基于GMS模擬地下水中污染物溶質運移

摘要：本文運用GMS軟件，以巨淀湖濕地及其周邊區域為研究區，建立了地下水流和溶質運移模型，并進行模擬預測。結果表明：研究區地下水位觀測資料與水流模型的模擬水位擬合結果較好。硝酸鹽污染質主要集中在研究區南部區域，典型污染質遷移中以橢圓傘狀由污染源處向研究區中部擴散遷移，在漏斗區產生聚集。污染質運移中不同濃度區間確定的影響范圍隨時間推移增加的速率在減小，到一定時間趨于穩定。該研究為濕地生態系統的污染防治提供依據，為黃河流域濕地的保護修復提供了范例。

關鍵詞：地下水；硝酸鹽；溶質運移；GMS

中圖分類號：P641.12文獻標識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2025.03.002

0引言

地下水是全球淡水資源中重要的組成部分，是經濟社會發展的主要水源［1］。近年來，隨著工業化發展迅猛，大量地下水受到污染［23］。其中工業廢物、農業污染物、大量的肥料致使硝酸鹽造成地下水污染［48］，成為地下水中的主要污染物之一［9］。硝酸鹽的污染導致湖泊富營養化，進而影響城市環境［1011］，嚴重影響地下飲用水安全，會危害人體健康［12］，亟需引起重視。

眾多學者應用GMS軟件建立地下水流數值模型，分析了地下水流場變化特征，模擬污染物在地下水中的遷移規律。齊歡等［13］利用GMS軟件建立趵突泉泉域的地下水流數值模型，探究了玉符河人工補源對趵突泉泉域的影響。萬平強等［14］對某磷礦開采區域地下水建立水文地質模型，建立了沉淀池防滲措施無法正常工作情況下研究區地下水中總磷運移模型，對防止磷礦開采區下游地下水總磷超標有重要意義。李明等［15］通過建立地下水流和溶質運移模型，分析了不確定性因素補給量、含水層滲透系數和抽水量對污染場地地下水中砷運移的影響。王鴻等［16］采用GMS軟件建立了地下水數值模擬模型，展示研究區的地層結構與地下水分布情況。趙亞輝等［17］模擬分析遺留場地地下氨氮污染物的遷移規律，對抽水方案起到明顯的優化效果。楊加明等［18］通過GMS軟件建立氨氮污染物的溶質運移模型，并預測氨氮的物理位置特征及遷移規律，得出對流作用對氨氮的運移起決定性作用。高孟寧等［19］基于GMS軟件的MODFLOW和MT3DMS模塊模擬分析污染物中模擬預測因子在各種工況條件下運移路徑、影響范圍及濃度分布情況，預測其引發的風險。喻佳等［20］利用GMS中的FEMWATER模塊對研究區域進行三維有限元數值模擬，說明了建設項目運行對飽和—非飽和帶地下水環境的影響。

本文以巨淀湖濕地及其周邊地區為研究區域，以硝酸鹽為模擬對象，運用GMS軟件建立三維地質模型，并在此基礎上搭建了溶質運移模型。全面分析了巨淀湖濕地污染現狀，預測了一定年限內污染物的運移規律。

1研究區概況

研究區位于魯西北平原區東部，地勢西南高、東北低，呈扇狀向海微傾，地勢低平。區域地面坡降約為1/8 000（圖1）。多年平均降水量591.9 mm，年降水量分布不均。工作區均為堆積平原區，根據堆積物成因類型分為山前沖洪積平原和濱海海積平原。西南部主要由河流洪積、沖積而成，東北部過渡為濱海平原，微向萊州灣傾斜，東北部海岸、潮間帶主要為緩慢淤進或沖積的粉砂、淤泥質海岸。區域大地構造單元處于華北板塊（Ⅰ）、華北坳陷（Ⅱ）、濟陽坳陷（Ⅲ）、東營凸陷（Ⅳ）之廣饒凸起及牛頭鎮凹陷（Ⅴ）處。凹陷單元以北斷南超的箕狀構造形態出現，并且上部層位常逐層超覆下部層位，反映坳陷形成以來，沉降盆地面積逐漸擴大，沉積了巨厚的新近系及第四系。

研究區被巨厚沉積層覆蓋，地下水均為松散巖類孔隙水，根據含水層埋藏深度及時代的不同，可劃分為第四系松散巖類孔隙水和新近系松散巖類孔隙水兩大類。區域上均被第四系覆蓋，受沉積環境、古地理、古氣候、地質構造等因素的影響，含水層在垂向上的巖性、分布形態和發育程度存在著差異，導致地下水儲存條件、水力性質、水化學條件、富水性及地下水動態等水文地質要素發生相應變化。根據含水層的巖性組合、分布、埋藏深度、水質和地下水開發利用狀況，又將含水層細分為淺層、中深層松散巖類孔隙水。

地下水水位動態的變化主要受大氣降水和開采量2個因素的影響，水源地地下水位動態受開采量影響比較明顯。根據含水巖層的巖性、巖性組合及其富水性等特點，地下水垂直方向上由淺到深分為潛水—淺層微承壓水、中深層承壓水、深層承壓水。

研究區地表巖性以粉質黏土為主（圖2）。地下發育有粉砂質巖層孔隙水含水層，含水層顆粒由南向北逐漸變細，厚度逐漸增厚，因此將含水層概化為非均質各向異性含水層。根據巖性、含水層埋藏條件和地下水賦存條件，將潛水和微承壓水統一概化為淺層含水層組，半承壓和承壓水概化為深層含水層組，潛水和承壓含水層中間分布著弱透水的粉土層，上下含水層以越流的形式發生微弱的水力聯系。

2地下水流場數值模擬

2.1數學模型

2.2基本參數及邊界條件

利用不同鉆孔抽水試驗的相關結果，通過大量的數據處理求得滲透系數K，研究區滲透系數取值范圍為1～295 m/d，按照不同的城區分布和含水層巖性劃分。富水性較差，含水層顆粒較細的地區，K值較??；富水性較好，含水層顆粒較粗的地區，K值較大。湖區周圍沉積層松散，滲透系數最大。滲透系數分區情況和取值情況如圖3和表1所示，其中含水層垂向滲透系數是水平方向的1/10。研究區的給水度取值范圍為0.12～0.25，取值情況如表1所示。

根據對研究區水文地質條件的分析，將東邊界和北邊界設置為流入邊界，將西邊界和南邊界設置為流出邊界。模擬上邊界為淺層含水層自由水面，通過該邊界，潛水與外界發生水量的垂向交換，如接受灌溉入滲補給、大氣降水入滲補給等。本次模型的底部邊界為第四系松散層底界，處理為隔水邊界。

2.3模型的識別與驗證

應用Groundwater Modeling System（GMS）軟件中的Solid模塊、Modflow模塊、MT3DMS模塊，開展了復雜的地下水流動及溶質運移模擬。Solid模塊主要用于地下水系統的三維地質建模。Modflow基于有限差分法求解控制方程，具有程序結構模塊化、離散方法簡單化的特點，可處理層缺失和復雜的邊界條件。MT3DMS是用于模擬地下水系統中溶質運移的模塊，它基于對流—彌散方程，能夠模擬多種溶質在地下水中的遷移和轉化過程。首先利用Solid模塊建立了研究區三維地質概念模型（圖4），然后將其轉化為MODFLOW模型。

研究區內共設6個長期監測井，其中淺層地下水監測井4個，深層地下水監測井2個，其位置分別如圖5所示。選擇2023年2—8月為模型的識別驗證階段（圖6）。不同時間下模擬水位在實測水位的擬合較好，模擬水位在實測水位存在誤差，但在合理范圍內。本次構建的水流模型擬合較好，參數分區和參數值的選取能較真實地反映實際的水文地質條件，因而模型識別取得了較好的結果。水位擬合良好，計算值與實測值基本吻合，這說明識別期所建立的數值模型能夠反映研究區的地下水流場的實際情況，模型流場可以正確反映實際地下水流態，達到模擬要求。

2.4結果分析

根據GMS地下水流場數值模型的計算結果，檢驗期內均衡量校核結果如表2所示，數值模型流入總量為547 987.83 m3/d，流出總量為547 988.10 m3/d，誤差為0.000 048%，可以忽略不計，符合地下水均衡的原則。

選取2023年6月的統測結果為初始流場、2023年為模擬校準期（選定該時間段主要是因為有這一段時間的長序列數據來為模型進行校準）、2023—2030年為模擬預測期，圖7展示了以上3個階段的流場分布，其中預測期分別展示了2025年和2030年的流場變化趨勢。

3地下水溶質運移模型

影響地下水污染質動態變化的因素復雜，地下水數值模擬可綜合水文地質和工農業、生活污染等方面的數據，直接建立其相互間的聯系，使得人們能夠定量分析和預測含水層中各污染質濃度的動態變化規律。因此選用地下水數值模擬軟件Modflow建立地下水流和MT3DMS溶質運移耦合模型［21］。

通過建立地下水溶質運移模型，分析預測硝酸鹽污染的模擬值以及2025年、2030年、2035年以及2040年地下水硝酸鹽污染變化，模擬結果見圖8。

如圖8所示，研究區地下水中硝酸鹽污染質整體遷移方向是從以研究區西南部臺頭鎮和東南部紀家橋子村、牛頭四村附近為中心污染源沿著地下水流方向擴散運移的，最終逐步在地下水漏斗區處進行匯聚。從圖中可以看出研究區西南部臺頭鎮為中心的污染源其源濃度逐漸降低，這可能是由于在該區域內地下水水位梯度變小，導致污染源向鎮內（即研究區往西方向）移動。從圖8a中可以看出，污染已從污染源向研究區北部不斷擴散。經過多年的污染擴散，在2040年（圖8d），以紀家橋子村、牛頭四村附近為中心污染源其污染物已經在研究區內擴散開來，污染物呈現往研究區中部進一步擴散現象。出現這種情況的原因是：研究區中部處在降落漏斗處，而其東南和西南2個污染源硝酸鹽濃度最高，污染質會隨著地下水的運移而擴散，這也表現了地下水硝酸鹽在降落漏斗處不斷匯聚。硝酸鹽基本影響范圍為臺頭鎮、東南部紀家橋子村、牛頭四村附近區域，集中在巨淀湖湖區南部區域。

4結論

（1）本研究在充分調研巨淀湖湖區及其周邊區域地質背景、水文地質信息以及前期其他研究成果的基礎上，通過GMS地下水環境模擬軟件中的Modflow模塊計算分析了巨淀湖湖區地下水動態演化規律。

（2）利用GMS軟件建立了巨淀湖湖區及其周邊區域的含水層實體三維可視化模型。通過GMS中Solid→Modflow命令得到地下水水流數值模型，水流數值模擬擬合結果較好。研究區地下水存在明顯漏斗區，其位置主要為巨淀湖湖區所處位置，隨著時間推移呈現范圍擴大，漏斗降落梯度變小，漏斗中心處地下水水位變高的趨勢，漏斗區整體向西南方向產生遷移趨勢。利用GMS軟件MT3DMS模塊，建立了巨淀湖湖區及其周邊區域的典型污染質運移數值模擬模型。

（3）對研究區進行污染質地下運移及空間演化分析，發現硝酸鹽典型污染質遷移中以橢圓傘狀由污染源處向研究區中部擴散遷移，分析結果是根據地下水運移規律，在漏斗區產生聚集。從污染質遷移非均勻推進和污染源附近，污染暈外緣呈有鋸齒狀，反映了污染質在地下水中遷移為由非連續的點向點遷移，不斷逐漸運移擴散至面狀，不斷形成面狀的污染點又成為新的擴散源，繼續受地下水對流彌散向地下水縱向和橫向遷移。污染質運移中不同濃度區間確定的影響范圍隨時間推移增加的速率在減小，到一定時間趨于穩定，髙濃度區間確定的污染范圍通常運移數年在地下水水動力作用下達到較穩定狀態，低濃度區間確定的影響范圍則隨地下水運移會不斷擴大，其增長速率逐漸減小。

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Pollutants in Groundwater Based on GMS

FENG Keyin WEI Maojie JIA Chao ZHANG Bo ZHAO Yunqing WANG Jinxiao LV Peilu

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center， Shandong Ji'nan 250014，China; 2.Yellow River Delta Land Use Safety Field Scientific Observation and Research Station of the Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'nan 250014，China;3. Institute of Marine Science and Technology， Shandong University， Shandong Qingdao 266237，China；4.No.801 Hydrogeological and Engineering Geological Institute of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Shandong Ji'nan 250014，China）

Abstract： In this paper， by using GMS software， taking Judian Lake Wetland and its surrounding areas as the study area， a groundwater flow and solute transport model has been established， and simulation prediction has been conducted. It is showed that the groundwater level observation data in the study area and the simulated water level of the water flow model have good fitting results. Nitrate pollutants are mainly concentrated in the southern part in the study area. In the typical migration of pollutants， they diffuse and migrate from the pollution source to the middle of the study area in an elliptical umbrella shape， and gather in the funnel area. The rate of increase of the influence range determined by different concentration intervals in the migration of pollutants is decreasing over time and tends to be stable after a certain period of time. This study will provide a basis for the pollution prevention and control work of the wetland ecosystem. It will also provide a model for the protection and restoration of wetlands in the Yellow River Basin.

Key words： Groundwater; Nitrate; solute transport; GMS