MODFLOW模擬技術在水源地保護區劃分中的應用

張子涵

(山東農業大學，山東 泰安 271018)

水是最重要的資源，人類的一切活動都離不開水的支撐。雖然目前我國已經成為全球第二大經濟體，但這是在“高能耗、高污染、高排放”基礎上實現的。據統計，我國超過90%的城市水域污染嚴重，每年因水污染造成的經濟損失高達2400億元。因此在保證各行業正常運行的前提下，必須做好水源地劃分和保護工作，而目前應用較為廣泛的是MODFLOW模擬技術。

1 模擬區域概況

本文所選擇的模擬區域位于某市機場附近，劃定模擬區域尺寸為：長×寬=2km×2km，模擬層數為3層，從上至下依次為：淺砂層(砂礫含水層)、黏土半透水層、深砂層(砂礫含水層)(模型示意圖如圖1所示)。模擬場的污染源為飛機燃料補充區，保護區為城市供水水源地，2者中間分布有一個半透水地層。

圖1 模擬區域水文地質模型(單位：m)

2 地下水源保護區劃分方法

目前，主要依據水文地質條件來劃定地下水源保護區范圍，需要掌握的資料包括含水層特性、地下水通道、污染物的遷移等。根據國內外的經驗和標準，將地下水保護區分為3級：一級保護區、二級保護區和準保護區[1]。

(1)一級保護區。地下水保護區的主要劃定依據時地下水運動規律，當然這些規律時通過當地水文地質條件推斷出來的。相關規范規定：按照地面的細菌和污染物滲透到地下水源所用時間在60d以內的區域統一劃定為地下水源一級保護區。該區域是保證地下水安全的最敏感地帶，如果該區域被污染，則容易造成大范圍地區缺水問題，該區域能暫時保證用水安全。

(2)二級保護區。在一級保護區以外的一定范圍內，將其稱為二級保護區，一般地下水水源的補給區均分布于該區域，所以其重要性也很大。污染源通過二級保護區進入的一級保護區，會在中途的被土壤及水分子的吸附作用稀釋很大一部分，因為對保護水源地安全意義重大。相關規范規定：二級保護區地下水運移時間范圍一般設定為10a，在這個范圍內的區域統稱為二級保護區[2]。

(3)準保護區。在二級保護區以外的一定范圍內設置準保護區，其主要作用是防止污染物過快進入二級保護區，主要保護對象為集水區，范圍內采空層地下水流入采空井群。相關規范規定：將污染物在地下水中移動25a的范圍作為準保護區域范圍[3]。

3 MODFLOW模擬技術的應用分析

MODFLOW是美國地質調查局在20世紀80年代開發的一種用于地下水流數值模擬的三維有限元分析軟件，采用模塊化原理，可模擬的地下水流場和不同時間水力截流區來劃分水源保護區。在此規定：污染物向水源中心移動100d和1000d的捕獲區分別設為一級保護區和二級保護區，二級保護區外的地下水補給區設為準保護區。

3.1 模擬區域邊界及水文地質參數的確定

3.1.1模擬區域邊界確定

(1)上部含水層。模擬區的上部含水層為潛水含水層，均值各向同性。南部有河流，設計南北邊界均為給定水頭邊界，其中南部邊界給定水頭6m，北部邊界給定水頭5.2m。上部含水層的東西部均為流量邊界[4]。

(2)下部含水層。模擬區的下部含水層為承壓含水層；均值各向同性；南北為給定水頭邊界，其中南部邊界給定水頭為18m，北部邊界給定水頭為16.5m；東西部方向為給定流量邊界抽水井P1和P2，取水量分別為400、550m3/d。

3.1.2模擬區域水文地質參數確定

將模擬區剖分為900個有效單元格，每個單元格尺寸為30m×30m,垂向上為3層。根據水文地質概念模型，設計第一層為砂巖，第二層為泥巖，第三層為砂巖。其中水文地質初始參數取值見表1，最終確定的溶質運移模型參數見表2[5]。

表1 區域水文地質參數取值表 單位：m/d

表2 溶質運移模型參數表

3.1.3建立溶質運移模型

(1)調用MODPATH，在燃料堆放地中投入示蹤劑。進行初始化設置，定義溶質運移的單位。

(2)對溶質運移基本程序進行設置，包括：溶質運移模擬描述、運移程序包選擇、定義組分、溶質運移問題描述、模擬期、輸出控制、初始濃度、孔隙度等的定義或輸出[6]。

(3)在MAP模塊中建立溶質運移概念模型，包括：縱向彌散度、孔隙度、補給濃度賦值。其中體積密度為1700kg/m3，補給濃度為500.0mg/L。

(4)在3D模塊中對于對流彌散程序包進行設置。定義橫向彌散度與縱向彌散度的比值，垂向彌散度與縱向彌散度的比值。

(5)將概念模型導入MT3DMS中，模擬運行與結果查看。

3.2 模型運行及結果分析

3.2.1燃料堆放區污染物運移情況分析

模擬區域附近機場的燃料堆放區是本項目模擬的主要污染源，水動力場是帶動污染物遷移的主要動力。污染物位于模擬區的正北方，而水動力場時由北向南分布，因此污染物的運動方向也是逐步向南擴散。在此選取100、1000、7300d三個時間段對污染物擴散區域進行模擬[7]。

3.2.2模擬結果分析

圖2—3展示了模型運行100、1000、7300d三個不同時段下地下水中污染物的遷移擴散情況。從圖中可知：①污染物的遷移方向逐步由北向東南部擴散，污染源逐步擴大。其中1000d的范圍是100d的1.29倍左右，7300d的范圍是100d的3.26倍左右，見表3；②在地下水稀釋作用下，隨著污染物擴散范圍越廣，最高濃度逐步降低[8]。

表3 機場燃料堆放區污染物運移結果

圖2 第100d(上)和1000d(下)污染物運移情況

圖3 第7300d污染物運移情況

3.2.3模擬區水源地保護區劃分

在此參考《飲用水水源保護區劃分技術規劃》，并綜合我國多地區相似情況的均值，確定水源地一、二級保護區的降解時間分別為100、1000d[9]。

本項目利用“示蹤粒子跟蹤法”確定了該模擬區域地下水運動遷移情景，并以此確定相關地下水保護區域，如圖4所示[10]，本項目劃定的各保護區劃分面積見表4。

表4 水源地保護區劃分結果

圖4 示蹤粒子100、1000d運移軌跡圖

4 結語

水源地保護區的劃分對于保證當地地下水水質安全有著重要意義，MODFLOW模擬技術可以在宏觀上給出污染源在一定時間內的擴散范圍，作為理論參考值。MODFLOW模擬技術的應用步驟文章已經詳細闡述，其中建立模型是首要步驟，應當緊密結合當地實際情況。但在此需要特別說明：由于當前模擬技術是根據事先給定的限定條件進行演示，因此缺少水文地質條件在實際情況中復雜性和動態性，并不能完全將模擬結果作為最終參考對象。本項目區模擬得到了各級保護區面積，在實際中還需要修定，但遵循的原則是寧可范圍擴大，也要避免縮小。