基于Visual MODFLOW在高校区地下水污染的预测及评价

华国欢 刘泽东 陈琳 熊玮玮

江西应用技术职业学院 江西 赣州 341000

正文：

1.前言

研究区为赣州市高校区，区域内建有赣南师范大学黄金校区、江西应用技术职业学院黄金校区、赣州师范专科学校等几所高校，人口居住密集，地下水主要用于居民开采饮用，它的安全性关于千万人们的生命健康，在此基础上，本文在收集本区水文地质条件资料后，建立水文地质概念模型，使用Visual Modflow建立地下水流数值模型，旨在模拟调查区地下水运移模式，对水资源的安全性进行预测和评价。

2.概念模型的建立

2.1 水文地质概念模型

建立数值模型前必须先掌握区内水文地质概念，其主要根据调查区的地质、水文地质条件，对含水岩组分布特征、地下水补给、径流和排泄条件等作合理概化或简化。研究区属于典型的亚热带峡谷喀斯特地貌，岩溶地貌较发育，山顶呈平坦状，不同高度的平缓地形层层排列，在温暖湿润的气候条件下，地壳长期受外力风化剥蚀作用，形成较大面积的夷平面。地表覆盖较厚的第四纪松散沉积物，发育有紫红色砂岩、白云质灰岩等。研究区最高点位于峡谷上游青龙山附近，海拔约为1288.5m，最低点位于大新场下，海拔约为787m，沟谷和山顶高差400余米，大部分地区海拔在810～1210m之间，岩溶地貌以剥蚀溶蚀中低型山地为主，发育于灰岩、白云岩中，溶洞、地下岩溶管道大量发育，地形地貌整体受构造控制强烈。模拟范围面积约33.78km2，

2.2 含水层结构概化

建立研究区三维地质结构模型后，研究区的地层结构、含水岩组分布特征就可直观展现出来，然后依据具体的水文地质条件和地下水流模拟模型建模要求，建立地下水概念模型，对系统进行简化或概化。本区主要为第四纪松散孔隙含水层，下伏白垩系上统泥（钙）质粉砂岩，风化程度低，裂隙水发育不明显。因此将松散孔隙潜水含水层系统概化为一个含水层组。

2.3 边界条件概化

研究区北侧发育一条由东至西的河流，将此边界设定为水头边界；研究区南部适当延伸，设为流量边界，其流量由边界观测孔计算得出，见图2-1。

图2 -1 边界条件概化

2.4 源汇要素概化

研究区主要补给来源有侧流补给、大气降水补给，侧向流入补给，在Visual Modflow中按照给定边界类型、边界处水头和渗透系数由模型自动计算；降雨入渗补给量通过降水监测站所测数据换算而来，降雨入渗为面状补给，采用Recharge处理。排泄项主要是地下水开采利用，开采量经调查统计可得，采用well模块处理。研究区北部有鱼梁河贯穿整个研究区，根据鱼梁河的位置、高程及水位，采用river模块处理。

2.5 数学模型

根据地下水系统结构、地下水补径排条件及地下水动态特征，区内地下水流动问题可概化为非均质、各向异性、非稳定三维地下水流系统，其数学模型如下：

3 地下水流场特征模拟

根据确定的研究区、源汇项以及边界条件，对各个水文地质参数进行分区，并建立3D网格， MODFLOW模块模拟地下水位及流场。

3.1 模型参数分区

（1）渗透系数和给水度分区

研究区含水层水文地质参数取值主要由抽水试验所取得，其与岩溶含水层参数分区详见图3-1、表3-1。

图3 -1 研究区渗透系数、给水度分区图

表3 -1 渗透系数和给水度表

3.2 模型的形成

计算模拟区面积约为59.4km2，对研究区模型进行空间离散，网格剖分为100×100的共10000个单元，其中有效单元格为795个，网格步长分别为=156m，=277m。

以2018年5月1日水位监测资料作为模拟的初始水位，采用反距离加权法对其进行插值得到初始水位等值线，流场方向主要由北东流向西南。

3.3 模型的识别与验证

模型的识别与验证过程在整个模拟过程中极为重要，通常需反复修改参数和调整某些源汇项，方可取得较理想的拟合结果。本文建立的模型的识别与检验过程采用一种间接的反求参数的方法，称为试估—校正法，

运行计算程序，可得水文地质概念模型在给定水文地质参数及各均衡项条件下的地下水位的时空分布，经拟合同时期的流场和长期观测孔的历时曲线，用以识别水文地质参数、边界值和其它均衡项，使模型更贴近模拟区的水文地质条件实际情况。

模型的识别和验证主要体现在几个方面，模拟的地下水流场、地下水动态过程、地下水均衡变化、识别出的水文地质参数应与实际地下水情况基本一致。据以上几个方面，对模拟区地下水系统进行识别和验证。

动态拟合结果显示，各观测点在各时段的计算水位与观测水位拟合程度较好，拟合差小于0.2m，这反应了模型在水位随时间变化模拟结果比较准确。可见所建立的模拟模型基本满足要求，见图3-2。

图3 -2 观测井模拟计算结果、观测值拟合图

3.4 污染预测

地下水系统中污染物的迁移过程十分复杂，主要有挥发、溶解、吸附、沉淀、生物吸收、化学和生物降解等运移形式。本次评价重点考虑对流弥散作用，基本不考虑吸附作用、化学反应等其他因素。在对水流模型进行校正和检验后，输入溶质运移模型参数，模拟污染物运移。

假设漳江水受污染，经侧向补给对地下水进行了污染，假设河流水质为四类水，COD值为30mg/L。初始地下水本底值为2mg/L，属二类水。根据模拟结果，图3-3、图3-4反映河流污染地下水第1年及第5年后评价区地下水COD浓度分布。

图3 -3 1 y后COD浓度分布

图3 -4 5 y后COD浓度分布

3.5 污染预测结果

居民生活饮用水源属第Ⅲ类地下水，COD限值为3.0 mg/L，本次模拟将污染区域随时空的变化将地下水污染风险性分为污染风险性低区，污染风险性较高区及污染风险性高区。

（1）污染风险性低区，从模拟成果图可知，区内地下水流场自东北至西南方向，五年内距北东方向河床约4km，距西北方向河床约3km外区域，COD浓度基本≦3.0 mg/L，属于污染风险性低区。

（2）污染风险性较高区，距北东方向河床约0.5-4km，距西北方向河床约0.3-3km内区域，COD浓度值第二年始遭受污染，污染范围并随时间依次扩大，属污染风险性较高区。

（3）污染风险性高区，距北东方向河床约0.5km，距西北方向河床约0.3范围内地下水，基本遭受污染，为污染风险性高区。

4 结论

本文使用Visual Modflow地下水数值模拟软件模拟了赣州市高校区地下水流场，并就潜在污染物污染地下水的可能性进行了预测及评价，初步对高校区地下水资源的利用安全性给予了支持。