灤河沖洪積扇上部河流與地下水相互作用模擬

馬紅宇,黃 勇

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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灤河沖洪積扇上部河流與地下水相互作用模擬

馬紅宇,黃 勇

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

利用Feflow軟件對灤河灤縣段主要污染物硝酸鹽氮的區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬,同時對監(jiān)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行溶質(zhì)擬合驗證并模擬預(yù)測。研究表明,河道兩側(cè)地下水在山前上游附近污染不明顯,河流在出山口后,沿河流兩岸地下水出現(xiàn)了一定程度的污染,下游相對上游污染較嚴(yán)重,預(yù)測該地區(qū)未來5年中,由于黏土層的阻隔致使地下水污染物擴散逐漸減緩。

硝酸鹽氮;Feflow軟件;數(shù)值模擬;灤河

灤河發(fā)源于河北省豐寧縣西北小梁山大古道溝,流經(jīng)內(nèi)蒙古轉(zhuǎn)回河北省,經(jīng)承德、下游流經(jīng)唐山市的遷西、遷安、灤縣、灤南、樂亭入渤海。灤河是河北省也是我國北方流量較大、常年有水的河流之一,為沿岸的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活提供了水源。然而, 20世紀(jì)60年代以來,灤河兩岸森林砍伐速度過快,造成汛期泛濫成災(zāi),冬春季流量銳減;沿岸各種工業(yè)發(fā)展迅速,居民人數(shù)急劇增長,生產(chǎn)廢水和生活污水任意排放,已嚴(yán)重影響和制約了灤河流域的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活。本文選取灤河與其周邊地區(qū)作為研究區(qū),采用數(shù)值模擬方法研究灤河與地下水的相互作用,在二維剖面的基礎(chǔ)上使用區(qū)域模型[1],在灤河沖積扇區(qū)域范圍內(nèi)對地下水污染進(jìn)行了模擬及預(yù)測。

由于灤河沖積扇地下水與河流交互屬于典型的山前平原區(qū)交互機理[2-4],關(guān)于山前平原區(qū)地下水層直接相通時,地下水近似呈水平流。河水與地下水的補排關(guān)系取決于河水水位和含水層的測壓水位,當(dāng)河水水位高于地下水水位時,河水補給地下水;當(dāng)河水水位低于地下水水位時,河水排泄地下水[5-6]。

1 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概況

1.1 研究區(qū)位置

研究區(qū)位于灤縣京山鐵路以下(即山前平原區(qū)的起點)約5.5 km的河段上,具體位置為從灤縣老站至下游巖山部分,河流近似呈南北向,水流方向由北向南。該區(qū)以灤縣為頂點發(fā)育了晚更新世晚期和全新世沖積扇[7],研究區(qū)位于灤河沖積扇上部。為了研究灤河與地下水的相互作用,在研究區(qū)共設(shè)置了3條監(jiān)測斷面,并布設(shè)了13口監(jiān)測井。其中研究區(qū)左邊較深色邊界為灤河區(qū)域內(nèi)一、二級階地的分界線,左邊較淺色邊界為一級階地與弱富水區(qū)分界線,右側(cè)為灤河邊界(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及鉆孔布置

圖2 灤河下游區(qū)域水文地質(zhì)剖面

1.2 水文地質(zhì)條件

a.地層結(jié)構(gòu)。鉆孔過程中,對研究區(qū)地層從上到下進(jìn)行了描述和編錄,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地層巖性主要為粉細(xì)砂、黏土和砂卵石層。

b.含水層類型。研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)類型在垂向上表現(xiàn)為二元結(jié)構(gòu)。上部為粉細(xì)砂、黏土組成的弱透水層,顆粒粒徑較小,滲透性較小,其中粉細(xì)砂厚度約為1～4.5 m,在研究區(qū)分布連續(xù),黏土厚度約為0～7 m,分布不連續(xù);下部為砂卵石組成的強透水層,顆粒粒徑較大,滲透性較強,砂卵石層厚度一般20～28 m(圖2)。

多年來的地質(zhì)與水文地質(zhì)勘查表明,平原內(nèi)埋藏著分布非常復(fù)雜的古河道帶,這些古河道帶的沉積物多為較粗顆的砂、細(xì)砂與黏土層交錯疊置。這些埋藏的古河道帶砂層常賦存著豐沛的地下水。

c.地下水動態(tài)變化。水源地地下水水位年內(nèi)變化過程受氣象、水文及人為等因素的影響,表現(xiàn)為降水與河流混合型。地下水水位年內(nèi)變幅0.22～1.92 m,其在年內(nèi)季節(jié)變化過程中可分為3個階段。

地下水的相對穩(wěn)定期:自當(dāng)年10月至次年2月,地下水補給、排泄處相對平衡狀態(tài),此期間地下水變化較為平衡。

地下水下降期:自3月至5月,由于降水較少,又是農(nóng)業(yè)春灌集中開采期,地下水補給不充分,造成地下水的消耗量大于補給量,地下水水位呈緩慢下降態(tài)勢。但在巖山渠首引水期間,河道滲漏水量增加,地下水水位急劇上升,上升幅度0.2～0.5 m。引水過后,地下水水位重新呈現(xiàn)回落之勢。

地下水回升期:每年6—9月期間,雨季來臨,降水量和河道徑流增加,且農(nóng)業(yè)用水量較少,地下水得到充足補給,補給量大于排泄量,使水位回升,上升幅度0.4～1.5 m,并達(dá)到年內(nèi)最高值。高水位過后,地下水水位又轉(zhuǎn)入下降階段。

d.地下水補給、徑流和排泄關(guān)系:研究區(qū)內(nèi)地下水的補給來源主要為大氣降水、側(cè)向的滲流補給以及河道滲漏補給。地下水與灤河水關(guān)系密切,升降同步,特別是靠近灤河的觀測點更為明顯,灤河水位高于西岸地下水水位,以滲漏補給[8]地下水為主。

水源地地表巖性多為粉土、粉細(xì)砂,有利于大氣降水的入滲補給,灤縣地區(qū)多年平均降水量610.5 mm,為地下水的形成提供了充足的水源保證。地下水流向自西北向東南方向流動,與地面傾斜方向基本一致,枯水期水力坡度0.002 33,豐水期由于地下水補給充分,水力坡度增大,達(dá)0.005 03,地下水流向也略有改變。

2 地下水?dāng)?shù)值模型的建立與參數(shù)反演

2.1 模型的建立

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

溶質(zhì)在地下水中的運移符合Fick定律,研究區(qū)的潛水污染數(shù)學(xué)模型由地下水水流模型和溶質(zhì)運移模型通過運動方程耦合而成。溶質(zhì)運移方程如下式所示:

式中:Dx,Dy,Dz為x,y,z方向的彌散系數(shù);ux,uy,uz分別為x,y,z方向的流速分量;c為溶質(zhì)濃度;R為吸附系數(shù);I為溶質(zhì)源匯項,n為邊界面的法向方向,Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù),m/d。方程右端前3項表示擴散效應(yīng)引起的溶質(zhì)運動,中間3項為水流對流引起的運動,倒數(shù)第二項為吸附項。Γ1為濃度邊界；Γ2為溶質(zhì)通量邊界。

2.1.2 網(wǎng)格剖分

研究區(qū)三維空間模型由4個片和3個層構(gòu)成。其中,第1個片是潛水面,由于其高程是隨地下水水位變化的。研究區(qū)地面高程等值線由13個觀測井的地面高程來確定,其中1～5號井設(shè)在研究區(qū)上游位置,6～10號井設(shè)在研究區(qū)下游位置,11～13號井設(shè)置在研究區(qū)中游,采用阿基瑪-內(nèi)插外推法(Akima inter/extrapolation)插值生成。第2個片是砂層底板,第3個片是黏土層底板,第4個片是潛水含水層的隔水底板,由于研究區(qū)潛水含水層的厚度約為30 m,則隔水底板的高程由地面高程減去30 m的距離即可得到。由于研究區(qū)粉細(xì)砂、砂卵石層沒有缺失,厚度分布穩(wěn)定,而黏土層部分地區(qū)缺失,厚度分布不均,在模擬過程中假設(shè)黏土層缺失的地區(qū)厚度為1 m。計算區(qū)面積為9.5 km2,采用Feflow軟件進(jìn)行自動三角形網(wǎng)格剖分,剖分單元29 181個,結(jié)點20 364個(圖3)。

圖3 研究區(qū)有限元三角網(wǎng)格剖分

2.1.3 邊界條件

使用Feflow軟件[9],選取2010年11月11日的流場作為地下水模擬的初始流場,選取2011年11月11日作為模擬截止日期。研究區(qū)的劃定根據(jù)水頭邊界以及一,二級階地邊界得出,研究區(qū)左邊界為灤河,右邊界、上邊界及下邊界為區(qū)域內(nèi)一級階地和二級階地的分界線,故不考慮水力聯(lián)系,水力聯(lián)系為零。由于灤河在一年四季內(nèi)的水位變化幅度較大,故將灤河水頭邊界設(shè)置為動態(tài)邊界,本文擬定12個數(shù)據(jù),把每個月15日測得的水位作為平均水位從而組成動態(tài)水位。考慮到研究區(qū)特殊情況,將污染源考慮為線源及東部灤河邊界,但污染物上中下游不盡相同,故在右邊界進(jìn)行分段賦值。上游河水中NO3-N質(zhì)量濃度平均值為5.4 mg/L;下游河水中NO3-N質(zhì)量濃度平均值為6.0 mg/L。中游部分取二者的平均值。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)圖4所示,由于模擬只能大致反映研究區(qū)域概況,故導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況有一定誤差。7號井中NO3-N質(zhì)量濃度的模擬值與觀測值趨勢基本一致。由于7號井附近有供水水源地,抽水量較大, NO3-N離子隨著地下水被抽出,從而導(dǎo)致井中污染物濃度降低。7號井中NO3-N質(zhì)量濃度的觀測值與模擬值差值部分是由附近排污口排放污水而引起的。8號和9號井中NO3-N質(zhì)量濃度的觀測值略高于模擬值,這是由于該兩口觀測井位于農(nóng)田中,地表施肥導(dǎo)致井中污染物濃度較高。區(qū)域擬合基本反映出了NO3-N質(zhì)量濃度的變化趨勢。模擬值與實際監(jiān)測值之間的差別,主要是由于人工補給或地表灌溉造成的。識別后的模型能夠反映研究區(qū)NO3-N的運移情況。

圖4 NO3-N質(zhì)量濃度的模擬值與觀測值流場對比(單位:mg/L)

由于沿河流方向7號井附近降落漏斗[10]的存在,使得河流入滲水的范圍至距河較近的井,而內(nèi)陸觀測井中較高濃度的污染物主要是由地表灌溉或者施肥引起的。河岸附近水井非開采狀態(tài)下入滲河水在含水層中運移表明,無抽水情況下井中NO3-N質(zhì)量濃度明顯高于抽水情況下的濃度,污染物向內(nèi)陸擴散明顯,主要水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果[11]見表1與表2所示。

圖5 NO3-N質(zhì)量濃度流場對比 (單位:mg/L)

表1 反演后的主要水文地質(zhì)參數(shù)值

觀測井粉砂含水層礫石含水層滲透系數(shù)/(m·d-1)給水度滲透系數(shù)/(m·d-1)給水度1號5 80 08350 50 252號4 70 07347 60 183號4 50 06345 00 226號1 20 06246 80 0413號3 20 05354 80 15

表2 反演后的主要水文地質(zhì)參數(shù)值

3 河流水位變化條件下地下水中污染物遷移規(guī)律分析

本文對監(jiān)測值進(jìn)行擬合后,繼續(xù)對研究區(qū)NO3-N進(jìn)行了5年的運移模擬研究(圖5)。隨著時間的增長，井中NO3-N污染物濃度逐年升高,且河水中污染物向內(nèi)陸擴散范圍逐漸增大。在洪水期河流水位上漲10 m條件下,其水位遠(yuǎn)高于河岸附近地下水水位,污染物主要在水力梯度作用下隨水流向內(nèi)陸運移和擴散。在2號、12號和7號井附近由于水位降落漏斗的存在,使得河水中的污染物不易擴散到漏斗中心[12]左側(cè)區(qū)域。在枯水期河水位下降10 m條件下,河水位低于河岸附近地下水位,使得地下水補給河水,導(dǎo)致河岸附近井中污染物被地下水流稀釋,隨時間呈下降趨勢變化。污染物運移滯后時間預(yù)測表明河水中污染物運移至地下水的時間隨著距離的增加而增大。考慮黏土層時污染物運移滯后時間大于忽略黏土層時滯后時間,主要原因黏土層的存在對于污染物具有阻礙和攔截作用,使得污染物運移擴散速度變得緩慢。

4 結(jié) 論

a.灤河污染直接影響了灤河沖積扇地區(qū)的地下水水質(zhì),通過監(jiān)測與模擬該地區(qū)所進(jìn)行的擬合研究,得出了灤河沖積扇地區(qū)的主要水文地質(zhì)參數(shù)。

b.灤河與地下水的補給關(guān)系為河流補給地下水,在此過程中地下水受到河流污染物的影響。前期污染物擴散迅速,可能與研究區(qū)地下砂層與礫石層的分布有關(guān),后期擴散速度相對減緩,可能與底板黏土層的阻隔有關(guān)。對水質(zhì)進(jìn)行分析之后,地下水受到了嚴(yán)重的污染且從上游到下游污染情況加重。

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Simulation on interaction between river and groundwater on Luanhe River Alluvial Fan

MA Hongyu, HUANG Yong

(SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Numerical simulation was made to the section of Luanhe County, Luanhe River, where there are the major pollutants of nitrate nitrogen, by the software Feflow.And in the meantime, solvend fitting verification and simulation forecast to the data of monitoring well were made.The results show that the groundwater in both sides of the river is polluted unclearly around the upstream before the mountain; after the river runs out of the mountain, the groundwater along the river banks is polluted at a certain degree; the groundwater in downstream is polluted more seriously than the one in upstream.We can forecast that the clay barrier will make the diffusion of pollutants in the groundwater slowdown gradually in the coming 5 years.

nitrate nitrogen; Feflow software; numerical simulation; Luanhe River

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.04.006

國家自然科學(xué)基金(51079043)

馬紅宇(1991—),男,碩士研究生,研究方向為水文地質(zhì)。E-mail:MHY_510@163.com

P641.2

A

1004-6933(2015)04-0032-05

2014-09-09 編輯：高渭文)