地下水污染物运移数值模拟研究及应用综述

金云龙，邱锦安，刘远锋，邱耿彪，曾凡龙

(1.广东省水文地质大队，广东 广州 510510；2.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275)

地下水污染物运移数值模拟研究及应用综述

金云龙1，邱锦安2，刘远锋1，邱耿彪1，曾凡龙1

(1.广东省水文地质大队，广东 广州 510510；2.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275)

[摘要]地下水污染已成为当今全球关注的严重环境问题之一。研究地下水污染物运移数值模拟技术，对于保护地下水环境具有重要的理论研究意义和重大的应用价值。介绍了主要的地下水数值模拟方法及常见的软件平台，综述了地下水数值模拟在污染物运移中的研究与应用现状，分析了存在的问题，并对未来的应用前景进行了展望。

[关键词]地下水污染；污染物运移；数值模拟；研究与应用

地下水是人类经济社会发展中不可或缺的物质条件，也是维持水系统良性循环的重要保障。由于城市规模不断扩大、人口加速增长、工农业经济加快发展，导致各种人类活动对地下水造成严重的污染[1]。目前地下水污染物种类和来源已呈现复杂化的趋势，不仅对地下水环境造成了极大危害，也加大了地下水污染防治的难度[2-3]。面对这种局面，具有方便快捷、灵活高效、成效显著等特点的地下水污染物运移模拟技术应运而生，较好地解决了当今严重的地下水污染问题[4]。

1地下水数值模拟技术

1.1主要数值模拟方法

地下水模拟方法主要有数值法、解析法、相关分析法、水均衡法，而数值模拟法是目前求解模型最常用的方法，它在对数学模型识别和验证的基础上，可以预测地下水水质变化情况，指导地下水资源的合理开发和环境保护。数值模拟方法包括有限差分法( FDM)、有限单元法( FEM)、边界元法( BEM)和有限分析法(FAM)以及由此发展而成的特征有限单元法和特征有限差分法等[5-7]，其中有限差分法和有限单元法最常用，其原理及特点[8-9]如下所述：

有限差分法(FDM)将求解域划分为差分网格，用有限个网络节点代替连续的求解域，然后把控制方程中的导数用网格节点的函数值的差商代替进行离散。在每一个差分区内，把函数取极限求导的计算变换变成有限值的比率计算，表达和计算一维二维流等问题比较简单直观、易懂，但地下水污染物运移问题解精度不高；而有限单元法(FEM)可把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，通过剖分和插值的方法将描述地下水流动的定解问题转化为微分方程进行离散求解，处理地下水流动以及地下水污染物运移问题计算过程简单方便，但计算机运算量较大。

1.2常用数值模拟软件

根据以上主要的地下水数值模拟方法，国外开发了以下不同的数值模拟软件，数值模拟计算在地下水资源与环境评价分析中，尤其是污染物运移模拟中得到了广泛的应用，为解决地下水污染问题提供了先进的技术手段。

Visual MODFLOW有限差分软件公开发行于1994年8月，它是在美国地质勘探局原MODFLOW软件的基础上，应用先进的三维可视化技术，能够快速建立地下水污染物迁移模型的专业软件[10-11]。该软件囊括了用于地下水流模拟的MODFLOW、流线失踪分析的MODPATH、溶质迁移模拟的MT3D、水量均衡分析的Zone Budget、水文地质参数估计与优化的PEST和三维可视化系统6个模块。从建立模型、输入或更改水文地质及几何参数，再到运行模型、反演校正参数、显示输出结果，整个过程都非常系统化、规范化[12-13]。

FEFLOW有限单元软件由德国WASY水资源规划和系统研究所公开发行于1979 年，是现有功能最齐全最复杂的地下水模拟软件包之一，用于模拟多孔介质中饱和及非饱和地下水流与污染物的运移。FEFLOW还能模拟多层自由表面含水系、热传递、密度变化的流动以及非饱和流场及其溶质运移等 MODFLOW 无法解决的问题[14]。但是，它最大的缺点是各个补排项没有单独的子程序包，调参比较麻烦[15]。

GMS地下水数值模拟软件综合了有限差分和有限单元模块，建模过程直观，操作简便。它由美国Brigham Yung Unversity的环境模型研究实验室和美国军工部排水工程实验室联合开发，图形软件界面综合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER等地下水模型。软件基于概念模型和网格模型，具有建立三维可视化立体地质结构的功能，可进行三维真实含水层的模拟。GMS的制图模块使其前处理功能优越；软件包兼容性强，同其他软件系统交互使用方便[8]。

1.3地下水污染物运移建模

建立正确并且有意义的地下水污染物运移概念模型应包括以下工作程序：确定模型目标；建立研究区水文地质概念模型；建立与水文地质概念模型相对应的数学模型；模型识别与校正；校正灵敏度分析；模型验证以及预报；预报灵敏度分析；模型结果输出[16]。其中建立污染物运移的水文地质概念模型是关键的一步，它能简化实际水文地质条件并组织相关数据，便于能够分析地下水系统，为建立地下水污染物运移数学模型奠定基础。

国外学者Ewing[17]指出，地下水污染物运移数学模型建模时需要强调三个方面的问题：(1)有效地模拟复杂的流体与流体之间，流体与岩石之间的相互作用；(2)发展准确的离散技术，以保留模型的重要的物理特性；(3)利用计算机技术体系的潜力，为求解模型提供有效的算法。因此，地下水中污染物的运移问题涉及两个数学模型，即地下水流动的数学模型和污染物运移的数学模型。建立地下水污染物运移模拟数学模型，应包含输入文件以及执行模型计算的计算机程序，因此应把场地的具体数据编制为输入文件，提供给计算程序进行数值模拟计算[18]。

2地下水污染物运移数值模拟研究及应用现状

2.1地下水污染现状

全球范围内的地下水污染物主要来源于城市生活污水、工业园区及矿山企业废水和一些大型养殖场的农业污水，污染物中的重金属和有机物具有高毒性、难检测性和难去除性[19]，加上地下水环境影响的隐蔽性、滞后性、艰巨性特点[20]，使得地下水污染防治任务日益艰巨。

2010年7月15日《Nature》[21]杂志News版报道了中国面临的地下水污染危机，全国90%的城市和乡村地下水都遭受了不同程度的污染，其中 60%为严重污染，重金属和有机物是最主要的污染物来源。2011年，中国在地下水污染防治迈出了坚实的一步。当年11月11日《Science》[22]报道了中国在面临严俊的地下水污染现状面前做出重大决策—制定并实施《全国地下水污染防治规划(2011-2020)》，期间将斥资55亿美元防治地下水污染问题。

控制地下水污染的关键问题之一是掌握污染物在地下水中的运移规律[23]，地下水污染物运移规律研究在基于有限差分法和有限单元法进行数值模拟应用方面中得到了充分的体现。

2.2有限差分法数值模拟的应用研究

有限差分法应用最早盛行于20世纪 60年代末期，近年来在工程科学中开始大量应用于地下水污染物的数值计算[24]。国外学者Saravanana等[25]通过研究印度泰米尔纳德邦Tirupur地区水文地质特征，利用有限差分软件Visual MODFLOW模拟当地纺织工业染色及漂白废水污染物在地下水运移的情况，为划定地下水保护区提供了科学依据；Leo等[26]在爱沙尼亚Kohtla-Jarve油页岩区废弃物垃圾填埋场建立了水文地质概念模型和网格模型，通过地下水流动和污染物运移数值模拟，以三维可视化的立体角度显示了地下真实的含水层，降低了地下水环境污染风险，优化了地下水资源管理。

国内学者周敏[27]运用Visual MODFLOW对露天矿地下水进行监测及污染程度评价，在综合考虑对流、弥散、吸附解吸及存在源汇项的条件下建立淋滤液在地下水中运移的动力学数学模型，采用有限差分方法对模型进行了数值求解，结合研究区边界条件，对污染物在地下水中的运移规律进行了数值模拟，得出其运移扩散的规律及其污染特征；尉鹏翔[28]通过运用Visual MODFLOW软件、采用有限差分法求解模型来研究地下水污染物运移现象时发现，在弥散与对流的共同作用下，污染晕由最开始的近似圆形而逐渐变成为近似椭圆形，并且其长轴的方向和地下水水流的流向一致；刘东旭等[29]基于MODFLOW软件平台，应用SRTM3 DEM数据和GIS 软件，建立某区域饱和带水流运动及核素运移数值模型，利用有限差分法求解这个模型，对核素污染物在地下水中的运移趋势和环境影响进行了预测评价；喻佳等[30]采用Visual MODFLOW 软件模拟预测石油类污染物泄漏后，在有监控及应急措施情况下或无监控及应急措施情况下的地下水污染物运移情况，预测结果表明两种情况均会对地下水造成影响。

2.3有限单元法数值模拟的应用研究

有限元法应用始于1968年(Jeven-del)求解非稳定流问题[4]，在基于有限单元法的地下水污染物运移数值模拟应用方面，国外学者Hsieh等[31]运用GMS建立有限单元数值模型，对美国南卡罗莱纳州的Savannah River原子能基地进行野外实地观测，并建立了地下水污染物数值模拟，发现模拟结果与观测数据吻合，为地下水污染防治提供科学依据；Milnes[32]在塞浦路斯南部Akrotiri地区研究地下水盐化污染时，通过指定边界条件，把水文地质概化模型转为数值模型，使用软件FEFLOW构建三维有限元模型，划定地下水盐化风险区域地图，得出了研究区地下水盐化污染主要由海水入侵导致的结论，为地中海地区的地下水环境风险评价与管理策略制定提供了参考经验；Vaidot等[33]利用FEFLOW 5.0软件，研究立陶苑核电站反应堆放射性核素氚在地下水的流动运移状况，通过设置水文地质条件和实地地下水位监测数据校准，使计算结果更加精确，揭示了核电站反应堆放射性元素的运移规律。

国内学者对于有限单元法在地下水污染物运移数值模拟的应用也做了积极的探索，孙道林[34]以典型垃圾堆放场为例，选取硝酸根离子作为模拟因子，建立地下水污染质运移模型，采用基于有限元方法的FEFLOW软件来求解模型，通过识别数值模型反映研究区地下水污染质的运移情况；蒙媛等[35]在详细分析研究区地质和水文地质条件的基础上，对研究区的均衡要素、流场及参数分布进行描述，建立水文地质概念模型，采用FEFLOW软件建立地下水流数值模拟模型并进行模型的识别和验证，并对研究区地下水污染物运动进行数值模拟研究和分析；刘娟等[36]通过收集、分析研究区相关资料，建立水文地质概念模型和地下水数学模型，利用FEFLOW软件确定了研究区地下水流数值模拟模型，在此基础上进行地下水中四氯化碳污染羽的浓度场运移模拟，预测了四氯化碳的污染浓度场未来变化的趋势。

3存在的问题分析

随着研究的不断深入，在地下水渗流与污染物运移数值模拟领域，出现以下许多新的科学问题：(1)非均质各向异性层状含水层中有机污染物的运移转化；(2)地下水流—污染物运移的尺度转化问题；(3)多组分、多相流和地球化学耦合模型研究；(4)垃圾填埋场渗滤液渗透问题；(5)多孔介质渗流—微生物淤堵机理和数学模型研究结果；(6)多孔介质中水分循环、养分循环和碳循环研究；(7)矿山尾矿堆体的环境影响及污染控制研究；(8)多孔介质渗流—污染物迁移的随机数学模型研究等等[37]。

在地下水数值模拟预测当中，水文边界条件设置直接影响到模拟的成功与否，然而边界条件的刻画往往受到人为主观因素的影响，设置水文边界不当，导致预测精度的锐减，以致模拟结果失真。这些问题已出现在不少实例当中，应该引起重视，建议在进行边界条件刻画时充分了解研究区的水文地质条件[10]。除了设置水文地质边界条件容易出现问题之外，模型参数的选择也非常关键。因此，在模型应用时选择合适合理的参数比才能正确地反应地下水系统污染物运移的真实状况。

4结语

随着人类经济社会的快速发展，地下水资源的开发、利用和保护已显得日益重要，对地下水污染问题不断重视，数值模拟作为一种先进的地下水污染模拟技术，在水资源环境评价中占有越来越重要的地位。地下水污染物运移模型能够准确地反映地下水系统的实际特征与运行特性，为工程应用中的地下水水质预报及污染治理提供科学依据。展望未来，地下水数值模拟技术将应用得更加广泛，而致力于实现与 3S 技术的数据交互，增强数据处理能力、提高输出结果的可视化程度和精确度将是地下水污染物运移模拟研究的重点方向。我们必须清晰地认识到，在水资源短缺、地下水污染严重的国情背景情况下，我国地下水数值模拟技术与国外还存在着较大的差距，如何加强地下水污染数值模拟的模型理论研究力度、提高技术应用成效是值得我国每一位地下水环境评价工作者认真思考的。

参考文献

[1]蔚东升,刘 洁,冯兆东.Visual MODFLOW在国内的应用[J].能源与节能.2014, (6): 96-126.

[2]周慧平,高 燕,尹爱经.水污染源解析技术与应用研究进展[J].环境保护科学.2014,40(6):19-24.

[3]侯丽敏, 岳 强, 王 彤.我国水环境承载力研究进展与展望[J].环境保护科学.2015, 41(4): 104-108.

[4]郭晓东,田 辉,张梅桂,等.我国地下水数值模拟软件应用进展[J].地下水.2010, 32(4): 5-7.

[5]徐娟花. 地下水数值模拟现状[J].工程地质与计算机应用.2012,(4):10-14.

[6]陈正国. 数值模拟在地下水资源评价中的应用研究[J]. 黑龙江水利科技.2012, 40(1): 44-47.

[7]史启朋. VisualModflow在地下水污染模拟中的应用[J].人民黄河.2012,34(12):69-74.

[8]孙从军. 地下水数值模拟的研究与应用进展[J].环境工程.2013,31(5): 9-17.

[9]郭 瑞.兴平市地下水动态特征及数值模拟研究[D].陕西 杨凌:西北农林科技大学.2008:5-8.

[10]王庆永,忠 华,刘晓峰,等.MODFLOW及其在地下水模拟中的应用[J].水资源与水工程学报.2007,18(5):90-92.

[11]冯 洁.可视化地下水数值模拟软件(Visual MODFLOW)在国内的应用[J].地下水.2013,35(4):34-36.

[12]武 强,董东林.水资源评价的可视化专业软件(Visual Modflow)与应用潜力[J].水文地质工程地质.1999,26(5):21-23.

[13]贾金生,田 冰,刘昌明.Visual MODFLOW地下水模拟中的应用[J].河北农业大学学报.2003,26(2):71-78.

[14]高慧琴. MODFLOW和FEFLOW在国内地下水数值模拟中的应用[J].地下水.2012,34(4):13-15.

[15]张立志.基于FEFLOW的大兴区地下水动态模拟研究[D].北京,中国地质大学 (北京).2009:18 -19.

[16]Spitz K, Moreno J. A practical guide to groundwater and solute transport modeling[M].John Wiley and Sons,1996.

[17]Ewing R E. Multidisciplinary interactions in energy and environmental modeling[J].Journal of computational and applied mathematics,1996,74(1):193-215.

[18]Chunmiao Z, Gordon D B (著);孙晋玉,卢国平(译).Applied Contaminant Transport Modeling(Second Editon)(地下水污染物迁移模拟(第二版))[M].北京,高等教育出版社.2009,173.

[19]许增光.地下水有机物和重金属迁移与污染修复的数值模拟研究[D].上海:上海交通大学.2015:21.

[20]穆海礁.某乙烯化工厂对地下水污染的预测与评价[D]. 长春: 吉林大学. 2015:1.

[21]Qiu J.China faces up to groundwater crisis[J].Nature, 2010, 466(7304):308.

[22]Qiu J.China to spend billions cleaning up groundwater[J].Science,2011,344(6057):745.

[23]张 弛.结合升尺度方法的地下水污染物迁移研究[D].上海:上海交通大学.2014:2.

[24]马 驰.潜水三维非稳定流数值计算[D]. 陕西西安:西安工程学院.1998:3-11.

[25]Saravanan R, Balamurugan R, Karthikeyan M S , et al.Groundwater modeling and demarcation of groundwater protection zones for Tirupur Basin-A case study[J].Journal of Hydro-environment Research,2011,5(3):197-212.

[26]Leo V, Olga G, Raivo V.Environmental risks and problems of the optimal management of an oil shale semi-coke and ash landfill in Kohtla-J?rve, Estonia[J].Science of The Total Environment,2015,524:400-415.

[27]周 敏.海州矿淋滤液对地下水污染的数值模拟研究[D].辽宁沈阳:辽宁工程技术大学.2008:54.

[28]尉鹏翔.Visual Modflow在地下水污染物运移模拟中的应用[J].水资源保护.2011,27(4):19-21.

[29]刘东旭,司高华,郑军芳,等.基于MODFLOW对某区域地下水污染的数值模拟及评价[J].辐射防护.2013,33(1):30-36.

[30]喻 佳,汪家权,徐凤.某电厂项目地下水污染物运移模拟[J].广东化工.2014,41(4):66-67.

[31]Hsieh B B, Zakikhani M, Martin W D. Development of a regional 3-D groundwater modeling system for the Savannah River nuclear site, South Carolina[J].International Symposium on Groundwater Management Proceedings,1995,315-319.

[32]Milnes E.Process-based groundwater salinisation risk assessment methodology:Application to the Akrotiri aquifer (Southern Cyprus)[J].Journal of Hydrology,2011,399:29-47.

[33]Vaidot J M , Vigilija C. Modelling of tritium transport in the underground water from hypothetical reactor at the new NPP site in Lithuania[J].Progress in Nuclear Energy,2015,80:1-6.

[34]孙道林.典型垃圾堆放场对地下水污染模拟及控制技术研究[D].安徽合肥:合肥工业大学.2008:23-35.

[35]蒙 媛, 施 项, 汪家权.某市地下水的模拟计算与分析[J].地下水.2010,32(2):13-15.

[36]刘 娟,杨国勇,蒋兆华,等.FEFLOW在某市岩溶地下水四氯化碳污染中的应用[J].地下水.2011,33(4):87-91.

[37]仵彦卿.多孔介质渗流与污染物迁移数学模[M].北京:科学出版社.2012:21-23.

[38]薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报.2010,16(1):1-6.

Research on Numerical Simulation of Contaminant Transportion in Groundwater and Its Applciation Review

JIN Yun-long1，QIU Jin-an2，LIU Yuan-feng1，QIU Geng-biao1，ZENG Fan-long1

(1.Guangdong Hydrogeology Battalion, Guangzhou 510510, Guangdong, China；2.School of Geography and Planning, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China)

Abstract:Groundwater pollution has become one of serious environmental problem facing the world today. It is important and significant both in theory research and practice to study the technology of numerical simulation of contaminant transportation in groundwater. the major methods of groundwater numerical simulation and the common software platforms were introduced and the research and application status of numerical simulation of contaminant transportion in groundwater were summarized in the paper. In addition, some existing problems were analyzed and the application in the future was prospected.

Key words:Groundwater pollution；Contaminant transport；Numerical simulation and research and application

[收稿日期]2016-03-14

[基金项目]广东省水文地质大队科研基金项目(2014A30402004)

[作者简介]金云龙(1982-)，男，河北秦皇岛人，工程师，主要从事地下水污染及地质灾害防治研究。 [通讯作者]邱锦安(1985-)，男，广东广州人，博士研究生，主攻方向：地质灾害与地下水污染防治研究。

[中图分类号]X523

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0021-03