GMS在地下水污染遷移模擬中的應用

梁 健，婁華君，張 征

(1.北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083；2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101)

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GMS在地下水污染遷移模擬中的應用

梁 健1，婁華君2*，張 征1

(1.北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083；2.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101)

GMS(GroundwaterModelingSystem)作為目前國際上流行的三維地下水數值模擬的集成軟件系統，具有模塊多、功能全、使用范圍廣、建模過程直觀、操作簡便等特點。該研究詳細介紹了GMS在地下水污染遷移模擬中的應用流程：首先，使用MODFLOW模塊建立地下水流場模型；其次，使用MT3DMS模塊建立溶質(污染物)運移模型；最后，使用MODPATH模塊建立地下水流跡線示蹤模型。使用GMS對污染物在地下水中的遷移進行模擬預測，對地下水環境的保護具有重要積極意義，也可為制定污染物防控方案提供科學支持和理論依據。

地下水；污染遷移模擬；GMS；MODFLOW；MT3DMS；MODPATH

目前我國地下水數值模擬的應用已遍及與地下水有關的各個領域[1]，一些先進的模擬軟件如MODFLOW[2]、MT3DMS[3]等廣泛地應用于建立水流模型、溶質運移模型，以解決水資源評價、地下水污染、海水/高濃度咸鹵水入侵、地下水管理與合理開發、地表-地下水聯合調度、地面沉降等問題[4-9]。GMS作為目前國際上流行的三維地下水數值模擬的集成軟件系統[10]，與其他一些軟件系統(VisualMODFLOW[11]、FEFLOW[12])相比，具有模塊多、功能全、使用范圍廣、建模過程直觀、操作簡便等優點，可用于礦山、工業企業、垃圾填埋場、有機污染場地、土壤殘留農藥、污水灌溉等各類地下水污染的預測以及治理修復方案的設計。筆者詳細介紹了GMS在地下水污染遷移模擬中應用的流程，提出了相關結論與建議。

1　GMS軟件簡介

地下水模擬系統(GroundwaterModelingSystem)簡稱GMS，是美國楊百翰大學(BrighamYoungUniversity)環境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站在集成MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基礎上開發的一個綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件。GMS軟件界面友好、模塊多、功能全，幾乎可以用來模擬任何與地下水相關的水流和溶質運移問題。對地下水污染的遷移模擬，主要用到GMS中集成的MODFLOW、MT3DMS、MODPATH模塊。MODFLOW是美國地質調查局于20世紀80年代開發出的一套專門用于孔隙介質中地下水流動的三維有限差分數值模擬模型。MODFLOW自從問世以來，由于其程序結構的模塊化、離散方法的簡單化和求解方法的多樣化等優點，已被廣泛用來模擬井流、河流、排泄、蒸發和補給對非均質和復雜邊界條件的水流系統的影響。MT3DMS是模擬地下水系統中對流、彌散和化學反應的三維溶質運移模型。MODPATH是美國地質調查局開發的一款三維地下水流跡線示蹤程序，可確定給定時間內穩定或非穩定流中質點運移路徑，可用來模擬指定地點溢出污染物的運動軌跡。模擬計算時，MT3DMS、MODPATH需在MODFLOW的基礎上使用[13]。

2　GMS在地下水污染遷移模擬中的應用

2.1使用MODFLOW模塊建立地下水流場模型

2.1.1模型的建立。 建模前期，首先需熟悉模擬區的水文地質條件，了解該地區的地貌、地質條件，構造發育情況、主要含水層組、第四系厚度、流域水文地質特征等。在熟悉模擬區水文地質條件的基礎上，還需要收集相關資料，包括地表高程等值線(DEM)、各含水層頂底板高程等值線(Top/BottomElevation)、初始地下水位線(StartingHead)，然后結合水文地質條件對資料進行整理、概化。

GMS中使用MODFLOW建模的方法一般可分為2種：網格建模法(GridApproach)和概念化建模法(ConceptualModelApproach)。網格建模法中，地下水的建模過程和模型識別驗證都直接在三維網格(3DGrid)上操作。網格法建模是基于對網格的直接操作，因此參數分區的賦值、邊界條件的指定和調參都非常繁瑣，但對于水文地質條件比較簡單、研究區面積比較小的模型，網格法是一種有效的方法。概念化建模法是把三維網格的屬性用概念模型(Coverage圖層)相應實體的屬性來表示，模型賦值和調參直接操作Coverage圖層上的實體。Coverage圖層獨立于網格(Grid)之外，通過“MaptoMODFLOW/MODPATH”命令轉化成MODFLOW數值模型時，參數能自動分配給相應的網格(Grid)和應力期(StressPeriods)，不但可以節省時間，而且能減少出錯的機會。概念模型建模法適用于建模面積大，且水文地質條件相對復雜的模型。

GMS建立模型的一般步驟如下：

(1)確定模擬區邊界。模擬區邊界包括側向邊界和垂向邊界。側向邊界的確定根據模擬區的水文地質條件，優先以獨立的水文地質單元界線作為側向邊界，如分水線、阻水斷裂、以及平行于地下水流方向的界線可作為隔水(零流量)邊界，河流、湖泊等巨大地表水體可視作地下水的排泄基準面，根據實際情況設置為定流量(SpecifiedFlow)邊界或定水頭(SpecifiedHead)邊界。垂向邊界的頂面一般設置為地面，底面一般設置為地下水系統的隔水底板。

(2)建立三維模型空間。即模型的空間離散化，MODFLOW采用的空間離散化方法是有限差分法，需要綜合考慮模型區的面積、模擬的精度要求、模擬設備的性能等因素，選擇適當大小的有限差分網格。

(3)地層結構概化。即設置各地層頂底板的高程及各含水層的初始水位高程。地層分含水層(潛水、承壓水)、隔水層，滲透系數大，阻水性能差的巖層可概化為含水層，而各類滲透系數小、阻水性能好的巖層可概化為隔水層。

(4)水文地質參數分區。由于模型區域內的水文地質條件普遍存在各向異性，需要對模型的水文地質參數進行分區賦值，以最大限度地接近自然情況。模型所需的水文地質參數主要有滲透系數(垂向、縱向)、孔隙度、給水度、貯水系數等，參數的選取主要通過現場試驗獲得。

(5)源匯項概化。源匯項即區域地下水的補給排泄方式，主要包括大氣降水入滲、河渠滲漏補給、農田灌溉入滲、側向徑流、蒸發、人工開采、泉排泄、河流排泄等。

大氣降水入滲量根據當地降雨量乘以相應的降雨入滲系數作為降雨補給項，通過Recharge(RCH)子程序包輸入到模型中，影響降水入滲補給系數的主要因素是降水量、地下水埋深、包氣帶巖性。

河渠滲漏補給及河流排泄量確定方法如下：若掌握有準確的地下水與地表水之間交換量的數據，則可用定流量(SpecifiedFlow)邊界來處理，但實際上很難得到這類數據，所以一般情況下使用River(RIV)、Stream(STR)等子程序包來實現地下水與地表水之間的自動轉換計算。

農田灌溉入滲量的處理與降水入滲量類似，根據實際灌溉量，灌溉量乘以灌溉入滲系數作為灌溉補給項，通過Recharge(RCH)子程序包輸入到模型中，影響農田灌溉入滲補給系數的主要因素是灌溉量、地下水埋深、包氣帶巖性。

側向徑流是指地下水在模擬邊界上的側向流入或流出，故一般只在模型的邊界上設置，通過將概念模型(Coverage圖層)中代表模型邊界的線段屬性設置為定流量(SpecifiedFlow)邊界或定水頭(SpecifiedHead)邊界，定流量邊界根據邊界的性質(流入、流出、零流量)設置流量(FlowRate)，定水頭邊界則根據邊界的水頭值設置水頭(HeadStage)。

蒸發指的是潛水蒸發量，主要與氣候、地表覆被、包氣帶巖性和厚度等因素有關。可使用EVT子程序包來處理地下水蒸發問題，其所需的參數有：最大蒸發速率(MaxETrate)、最大蒸發發生的地面高程(ETelevation)、蒸發的極限深度(ETExtinctiondepth)。EVT子程序包根據阿維里楊諾夫公式(1965)及模型中給定的參數自動計算出不同地下水位埋深條件下的地下水蒸發量。

人工開采是指人類生活生產等活動開采地下水資源的量，單井等集中式開采可在開采處設置單個抽水井(Well)，群井等分散式開采可在面狀開采區域上設置定流量(SpecifiedFlow)來實現。

泉排泄處理方式與人工開采相似。

概括起來，對于以上源匯項的處理，主要包括2大類：一類是以面狀的形式補給或排泄地下水系統，其主要包括大氣降水入滲補給、農田灌溉入滲補給、潛水蒸發排泄；第二類是以點的形式補給或排泄地下水系統，包括河渠補給排泄、側向徑流、人工開采、泉排泄。總體上，這2類源匯項的量最終均以平均分配到模型中激活的有限差分單元格上的形式參與計算。同樣由于模型區域的各向異性，需要對面狀補給排泄進行分區化處理以提高模型精度，同時注意在賦值時，補給排泄的強度以流入為正、流出為負。

2.1.2模型的識別與驗證。識別和驗證是模型應用的一個重要環節，只有通過識別和驗證的模型才能用來準確預測未來污染物的分布狀況。地下水流模型的識別和驗證主要包括3方面內容：①流場驗證。模型模擬得到的地下水流場的流向及其動態變化要與自然狀況一致。②水均衡驗證。模型計算區范圍內的地下水補給量和排泄量要與實際情況相當。③識別的水文地質參數要符合實際水文地質條件。

模型參數的識別一般采用試估校正法，即根據野外試驗結果、構造特征、含水層性質、流場形態及水位變化等資料初步確定各參數的上限和下限，以其作為對應參數的約束區間。經過多次調試、優選，將觀測孔的水位動態實測資料做為擬合對象，使得最終獲得的各觀測孔處的模擬水頭值與其實測值達到誤差最小，以此確定含水層的水文地質參數。

2.2使用MT3DMS模塊建立溶質(污染物)運移模型使用MODFLOW建立地下水流場模型并調試好參數后，就可在此基礎上使用MT3DMS模塊建立溶質(污染物)運移模型，以確定污染物溶質運移和濃度變化規律、污染與擴展范圍等。使用MT3DMS模塊建立污染物運移模型的一般步驟如下：

(1)定義溶質(污染物)類型(DefineSpecies)及初始濃度(StartingConcentrations)。根據實際污染場地的污染物種類定義特征污染物，如選取地下水質量標準(GB/T14848-93)的一項或多項指標作為特征污染物。污染物的初始濃度則依據模型區實際監測資料給定，未被污染的模型區的污染物初始濃度可使用默認設置為0。

(2)選擇并設置子程序包(Packages)。根據模型區域污染物的運移特征及模擬任務需求選擇相應的子程序包，主要包括對流(Advention)、彌散(Dispersion)、化學反應(ChemicalReaction)等，對流子程序包主要設置對流的求解算法類型，彌散子程序包則主要設置彌散系數(縱向、橫向、垂向)，化學反應子程序包則設置吸附等溫線和反應動力學參數。

(3)設置應力期(StressPeriods)。需要根據污染物排放的時間曲線特點，設置污染物運移模型的模擬時間。

(4)設置污染物源強(Source/Sink)。根據設置的應力期定義污染物在每一個應力期內的排放濃度，同樣有網格設置法(GridApproach)和概念化設置法(ConceptualModelApproach)。

綜上，污染物運移模型的建立比地下水流場模型相對簡單，但由于MT3DMS建立的污染物運移模型是以MODFLOW建立的地下水流場模型為基礎的，所以地下水流場模型的模擬結果將直接影響污染物運移模型的模擬結果。

2.3使用MODPATH模塊建立地下水流跡線示蹤模型MODPATH是以MODFLOW模擬的地下水流場為基礎，追蹤地下水流中質點的遷移運動軌跡，有著廣泛的應用，如確定抽水/注水井的影響半徑、追蹤污染物在地下水環境中的運移規律等。其一般步驟如下：

(1)調整模型區孔隙度。由于地下水實際流速受孔隙度影響，系統默認孔隙度為0.3，若此孔隙度不符合實際，則需進行相應設置，孔隙度的設置主要有網格設置法(GridApproach)和概念化設置法(ConceptualModelApproach)2種。

(2)生成粒子運動跡線。有2種生成形式，一是在井的位置生成；二是在所選擇的模型網格中生成。

生成粒子運動跡線后，可手動選擇跡線，GMS軟件相應地自動顯示其覆蓋面積、長度、流經時間等信息，用以輔助地下水相關的決策管理。

3　結論和建議

該研究介紹了GMS在地下水污染遷移模擬中的應用流程，得出以下結論與建議。

(1)除了網格建模法和概念化建模法外，還有實體建模法(SolidApproach)，能夠逼真地刻畫地層的空間結構，特別適用于礦區面積較小、鉆孔資料豐富的地區。而使用MODFLOW建立地下水流場模型時，源匯項定義過程中各子程序包的選用不是一成不變的，可根據實際情況靈活使用。

(2)模型的調試過程需要不斷地調整模型的各項參數(水文地質參數、邊界條件、源匯項等)，這個過程需要耗費大量的時間，可使用PEST和UCODE這2個自動調參的模塊進行輔助調參，提高工作效率。

(3)使用MT3DMS建立污染物運移模型時，若要考慮淋濾、吸附、解吸、降解、復雜生物化學反應作用等過程所引起的污染物濃度變化，還須結合RT3D、SEAM3D模塊，RT3D模塊可處理多組分反應，適用于模擬自然衰減和生物恢復，SEAM3D是用于模擬復雜生物降解問題(包括多酶、多電子接收器)，以提高模擬精度。

(4)由GMS建立地下水數值模型，只是解決問題的一種手段，在實際應用中要充分重視對模擬區水文地質條件的調查，尤其要注意對復雜水文地質條件的正確概化，其中包括模型邊界的選定、水文地質概念模型的建立、網格設計與剖分、邊界條件的查明與處理、源匯項的處理等。

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ApplicationofGMSinSimulatingGroundwaterPollutionTransportation

LIANGJian1,LOUHua-jun2*,ZHANGZheng1(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083; 2.KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcessed,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101)

GMS(GroundwaterModelingSystem)isaninternationalfamousthree-dimensionalintegratedgroundwaternumericalmodelingsoftwaresystemandcharacterizedbyitsmultivariablemodules,all-aroundfunctions,wideapplycations,intuitionalmodelingprocess,friendlyoperationinterfaceetc.ThisarticledetailedthegeneralmodelingprocessofGMSappliedinthecontanminanttransportinthegroundwaterenvironment:first,usetheMODFLOWmoduletobuildthegroundwaterflowmodel;second,usetheMT3DMSmoduletobuildthesolute(contanminant)transportmodel;finally,usetheMODPATHmoduletobuildtheparticletrackingmodel.UsingGMStosimulateandpredictthecontanminanttransportinthegroundwaterissignificantfortheprotectionofgroundwaterandalsooffersscientificalandtechnicalsupportandtheoreticalfoundationforthepollutionpreventionandcontrolment.

Groundwater;Pollutionmigrationsimulaiton;GMS;MODFLOW;MT3DMS;MODPATH

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC09B00)。

梁健(1988- )，男，江西南康人，碩士研究生，研究方向：地下水資源與環境。*通訊作者，副研究員，博士后，從事地下水資源與環境研究。

2016-05-28

S126;P345

A

0517-6611(2016)22-239-03