～3 000 m3/d，導水系數100～300 m2/d，其余地區涌水量在500～1 000 m3/d，導水系數50～200 m2/d，滲透性較差。該含水層也是市區及近郊的主要開采層，處于超采狀態，雖然與其他含水層比，第Ⅳ含水組的開采量要小得多，但由于補給條件差，水位持續下降，在其周圍形成了較大的水位下降漏斗，該含水層承壓水等水位線為-70～-90 m[3]。

1.2　雨水回灌地下水的可行性

隨著水資源的進一步短缺，雨水再利用成為研究熱點。雨水一般具有雨量大，降雨季節集中等特點，以天津市為例，統計該市1985—2012年的月降水量，求得多年來各月份的平均降雨量，計算各月降水量占全年降水量的百分比。天津市7月占全年降雨量的百分比最大，為27.5%，7月平均降雨量為140.4 mm；8月份次之，平均降雨量為124.4 mm，占全年降雨量的24.3%；再次之是6月份，占全年降雨量的17.1%。天津城區道路雨水徑流的污染物包括無機陰離子、重金屬、有機污染物、營養鹽等，其中氯化物的平均濃度為27.88 mg/L[4]。Cl-性質穩定，不易發生化學變化，較難被吸附，很難被微生物分解，選擇Cl-作為示蹤離子是比較理想的。對于水資源嚴重短缺的天津，將雨水處理達標后進行人工回灌補充地下水具有一定的必要性和可行性。

1.3　GMS軟件介紹

GMS(groundwater modeling system)是由美國Brigham Yung University的環境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗站在綜合Modflow，MT3DMS，Modpath，Femwater，RT3D，UTCHEM，SEAM3D等已有模型的基礎上開發的一個綜合性的，用于地下水模擬的可視化地下水模擬軟件包。本研究中主要用GMS中的Modflow建立天津市第Ⅳ承壓含水組的流場模型，在該模擬流場基礎上運用MT3DMS軟件建立Cl-運移模型，在具有多種類型邊界和外部源匯項，考慮對流、彌散等情況下，模擬地下水中Cl-的濃度變化，著重分析回灌雨水中的污染物濃度和水量對污染物在地下水中遷移的影響，以期提高回灌水在低滲透性承壓含水層中的遷移體系的認識。

2地下水流場模擬

2.1　模型概化

根據研究區水文地質條件和地層巖性，將目標區地下水系統概化成一層承壓含水層，根據多年水位觀察資料，該研究區地下水的動態變化較穩定，可將目標區地下水系統概化為平面二維穩定流地下水系統。

研究區含水組上邊界和下邊界無越流量，概化為不透水層。研究區邊界不是天然邊界，根據其與邊界地區的流量交換，概化為通用水頭邊界。

2.2　水文地質參數

根據水文地質基礎資料和前人研究成果及經驗，將含水層滲透系數分為多個區。根據各個分區內的水文地質概況，給各個分區的水平滲透系數、彈性釋水系數等分別賦予適當的初始值[3,5]。

2.3　模型校核

模型校核是地下水數值模擬中重要的環節，通過不斷改變滲透系數、釋水系數等水文地質參數，重復計算，直到觀測點計算結果與觀察結果的差控制在可以接受的范圍內。由于實際地質條件比較復雜，為了達到研究目的，建立模型時必然要提取主要影響因素，弱化甚至忽略部分次要因素，因此可能導致模型參數和實際地質參數不一樣，這是理論研究允許的，但是模型參數應規范在一定的范圍內，其變化趨勢和實際地質參數應一致[6]。建立模型經過模型校核后，8個觀測井中觀測值和水頭計算值偏差在1 m以內的觀測點有7個，占總數的87.5%，最大偏差率為2.1%，擬合效果較好。觀測孔水位擬合見圖1。由圖1可知，水流模型與觀測孔所得到的地下水動力特征基本吻合，說明該水流模型具有較高的精密度。

圖1　觀測井水位擬合圖

模型校正后，彈性釋水系數取0.000 6～0.000 8，水平滲透系數根據不同分區取值為1~16，均為有效合理范圍，且參數分區及遞變規律基本符合實際水文地質情況,，開采用水較為分散，利用Recharge模塊將其以面狀補排形式給出，入滲速率為-0.000 014。

3運移模擬

3.1　數學模型的建立

描述三維非穩定地下水流系統中k組分污染物的存在時間和運移的偏微分方程為：

(1)

C(x,y,z,t)=c0(x,y,z,t)(在Ω上)

(2)

式中：C(x,y,z,t)——溶質的濃度分布；c0(x,y,z,t)——已知的濃度分布； Ω——整個模型區域。

溶質運移模型以第2節所得的水流數值模擬模型為基礎，同時考慮模擬單元溶質濃度是隨時間變化的，所以模型建立為平面二維非穩定流模型，無垂向模擬。Cl-作為示蹤離子，其本身性質穩定，不易發生化學變化，較難被吸附，很難被微生物分解，在Cl-運移過程中的對流與彌散起主要作用，不考慮Cl-在含水層中的吸附、生物降解等作用，因此式(1)偏微分方程中略去化學反應項。

3.2　參數的確定

研究對象選取人工回灌地下水水質控制中的基本控制項目中的氯化物(Cl-)。由于目標層為第Ⅳ承壓含水層，采用井灌的方式將處理后的雨水回灌給目標層。將該注水井作為一個Cl-遷移的點源，點源外的Cl-濃度為220.68 mg/L[7-8]。模擬過程中秉承污染最大化、危害最大化的原則，取天津市Cl-濃度的平均最高值27.88 mg/L和該值的2倍(即55.76 mg/L)作為入滲初始質量濃度[4]，以確定可能出現的最大危害情況[9]。根據相關研究，孔隙度取0.30，縱向彌散度和橫向彌散度分區取40和8 m[10-11]。

為了研究回灌水量對地下水水質的影響，分別取回灌水量為100和400 m3/d。研究區地下水流場模型是用2011年的鉆孔資料校核的，校核后的模型參數可直接用于溶質運移模擬[7]。

3.3　模擬結果與分析

在Cl-運移模型中，分別按以下條件模擬溶質運移情況，假設在3 000 d的時間內，Cl-以該質量濃度持續補給地下水。

(1) 回灌雨水的Cl-質量濃度為27.88 mg/L，回灌水量為100 m3/d。3 000 d后的地下水中Cl-質量濃度分布情況見圖2a。

(2) 保持回灌溶質濃度不變，回灌水量為400 m3/d。模擬后地下水中Cl-質量濃度分布情況見圖2b。

圖2　3 000 d后回灌井周圍地下水中Cl-質量濃度等值線

(3) 回灌雨水的的Cl-質量濃度為55.76 mg/L，回灌水量為100 m3/d，3 000 d后的地下水中Cl-質量濃度分布情況見圖2c。

(4) 保持回灌溶質濃度不變，回灌水量變為為400 m3/d。模擬后地下水中Cl-質量濃度等值線見圖2d。

回灌井以外的Cl-濃度背景值為220.68 mg/L。由圖2可知回灌區Cl-濃度隨著距離回灌井距離的減小而減小，說明該回灌雨水對第Ⅳ含水組的氯化物濃度具有稀釋作用，有利于改善原地下水水質。

已知回灌井西南方向(即回灌井的左下角方向)水頭較低，地下水中Cl-污染羽在回灌井的西南方向分布較廣，說明通過深井回灌的雨水主要向地下滲流場中水頭較低的方向運動。由于導水系數、水力坡度等較小，回灌雨水運動速度較慢，擴散范圍較小，回灌水中的Cl-在該深層注水井中3 000 d后大約遷移了570～630 m，這與Li等[12]在澳大利亞佩思設計的儲水層恢復系統(ASR)的研究結論類似。

3 000 d后等Cl-質量濃度為220.280 mg/L時，情況1，2，3，4中回灌水影響面積分別為：305 000，437 500，280 000和405 000 m2。當溶質質量濃度相同時，回灌水量增大4倍，等Cl-濃度面積增大約1.44倍；當回灌水量相同時，溶質質量濃度增大2倍時，等Cl-濃度面積增大約0.92倍。說明回灌水量增大有助于回灌水在地下水中的遷移擴散，當回灌水溶質濃度增大時，由于回灌水中Cl-濃度與原地下水中Cl-濃度的差值減小了，Cl-濃度差的減小抑制了其在地下水中的彌散作用。回灌水溶質質量濃度和回灌水量對Cl-在地下水中的遷移均有一定的影響，其中，回灌水量的影響大于溶質質量濃度的影響。

4結 論

(1) 回灌區Cl-濃度隨著距離回灌井距離的減小而減小，說明利用雨水回灌地下水不僅可以從水量上補充地下水，而且可以稀釋天津地下水中的氯化物濃度，利于改善原地下水水質。

(2) 在3 000 d的模擬期內，通過深井回灌的雨水主要向地下滲流場中水頭較低的方向運動，由于導水系數、水力坡度等較小，回灌雨水運動速度較慢，污染羽最遠處距回灌井約570～630 m，擴散范圍較小。低Cl-濃度主要分布在回灌井附近，220.280 mg/L等濃度線覆蓋約437 500 m2，217.382 mg/L等濃度線覆蓋大約227 500 m2，占220.280 mg/L等濃度線區域的52.00%；205.788 mg/L等濃度線覆蓋大約115 000 m2，占220.280 mg/L等濃度線區域的26.29%。

(3) 回灌水溶質質量濃度和回灌水量對Cl-在承壓含水層中的遷移均有一定的影響，其中，當溶質質量濃度相同時，回灌水量增大4倍，等Cl-濃度面積增大約1.44倍；當回灌水量相同時，溶質質量濃度增大2倍時，等Cl-濃度面積增大約0.92倍，可見回灌水量的影響大于溶質質量濃度的影響。增大回灌水量、減小回灌水溶質濃度利于Cl-的遷移擴散。

(4) 在回灌井附近的污染羽中，Cl-隨回灌水在地下含水層遷移擴散，隨著雨水回灌的持續進行，Cl-影響范圍越來越大，考慮到回灌水中其他污染物的影響，選擇回灌地點時應避開以地下水為水源的區域。

(5) 由于目標含水層補給條件和滲透性較差，雖然地下水對回灌雨水有稀釋作用，但作用非常緩慢，為防止回灌水污染地下水，應該進一步根據水文地質情況的不同制定更加嚴格的回灌水質標準。

[參考文獻]

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Simulation Study on Effects of Stormwater Recharge on Deep Confined Aquifer Water Quality

LI Heqiang, XING Guoping, WANG Chao

(SchoolofEnvironmentScienceandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract：[Objective] To analyze the contaminant transport of stormwater recharge in deep confined aquifer.[Methods] The groundwater flow modeling and solute transport simulation were studied by the Modflow and MT3DMS, which are two modules of groundwater modeling system (GMS), in the fourth confined aquifer of Tianjin City. And chloride ion(Cl-), a common index, was used as object of the study. Four different kinds of the mass concentrations of Cl-and the amounts of recharge water were simulated and analyzed. [Results] When the amount of recharge water increased 4 times and the solute concentration remained constant, the area of certain Cl-concentration in the groundwater would increases 1.44 times; when the solute concentration increased 2 times and the amount of recharge water remained constant, the area of certain Cl-concentration in the groundwater would increases 0.92 times. [Conclusion] Both the amount of recharge water and the mass concentration influence the transportation of Cl-obviously, and the influence of the former tends to be greater than the latter. Meanwhile, either increasing the amounts of recharge water or reducing the solute concentrations are conducive to transferring and diffusing of Cl-.

Keywords:stormwater recharge; flow field simulation; solute migration

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)01-0139-04

中圖分類號：P641.8

收稿日期：2014-01-01修回日期：2014-03-04

資助項目：住房和城鄉建設部“城市綠色發展生態技術研究與示范”(2012BAC13B00)

第一作者：李賀強(1988—), 男(漢族),河北省保定市人,碩士研究生,研究方向為城市雨水資源化。E-mail:liheqiangll@163.com。