淮南市区浅层地下水水质污染预测模型探讨

淮南市区浅层地下水水质污染预测模型探讨

岳　梅112

(11中国矿业大学〈北京校区〉资源与开发工程系,中国北京100083;21安徽理工大学,安徽淮南232001)

[摘　要]　浅层地下水极易受到污染,用水动力弥散理论模拟浅层地下水中可溶物质弥散运移时,其浓度在时间和空间上的

变化规律,建立研究区内浅层地下水水质变化模型,定量预测地下水中污染物质的发展趋势。

[关键词]　浅层地下水;水质模型;污染预测

[中图分类号]　TV 13112 [文献标识码]　A [文章编号]　1004-1184(2002)02-0077-02

[收稿日期]　2002-03-16

[作者简介]　岳梅(1959-),女,高级工程师,主要从事环境地质方面的教学与科研工作。

1　引言

对地下水资源的合理评价,必须考虑水质和水量两个重要因素。随着工农业的迅速发展,各种废弃物也越来越多,污染物、污染源和污染途径也越来越多。而位于浅部的浅层地下水所受到的危害是首当其冲。如果地下水遭到严重污染,即使水量很丰富,作为水源地来说也不足取。因此,为科学管理地下水资源,必须首先对地下水水质进行预测,以便及时采取各种有效措施,保护和改善地下水水质。

本文即是以淮南市市区为研究区,通过对研究区内的长期地下水水质监测数据分析,应用水动力弥散理论,模拟浅层地下水中可溶物质弥散运移时,其浓度在时间和空间上的变化规律,定量地预测地下水中污染物发展趋势,为制定合理有效的地下水污染控制措施提供理论依据。2　水文地质模型概化

本研究区的水文地质条件不太复杂,但在理论计算中仍难以将其一一列入,故必须对其概化。211　模拟区及其边界类型划分

本区以淮河为界,分为南北二个水文地质单元进行水质模拟。淮河为两模拟区共同的天然排泄边界。淮河以北的西北部为污染物定浓度补给边界;淮河以南谢家集区附近、田家庵区中部和大通区东部分别为污染物定浓度补给边界。本模拟不考虑降雨补给、蒸发排泄及下层的越流补给。212　浅部含水层类型特征

模拟区的两水文地质单元,总体而言,地下水埋藏分布条件不太复杂,流向单一,补、径、排条件比较清楚。北区岩性主要为粘土、亚粘土、细粉砂,埋深2m 左右,地下水流向总体由北流向淮河;南区岩性主要为亚粘土、粘土、细粉砂至山前粗砂、砾,地下水埋深2m 左右,局部因疏干或开采,地下水埋深达5～10m ,

地下水总体流向自南边山前流至淮河。局部地下水呈

微承压性,但范围局性,水压不变,总体可处理为一均质各向同性的等厚潜水含水岩组。213　其他

地下水流动方向为一无限大直线(-∞

地下水污染的研究是建立于污染物质混溶运移理论基础上的。故要求模拟污染物质在地下水中是可溶的或至少具示踪剂的性质,并要求在随地下水运移和弥散过程中基本保持不变,不产生化学反应。通过对研究区地下水污染状况的分析,本区浅层地下水污染物质来源及污染途径比较清楚,其中不少是对人体健康和环境构成威胁,如酚含量局部很高,但不稳定;氰有污染,但含量甚低;砷虽然污染普遍,但砷的原生污染与次生污染不易区别;Fe 2+,M n 2+虽然局部超标,但受环境因素制约。经反复考虑筛选,认为选用氟较好,区内浅层地下水中的氟,含量虽大都较低,但局部地带,含量已超过国家饮水标准,如本区西北部(贺町乡)已有氟病的表现。氟的电负性高达3195,居所有元素之首,其化学活性最大,这种特性使得氟形成不易

离解的稳定的络合物(如(B F 4)-、

(A 1F 6)3-、(SiF 6)2-等)形式在地下水中迁移。4　数学模型的建立

根据前述模拟区的概化水文地质条件,于笛卡尔坐标分别建立二维潜水运动微分方程(1)和二维水动力-弥散方程(2)。

Λ5H =(52H x 2+52H y 2)

T

(1) 5C 5t =D xx 52C 5x 2+D yy 5C 5y

2-V x 5C 5x -V y

5C

5y (2)(1)式中T 为导水系数(c m 2 d ),T =k 3

h ;k 为渗

　2002年6月第24卷　第2期 地下水Ground w ater Jun 1,2002V o1124　N o 12

透系数(c m d),h为含水层厚度(c m);Λ为给水度,无量纲;(2)式中的c(x,y,t)为点(x,y)处t时刻的污染质(氟)浓度(g c m3),D xx、D yy分别为X轴方向(水流方向)和Y轴方向(垂直水流)上动力弥散系数(c m2 d),为二秩对称张量,由于含水层各向同性,故:

D xx=a xx

v2x

V +a yy

v2y

V (3)

D yy=a yy

v x2

V +a xx

v y2

V (4)

a xx、a yy分别为含水层纵向、横向弥散度(c m); v 为速度模;V x、V y分别为X、Y方向上平均孔隙水流动速度(c m d),它与水头h的关系为:

v=-k

Λgradh(5)

5　定解问题

根据上述模拟区的初始边界条件,可归纳出数学模型定解问题。

1)潜水方程定解问题由(1)式解出地下水水头分布,进而由运动方程(5)求出流速分量。本区现浅层含水层开采或注入井很少,地下水水头分布基本稳定,且野外已实测有各预测点的水头(h),渗透系数(k)和给水度(Λ)。因此各预测点的流速实际已确定。

2)对流-弥散方程(2)定解问题

此方程的定解问题可概括为下式:

5C

5t=D xx 52C

x2+D yy

52C

y2-V x

5C

-V y

5C

(6)

初始条件:C(x,y,o)=Co,　x,y≠0; (7)边界条件:C(±∞,y,t)=0,C(x,±∞,t)=0,t>0

C(x,y,t) Г1=Co,(x,y,t) Г2=C1,t>0

(8) +∞

-∞

ucdxdy=C o′Q(9) Q为单位时间、单位面积连续从面源注入含水层的污染质的量;C o′是注入污染质浓度;Г1、Г2分别为补排边界。C o,C1分别为两边界上的污染质浓度。

6　弥散系数D的确定

弥散系数是描述地下水中污染质稀释的时间空间变化的参数,是解弥散方程时首先必须确定的。

本研究主要是通过不同监测点的污染质浓度反求弥散系数,结合本区水文地质条件建立了流场中一维和二维水动力的数学模型(10)～(16)式:

5C

5t=D xx 52C

5x2-V x

5C

5x(10)

初始条件:C(x,o)=Co,xΠ0;C(x,0)=C1,x≥0(11)边界条件:C(-∞,t)=C o;C(+∞,t)=C1,tΥ0(12)

5C

5t=D xx 52C

5x2+D yy

52C

5y2-V x

5C

5x(13)

初始条件:C(x,y,o)=C0,x,y=0(14)边界条件:C(±∞,±∞,t)=0,t≥0(15)

+∞

-∞

nc(x,y,t)d x d y=C o′Q(16)上二式中各符号意义同前。

由(6)～(9)式求出纵向水动力弥散系数D xx,然后代入(13)式求出横向水动力弥散系数D yy。通过(3),(4)式求出弥散度a xx,a yy,计算过程通过计算机完成,结果见表1。

表1各区块地下水污染质氟的弥散系数、弥散度统计区 块淮河以北区

九龙-大通

(淮河以南)

田家庵

(淮河以南)

谢-八公山

(淮河以南)纵向弥散度(c m)1112571491310213169横向弥散度(c m)3172216041554133

纵向弥散系数(c m2 d)01324012860149521102横向弥散系数(c m2 d)01107010990117301665 至此,关于对流-弥散的定解问题(6),通过有限元法(迦辽金法)将容易解出模拟区预测点的污染质随时间变化的浓度值。结果见表2。

表2　研究区部分区乡地下水氟浓度历年及今后三年的变化预测值

预测

区

浓

度

m g

L

时

间199715200015200315200415200515

泥河镇0160175-311421896318494196

古沟乡0134-01460181014130150001607

祁集乡01200129014790155101630

田集乡0134-0140156-119721352311124103

芦集镇0169016020164401698

潘集镇013-016119421552147221391

贺町乡1103117431636123

淮丰乡0153016320168801777

大通01480121013890146501572

九龙岗01500153016920177501871

窑河乡0150018500193511032

洛河镇01500134014420151401609

宫集乡0131101322013460138001436

山王乡0124001267012960132701368

沈巷乡0121111611136611673

谢二矿01400138018091112511547

唐山乡01430145018121112511538 结果表明,研究区内总体氟浓度在现有自然环境条件下随时间延续逐年增加,污染加重,氟浓度最后重值区(2005年)淮河以北分布于贺町,田集,潘集,泥河一带,淮河以南主要分布在东部的窑河一带,西部的谢-八区(谢二矿)地带。本模拟由于时间短,缺乏水化学动态监测资料,水文地质条件简化。因此,所得结论可能与实际情况有一定差距,因此尚需时日检验其合理性和适用性,但对今后进一步的研究奠定了基础,并对今后的水质预测有较大的参考价值。

[参考文献]

[1]魏风英,曹鸿兴1长期预测的数学模型及其应用1北

京:气象出版社,19901

[2]孙衲正著1地下水污染-数学模型和数学方法1地

质出版社,19981

[3]陈兆炎等1窑河洼灰场附近浅层地下水水质模拟1

淮南矿业学报,1993141

[4]沈照理主编1水文地球化学基础1地质出版社,

19931

第24卷第2期 地下水 2002年6月