基于Visual MODFLOW在高校區地下水污染的預測及評價

華國歡 劉澤東 陳琳 熊瑋瑋

江西應用技術職業學院 江西 贛州 341000

正文：

1.前言

研究區為贛州市高校區，區域內建有贛南師范大學黃金校區、江西應用技術職業學院黃金校區、贛州師范專科學校等幾所高校，人口居住密集，地下水主要用于居民開采飲用，它的安全性關于千萬人們的生命健康，在此基礎上，本文在收集本區水文地質條件資料后，建立水文地質概念模型，使用Visual Modflow建立地下水流數值模型，旨在模擬調查區地下水運移模式，對水資源的安全性進行預測和評價。

2.概念模型的建立

2.1 水文地質概念模型

建立數值模型前必須先掌握區內水文地質概念，其主要根據調查區的地質、水文地質條件，對含水巖組分布特征、地下水補給、徑流和排泄條件等作合理概化或簡化。研究區屬于典型的亞熱帶峽谷喀斯特地貌，巖溶地貌較發育，山頂呈平坦狀，不同高度的平緩地形層層排列，在溫暖濕潤的氣候條件下，地殼長期受外力風化剝蝕作用，形成較大面積的夷平面。地表覆蓋較厚的第四紀松散沉積物，發育有紫紅色砂巖、白云質灰巖等。研究區最高點位于峽谷上游青龍山附近，海拔約為1288.5m，最低點位于大新場下，海拔約為787m，溝谷和山頂高差400余米，大部分地區海拔在810～1210m之間，巖溶地貌以剝蝕溶蝕中低型山地為主，發育于灰巖、白云巖中，溶洞、地下巖溶管道大量發育，地形地貌整體受構造控制強烈。模擬范圍面積約33.78km2，

2.2 含水層結構概化

建立研究區三維地質結構模型后，研究區的地層結構、含水巖組分布特征就可直觀展現出來，然后依據具體的水文地質條件和地下水流模擬模型建模要求，建立地下水概念模型，對系統進行簡化或概化。本區主要為第四紀松散孔隙含水層，下伏白堊系上統泥（鈣）質粉砂巖，風化程度低，裂隙水發育不明顯。因此將松散孔隙潛水含水層系統概化為一個含水層組。

2.3 邊界條件概化

研究區北側發育一條由東至西的河流，將此邊界設定為水頭邊界；研究區南部適當延伸，設為流量邊界，其流量由邊界觀測孔計算得出，見圖2-1。

圖2 -1 邊界條件概化

2.4 源匯要素概化

研究區主要補給來源有側流補給、大氣降水補給，側向流入補給，在Visual Modflow中按照給定邊界類型、邊界處水頭和滲透系數由模型自動計算；降雨入滲補給量通過降水監測站所測數據換算而來，降雨入滲為面狀補給，采用Recharge處理。排泄項主要是地下水開采利用，開采量經調查統計可得，采用well模塊處理。研究區北部有魚梁河貫穿整個研究區，根據魚梁河的位置、高程及水位，采用river模塊處理。

2.5 數學模型

根據地下水系統結構、地下水補徑排條件及地下水動態特征，區內地下水流動問題可概化為非均質、各向異性、非穩定三維地下水流系統，其數學模型如下：

3 地下水流場特征模擬

根據確定的研究區、源匯項以及邊界條件，對各個水文地質參數進行分區，并建立3D網格， MODFLOW模塊模擬地下水位及流場。

3.1 模型參數分區

（1）滲透系數和給水度分區

研究區含水層水文地質參數取值主要由抽水試驗所取得，其與巖溶含水層參數分區詳見圖3-1、表3-1。

圖3 -1 研究區滲透系數、給水度分區圖

表3 -1 滲透系數和給水度表

3.2 模型的形成

計算模擬區面積約為59.4km2，對研究區模型進行空間離散，網格剖分為100×100的共10000個單元，其中有效單元格為795個，網格步長分別為=156m，=277m。

以2018年5月1日水位監測資料作為模擬的初始水位，采用反距離加權法對其進行插值得到初始水位等值線，流場方向主要由北東流向西南。

3.3 模型的識別與驗證

模型的識別與驗證過程在整個模擬過程中極為重要，通常需反復修改參數和調整某些源匯項，方可取得較理想的擬合結果。本文建立的模型的識別與檢驗過程采用一種間接的反求參數的方法，稱為試估—校正法，

運行計算程序，可得水文地質概念模型在給定水文地質參數及各均衡項條件下的地下水位的時空分布，經擬合同時期的流場和長期觀測孔的歷時曲線，用以識別水文地質參數、邊界值和其它均衡項，使模型更貼近模擬區的水文地質條件實際情況。

模型的識別和驗證主要體現在幾個方面，模擬的地下水流場、地下水動態過程、地下水均衡變化、識別出的水文地質參數應與實際地下水情況基本一致。據以上幾個方面，對模擬區地下水系統進行識別和驗證。

動態擬合結果顯示，各觀測點在各時段的計算水位與觀測水位擬合程度較好，擬合差小于0.2m，這反應了模型在水位隨時間變化模擬結果比較準確。可見所建立的模擬模型基本滿足要求，見圖3-2。

圖3 -2 觀測井模擬計算結果、觀測值擬合圖

3.4 污染預測

地下水系統中污染物的遷移過程十分復雜，主要有揮發、溶解、吸附、沉淀、生物吸收、化學和生物降解等運移形式。本次評價重點考慮對流彌散作用，基本不考慮吸附作用、化學反應等其他因素。在對水流模型進行校正和檢驗后，輸入溶質運移模型參數，模擬污染物運移。

假設漳江水受污染，經側向補給對地下水進行了污染，假設河流水質為四類水，COD值為30mg/L。初始地下水本底值為2mg/L，屬二類水。根據模擬結果，圖3-3、圖3-4反映河流污染地下水第1年及第5年后評價區地下水COD濃度分布。

圖3 -3 1 y后COD濃度分布

圖3 -4 5 y后COD濃度分布

3.5 污染預測結果

居民生活飲用水源屬第Ⅲ類地下水，COD限值為3.0 mg/L，本次模擬將污染區域隨時空的變化將地下水污染風險性分為污染風險性低區，污染風險性較高區及污染風險性高區。

（1）污染風險性低區，從模擬成果圖可知，區內地下水流場自東北至西南方向，五年內距北東方向河床約4km，距西北方向河床約3km外區域，COD濃度基本≦3.0 mg/L，屬于污染風險性低區。

（2）污染風險性較高區，距北東方向河床約0.5-4km，距西北方向河床約0.3-3km內區域，COD濃度值第二年始遭受污染，污染范圍并隨時間依次擴大，屬污染風險性較高區。

（3）污染風險性高區，距北東方向河床約0.5km，距西北方向河床約0.3范圍內地下水，基本遭受污染，為污染風險性高區。

4 結論

本文使用Visual Modflow地下水數值模擬軟件模擬了贛州市高校區地下水流場，并就潛在污染物污染地下水的可能性進行了預測及評價，初步對高校區地下水資源的利用安全性給予了支持。