地下水水质模型及其应用研究(1)
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Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ
ａ ｃｈｅｍｉｃａＩ ｐｌａｎｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｆｏｒｍｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｐｅｃｔ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ，ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｓｅｅｐａｇｅ ａｎｄ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ａｑｕｉｆｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｈｅｒｅｉｎ．Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ—ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｈｒｅａｔｉｃ ａｑｕｉｆｅｒ
§１．２研究内容
由于上海地区地表水的严重污染问题，正逐渐得到控制，越来越多的注意力 正转移到研究与治理地下水的污染问题。本文研究了上海地区某厂的污染物运移 情况，为地下水污染的预防与治理提供借鉴。
４
ห้องสมุดไป่ตู้
地下水中污染物的运移模型是由水流问题和溶质的对流弥散问题耦合而成
的，本文从污染物运移的基本——弥散开始，讲解了弥散的概念以及基本方程和 对流一弥散的基本方程。研究了对流一弥散方程和潜水方程的有限元解法及其耦
ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｎｄ ｎｅａｒｂｙ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌａｎｔ．Ｓｏｍｅ ｉｓｓｕｅｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ａｒｅａ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｖａｌｕｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
当前８０％的地表水、４５％的地下水（在城市９７％）以及９０％以上的井水或 多或少的被污染，而只有２５％的废水得到处理。特别是大中城市的地下水中硝 酸盐、硬度、矿化度普遍提高，有不少指标超过饮用水标准。有些城市的城区潜 水污染也极为严重，基本失去了饮用价值。地下水污染对国民经济与人民生活已 产生越来越大的影响，对人体健康造成灾害性结果，威胁很大。
ｉｎ－ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｆａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ（ｔａｋｅ ｓｕｌｆａｔｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）ｉｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎ－ｓｉｔｕ
由于上海经济建设的迅速发展，上海市境内地下水水质已受到不同程度的污 染，对当地的经济建设产生了不可忽视的影响，上海已列入水质型缺水城市。为 此，上海正全力以赴地开展水环境的综合治理。
２００１年，上海市开展水环境治理与保护“十五”规划，其中包括黄浦江水 源保护、城市生态发展战略、苏州河及中小河道整治和生态恢复、环境管理与政 策等方面的课题。上海市环保局发布了《上海市污染源监测（监控）系统安装运 行管理暂行办法》，《上海市危险废物收集管理规定》等防止地下污染的规范性文 件。同年，举办了由３０多个国家、地区和国内其他城市参加的“上海城市环境 可持续发展国际研讨会”，热烈讨论了地下水环境质量的防治与改善等重要问 题。上海地区在加紧经济建设的同时，也非常重视水环境污染的防治与治理。
对地下水质的模拟可以分为两步，首先模拟地下水流状况，然后模拟污染物 的运移转化过程。因此在地下水模型中存在一些专门进行地下水流模拟的模型， 它们一般对地下水流模拟细致，并提供将模拟结果连接到污染物运移转化模型的 功能。但是大部分地下水质模型都同时具有模拟地下水流和污染物运移转化过程
的功能。
计算机技术的发展推动了水环境模型研究的不断深入，并出现了大量的应用 模型软件。由于水质模型不仅要模拟水动力过程，还要描述各类化学物质在水环 境中的运移转化，其中涉及到许多物理、化学和生物过程，所以水质模型大都比 较复杂。不同的研究部门模型软件开发者在软硬件环境、数据结构、模型的精度 等方面都有较大的差异，使得许多水质模型功能参差不齐，模型间的连接和比较
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆｏｒ ａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌａｎｔ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ａｒｅａ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，
根据实测结果，分析了部分污染物的背景值与分布特征。利用建立的上海地 区某厂地下水水质数值模拟模型对地下水中污染物的运移进行了模拟和预测，试 图为该区域的地下水污染的防治提供依据。
§１．３研究现状
在水资源、水环境的分析、评价与管理中，定量描述地下水的水质与水动态 是非常重要的，利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法逐渐成 为一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用。
ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｅｔ ｕｐ．ａｎｄ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈｒｅａｔｉｃ ａｑｕｉｆｅｒ．
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ
地下水污染是近年来人们普遍关注的主要环境问题之一，地下水作为水文生 态循环系统中的一个不可缺少的部分，其保护与污染防治的重要性已为越来越多 的国家和地区所认同。在地下水污染的分析、评价与管理中，定量描述地下水的 水质与水动态是非常重要的，利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟
的方法逐渐成为一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应 用。荷兰有三分之一的国土低于海平面，因此水资源管理工作至关重要，他们的 地下水监测网络和信息系统也已经很成熟。荷兰政府研究开发了“区域水文地质 信息系统”（ＲＥＧＩＳ）储存整个荷兰的水质模型、地下水水位和水质数据、污染源 信息等。法国、美国等很多国家建立了地下水监测网络，并研究开发水质模拟软 件以进行更准确的地下水资源环境评价和地下水污染防治。
在地下水污染的分析评价与管理中定量描述地下水的水质与水动态是非常重要的利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法逐渐成为一种不可或缺的重要方法并受到越来越大的重视和广泛的应用
同济大学 硕士学位论文 地下水水质模型及其应用研究 姓名：王瑞霞 申请学位级别：硕士 专业：地质工程 指导教师：叶为民
关键词：地下水，弥散，渗流，对流一弥散，水质模型，有限元数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｓ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ ｂｏｄｉｅｓ ｉｎ ｄｏｗｎｔｏｗｎ
Ｓｈａｎｇｈａｉ ａｒｅ ｇｅｔｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．
合方法，以及有限元方程组用迭代求解，编制有限元程序求解水质模型。
本文在水动力弥散有关理论分析的基础上，结合某化工厂地下水环境监测系 统的建设工作，总结归纳前人研究成果，根据试验实测结果，探讨含水层中水流 与污染物迁移的规律，建立相应的潜水含水层中的污染物的对流一弥散方程，并 完成该潜水含水层中渗流与弥散的耦合，获得相应的渗流弥散耦合水质模型。分 析探讨耦合水质模型的有限元求解方法，并改编有限元程序，实现耦合水质模型 的数值求解。
文章将所获得的耦合模型运用于上海某化工厂地下水环境监测工程的研究。 据此，文章在分析研究上海地区某厂厂区及周围的地形地貌、水文地质条件、工 程地质条件、气象的基础上，分析了地下水水位动态变化特征及其补给排泄关系。 探讨了一些与上海地区地下水污染物迁移有关的问题，根据实测结果，分析了部 分污染物的背景值与分布特征。利用有限元法对该厂区的地下水中污染物（以硫 酸盐为例）的运移进行了模拟和预测。模型计算结果与实测数据基本一致。
随着时间的推移，上海地区地表水的严重污染问题，正逐渐得到控制，越来 越多的注意力已经转移到研究与治理地下水的污染问题。
本文在水动力弥散有关理论分析的基础上，依据某化工厂地下水环境监测系 统的建设工作，探讨了一些与上海地区地下水污染物迁移有关的问题。根据实测 结果，分析了部分污染物的背景值与分布特征。建立了地下水水质数值模拟模型， 利用有限元法对地下水中污染物的运移进行了模拟和预测，试图为该区域的地下 水污染的防治提供依据。
地下水污染是比较难解决的问题，它一般不容易被发觉，不像地表水，可以 从水体的颜色、嗅味等物理性状来初步判断是否受到污染，地下水污染具有隐蔽 性。而且地下水污染也具有不可逆转性，由于其流速极其缓慢，切断污染源后仅 靠含水层本身的自然净化，所需时间很长，所以就很难治理和恢复。因此需大力 加强监测与控制地下水的水质污染情况，并积极进行地下水污染理论与调查方法 的研究，为确定合理有效的地下水污染防治措施提供可靠依据。迄今为解决有关 地下水问题，各相关部门做了相应的工作和努力，力求保护地下水资源、防治地 下水污染。
20040301
摘要
由于上海地区地表水的严重污染问题，正逐渐得到控制，越来越多的注意力 正转移到研究与治理地下水的污染问题。
结合某化工厂地下水环境监测系统的建设工作，本文在总结归纳前人研究成 果的基础上，依据孔隙介质中污染物水动力弥散理论，探讨了含水层中水流与污 染物迁移的规律，研究、建立了相应的潜水含水层中的污染物的对流一弥散方程， 并完成了该潜水含水层中渗流与弥散的耦合，获得了相应的渗流弥散耦合模型。 文章分析探讨了耦合模型的有限元求解方法，并改编了有限元程序，实现了耦合 模型的数值求解。
本声明的法律责任由本人承担。
蓼捣钇 学位论文作者签名：
２００４年３月１日
第一章绪论
§１．１引言
水资源是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，也是国民经济发展所不可 替代的战略资源。我国幅员辽阔，人口众多，水资源总量虽然比较丰富，居世界 第六位，但人均拥有水量只有世界人均占有量的１／４，按耕地平均拥有的水资源 量也相当紧张。我国是世界上１３个贫水国家之一，城市地下水短缺尤为严重。 地下水资源需求的不断增加，使得过量抽水、地下水水质退化等与地下水有关的 问题日益突出。近２０年来，随着气候的变化和人类经济活动的影响，导致地下 水资源循环条件，地下水储量、质量和分布规律都发生了很大变化。地下水环境 质量问题，也即地下水污染问题愈来愈严重。
ａｄａｐｔｅｄ ａｎｄ ｒｅｏｒｇａｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅｌ Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｖｉｓｅｄ ｐｒｏｇｒａｍ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ
ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｄａｔａ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｆｉｏｗ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ
ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｑｕａｉｌｔｙ ｍｏｄｅｌ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
声明
本人郑重声明：本人在导师的指导下独立进行研究工作，将取得的成果写出 硕士学位论文“地下水水质模型及其应用研究”。除论文中已经注明引用的内容 外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本论文中不包含未加明确注明的其它个人和集体已经公开发表或未公开发表的 成果。
ａ ｃｈｅｍｉｃａＩ ｐｌａｎｔ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｆｏｒｍｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｐｅｃｔ，ａｎｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ，ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｓｅｅｐａｇｅ ａｎｄ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ａｑｕｉｆｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｈｅｒｅｉｎ．Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ—ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｈｒｅａｔｉｃ ａｑｕｉｆｅｒ
§１．２研究内容
由于上海地区地表水的严重污染问题，正逐渐得到控制，越来越多的注意力 正转移到研究与治理地下水的污染问题。本文研究了上海地区某厂的污染物运移 情况，为地下水污染的预防与治理提供借鉴。
４
ห้องสมุดไป่ตู้
地下水中污染物的运移模型是由水流问题和溶质的对流弥散问题耦合而成
的，本文从污染物运移的基本——弥散开始，讲解了弥散的概念以及基本方程和 对流一弥散的基本方程。研究了对流一弥散方程和潜水方程的有限元解法及其耦
ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗｅａｔｈｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ａｎｄ ｎｅａｒｂｙ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌａｎｔ．Ｓｏｍｅ ｉｓｓｕｅｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ａｒｅａ，ａｎｄ ｓｏｍｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｖａｌｕｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
当前８０％的地表水、４５％的地下水（在城市９７％）以及９０％以上的井水或 多或少的被污染，而只有２５％的废水得到处理。特别是大中城市的地下水中硝 酸盐、硬度、矿化度普遍提高，有不少指标超过饮用水标准。有些城市的城区潜 水污染也极为严重，基本失去了饮用价值。地下水污染对国民经济与人民生活已 产生越来越大的影响，对人体健康造成灾害性结果，威胁很大。
ｉｎ－ｓｉｔｕ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｆａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ（ｔａｋｅ ｓｕｌｆａｔｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ）ｉｎ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｖｅｒｙ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎ－ｓｉｔｕ
由于上海经济建设的迅速发展，上海市境内地下水水质已受到不同程度的污 染，对当地的经济建设产生了不可忽视的影响，上海已列入水质型缺水城市。为 此，上海正全力以赴地开展水环境的综合治理。
２００１年，上海市开展水环境治理与保护“十五”规划，其中包括黄浦江水 源保护、城市生态发展战略、苏州河及中小河道整治和生态恢复、环境管理与政 策等方面的课题。上海市环保局发布了《上海市污染源监测（监控）系统安装运 行管理暂行办法》，《上海市危险废物收集管理规定》等防止地下污染的规范性文 件。同年，举办了由３０多个国家、地区和国内其他城市参加的“上海城市环境 可持续发展国际研讨会”，热烈讨论了地下水环境质量的防治与改善等重要问 题。上海地区在加紧经济建设的同时，也非常重视水环境污染的防治与治理。
对地下水质的模拟可以分为两步，首先模拟地下水流状况，然后模拟污染物 的运移转化过程。因此在地下水模型中存在一些专门进行地下水流模拟的模型， 它们一般对地下水流模拟细致，并提供将模拟结果连接到污染物运移转化模型的 功能。但是大部分地下水质模型都同时具有模拟地下水流和污染物运移转化过程
的功能。
计算机技术的发展推动了水环境模型研究的不断深入，并出现了大量的应用 模型软件。由于水质模型不仅要模拟水动力过程，还要描述各类化学物质在水环 境中的运移转化，其中涉及到许多物理、化学和生物过程，所以水质模型大都比 较复杂。不同的研究部门模型软件开发者在软硬件环境、数据结构、模型的精度 等方面都有较大的差异，使得许多水质模型功能参差不齐，模型间的连接和比较
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｆｏｒ ａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｌａｎｔ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ａｒｅａ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，
根据实测结果，分析了部分污染物的背景值与分布特征。利用建立的上海地 区某厂地下水水质数值模拟模型对地下水中污染物的运移进行了模拟和预测，试 图为该区域的地下水污染的防治提供依据。
§１．３研究现状
在水资源、水环境的分析、评价与管理中，定量描述地下水的水质与水动态 是非常重要的，利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法逐渐成 为一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用。
ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｅｔ ｕｐ．ａｎｄ ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｌｏｗ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ
ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈｒｅａｔｉｃ ａｑｕｉｆｅｒ．
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ
地下水污染是近年来人们普遍关注的主要环境问题之一，地下水作为水文生 态循环系统中的一个不可缺少的部分，其保护与污染防治的重要性已为越来越多 的国家和地区所认同。在地下水污染的分析、评价与管理中，定量描述地下水的 水质与水动态是非常重要的，利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟
的方法逐渐成为一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应 用。荷兰有三分之一的国土低于海平面，因此水资源管理工作至关重要，他们的 地下水监测网络和信息系统也已经很成熟。荷兰政府研究开发了“区域水文地质 信息系统”（ＲＥＧＩＳ）储存整个荷兰的水质模型、地下水水位和水质数据、污染源 信息等。法国、美国等很多国家建立了地下水监测网络，并研究开发水质模拟软 件以进行更准确的地下水资源环境评价和地下水污染防治。
在地下水污染的分析评价与管理中定量描述地下水的水质与水动态是非常重要的利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法逐渐成为一种不可或缺的重要方法并受到越来越大的重视和广泛的应用
同济大学 硕士学位论文 地下水水质模型及其应用研究 姓名：王瑞霞 申请学位级别：硕士 专业：地质工程 指导教师：叶为民
关键词：地下水，弥散，渗流，对流一弥散，水质模型，有限元数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｓ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ ｂｏｄｉｅｓ ｉｎ ｄｏｗｎｔｏｗｎ
Ｓｈａｎｇｈａｉ ａｒｅ ｇｅｔｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．
合方法，以及有限元方程组用迭代求解，编制有限元程序求解水质模型。
本文在水动力弥散有关理论分析的基础上，结合某化工厂地下水环境监测系 统的建设工作，总结归纳前人研究成果，根据试验实测结果，探讨含水层中水流 与污染物迁移的规律，建立相应的潜水含水层中的污染物的对流一弥散方程，并 完成该潜水含水层中渗流与弥散的耦合，获得相应的渗流弥散耦合水质模型。分 析探讨耦合水质模型的有限元求解方法，并改编有限元程序，实现耦合水质模型 的数值求解。
文章将所获得的耦合模型运用于上海某化工厂地下水环境监测工程的研究。 据此，文章在分析研究上海地区某厂厂区及周围的地形地貌、水文地质条件、工 程地质条件、气象的基础上，分析了地下水水位动态变化特征及其补给排泄关系。 探讨了一些与上海地区地下水污染物迁移有关的问题，根据实测结果，分析了部 分污染物的背景值与分布特征。利用有限元法对该厂区的地下水中污染物（以硫 酸盐为例）的运移进行了模拟和预测。模型计算结果与实测数据基本一致。
随着时间的推移，上海地区地表水的严重污染问题，正逐渐得到控制，越来 越多的注意力已经转移到研究与治理地下水的污染问题。
本文在水动力弥散有关理论分析的基础上，依据某化工厂地下水环境监测系 统的建设工作，探讨了一些与上海地区地下水污染物迁移有关的问题。根据实测 结果，分析了部分污染物的背景值与分布特征。建立了地下水水质数值模拟模型， 利用有限元法对地下水中污染物的运移进行了模拟和预测，试图为该区域的地下 水污染的防治提供依据。
地下水污染是比较难解决的问题，它一般不容易被发觉，不像地表水，可以 从水体的颜色、嗅味等物理性状来初步判断是否受到污染，地下水污染具有隐蔽 性。而且地下水污染也具有不可逆转性，由于其流速极其缓慢，切断污染源后仅 靠含水层本身的自然净化，所需时间很长，所以就很难治理和恢复。因此需大力 加强监测与控制地下水的水质污染情况，并积极进行地下水污染理论与调查方法 的研究，为确定合理有效的地下水污染防治措施提供可靠依据。迄今为解决有关 地下水问题，各相关部门做了相应的工作和努力，力求保护地下水资源、防治地 下水污染。
20040301
摘要
由于上海地区地表水的严重污染问题，正逐渐得到控制，越来越多的注意力 正转移到研究与治理地下水的污染问题。
结合某化工厂地下水环境监测系统的建设工作，本文在总结归纳前人研究成 果的基础上，依据孔隙介质中污染物水动力弥散理论，探讨了含水层中水流与污 染物迁移的规律，研究、建立了相应的潜水含水层中的污染物的对流一弥散方程， 并完成了该潜水含水层中渗流与弥散的耦合，获得了相应的渗流弥散耦合模型。 文章分析探讨了耦合模型的有限元求解方法，并改编了有限元程序，实现了耦合 模型的数值求解。
本声明的法律责任由本人承担。
蓼捣钇 学位论文作者签名：
２００４年３月１日
第一章绪论
§１．１引言
水资源是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，也是国民经济发展所不可 替代的战略资源。我国幅员辽阔，人口众多，水资源总量虽然比较丰富，居世界 第六位，但人均拥有水量只有世界人均占有量的１／４，按耕地平均拥有的水资源 量也相当紧张。我国是世界上１３个贫水国家之一，城市地下水短缺尤为严重。 地下水资源需求的不断增加，使得过量抽水、地下水水质退化等与地下水有关的 问题日益突出。近２０年来，随着气候的变化和人类经济活动的影响，导致地下 水资源循环条件，地下水储量、质量和分布规律都发生了很大变化。地下水环境 质量问题，也即地下水污染问题愈来愈严重。
ａｄａｐｔｅｄ ａｎｄ ｒｅｏｒｇａｎｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｄｅｌ Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｖｉｓｅｄ ｐｒｏｇｒａｍ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ
ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｄａｔａ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ，ｆｉｏｗ，ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ
ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｑｕａｉｌｔｙ ｍｏｄｅｌ，ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
声明
本人郑重声明：本人在导师的指导下独立进行研究工作，将取得的成果写出 硕士学位论文“地下水水质模型及其应用研究”。除论文中已经注明引用的内容 外，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本论文中不包含未加明确注明的其它个人和集体已经公开发表或未公开发表的 成果。