地下水污染物运移模拟
浅析地下水数值模拟的研究与应用
浅析地下水数值模拟的研究与应用李鹭【摘要】地下水对于人类社会的进步和发展具有重要意义,地下水数值模拟现已成为研究地下水各种问题的重要手段.文章分析了地下水数值模拟的发展历程,总结了地下水数值模拟的步骤以及常用的方法;简要介绍了当今常用的地下水数值模拟软件,并着重分析了Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW这3款软件;介绍了常用的地下水数值模型,分析了地下水水流数值模拟及地下水污染物运移数值模拟的研究应用进展情况;最后对地下水数值模拟的发展中应注意的问题提出了相关建议.【期刊名称】《江西化工》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P133-136)【关键词】地下水;数值模拟;研究应用【作者】李鹭【作者单位】东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013【正文语种】中文引言水资源是人类生存和发展必不可少的资源，其对促进社会进步和经济发展具有重要意义。
地下水是水资源的重要组成部分，是中国城市生活和工农业用水的重要供水水源[1]。
当今世界所面临的人口、资源、环境三大问题都直接或间接地与地下水有关。
但是，局部地区因地下水的不合理开采，也导致产生了含水层疏干、降水漏斗扩大、地下水污染、海水入侵、地面沉降等环境地质问题。
随着电子计算机和数值方法的发展，数值模拟逐渐取代传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段，而且其发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有范畴，成为模拟一些水文地质过程发生、发展的重要手段[2]。
利用数值模拟软件对地下水流及地下水污染物等问题进行模拟，以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法[3]。
1 地下水数值模拟地下水的数值模拟是随着地下水资源的定量评价深入研究而发展起来的。
应用数值模型模拟地下水流特征和溶质运移情况逐渐成为此研究领域的一种重要方法，并受到业内人士重视并加以广泛应用[4]。
地下水数值模拟的发展大概经历了三个阶段[5]：即1935年至1950年以解析法为主的第一时期；1950年至1960年，以基于达西定律与电学欧姆定律间相似性所研发产生的电网络模拟为主的第二时期；1965年至今，以数值模拟为代表的第三时期。
生活垃圾填埋场地下水典型重金属污染物迁移演化规律分析
生活垃圾填埋场地下水典型重金属污染物迁移演化规律分析摘要：采用有限元数值模拟方法，对某生活垃圾填埋场典型重金属污染物迁移演化规律进行研究，结果表明：地下水中重金属污染物主要在垃圾渗滤液与地下水的交互作用下向外迁移，在垃圾渗滤液处理区内污染物浓度较高，但渗滤液进入到地下水中后，其浓度迅速降低，且随着垃圾渗滤液处理区内污染物浓度的降低，地下水中重金属污染物的迁移距离变大；填埋场内污染物迁移距离越大，其对地下水中重金属污染物的污染越严重。
关键词：生活垃圾填埋场；地下水；重金属污染物目前，我国生活垃圾的处理主要有卫生填埋、堆肥、焚烧等，其中卫生填埋是垃圾处理的主要方式，随着我国人口的增长和生活水平的提高，我国城市生活垃圾的产生量逐年增加，目前，我国生活垃圾处理方法主要有卫生填埋、堆肥和焚烧等。
其中卫生填埋是最常用的一种处理方法，在填埋作业过程中，由于操作不当等原因会产生大量渗滤液，其中重金属污染物极易进入到地下水中。
因此，了解地下水中重金属污染物的迁移演化规律具有重要意义。
本文通过对某生活垃圾填埋场进行调查，分析该填埋场地下水中重金属污染物的迁移规律及影响因素，为该填埋场的治理提供理论依据和技术支持。
1.监测分析1.1研究区概况某生活垃圾填埋场位于广西壮族自治区，场区内垃圾种类丰富，包括木屑、饮料瓶、废轮胎等，总容积为4×104m3,填埋垃圾时间长达15a。
填埋场使用的填埋垃圾主要为生活垃圾，经过破碎、压缩后由汽车运输到填埋场内。
生活垃圾由汽车运输至填埋场后，先进行人工清理，将其表面的浮土挖去后进行填埋；然后采用机械或人工进行机械碾压。
机械碾压完成后对填埋场表面进行覆盖处理，其中采用人工覆盖的方式对表面进行覆盖，覆盖材料为草皮。
由于当地降雨较多且集中，因此在该填埋场周边共设置了5个渗滤液收集池，每个渗滤液收集池设计容量为3×104m3。
同时该填埋场还建设了一条长约800m的渗滤液处理设施，主要采用厌氧生物处理工艺和MBR工艺对生活垃圾渗滤液进行处理。
地下水超采区治理
地下水超采区治理第一部分地下水超采区界定与识别 (2)第二部分地下水超采原因分析 (5)第三部分地下水超采影响评估 (7)第四部分地下水超采区治理策略 (10)第五部分法律法规与政策框架 (13)第六部分技术与管理措施实施 (15)第七部分治理效果监测与评估 (18)第八部分长期管理与可持续发展 (21)第一部分地下水超采区界定与识别# 地下水超采区界定与识别引言随着社会经济的快速发展，水资源需求不断上升，导致地下水的过度开采。
地下水超采区是指由于长期过量开采地下水而引发的地面沉降、地裂缝等地质灾害的区域。
合理界定与识别这些区域对于制定有效的治理措施至关重要。
本文将探讨地下水超采区的界定标准、识别方法以及评估体系，旨在为相关决策提供科学依据。
界定标准# 定义地下水超采区通常定义为在一定时期内，地下水开采量超过可开采量的地区。
可开采量是指在不影响生态环境和地质环境的前提下，地下水系统能够持续提供的最大水量。
# 指标体系界定地下水超采区需要考虑以下关键指标：1.水位下降速率：长期观测数据显示，如果地下水位年降幅超过一定阈值（如 0.5 米/年），则可能表明该区域存在超采现象。
2.水位埋深：水位埋深是衡量地下水补给条件的直观指标。
当水位埋深超过某一临界值（如 20 米）时，通常意味着地下水补给不足，可能存在超采问题。
3.开采系数：开采系数是实际开采量与可开采量的比值。
当开采系数大于 1 时，即表明存在超采现象。
4.地质灾害：地面沉降、地裂缝等地质灾害的发生往往与地下水超采密切相关。
5.生态与环境效应：包括水质恶化、湿地萎缩、河流断流等生态退化现象。
识别方法# 遥感技术遥感技术可以用于监测地表形变，从而间接反映地下水位的变化情况。
通过分析卫星图像，可以识别出地面沉降、地裂缝等超采引起的地质灾害。
# 水文地质调查通过对超采区进行详细的水文地质调查，收集地下水位、流量、水质等数据，结合地质构造、含水层特性等信息，可以评估地下水的开采状况及超采程度。
地下水数值模拟任务、步骤及常用软件
地下水数值模拟任务、步骤及常用软件展开全文一、地下水模拟任务大多数地下水模拟主要用于预测，其模拟任务主要有4种：1)水流模拟主要模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。
2)地下水运移模拟主要模拟地下水、热和溶质组分的运移速率。
这种模拟要特别考虑到“优先流”。
所谓“优先流”就是局部具有高和连通性的渗透性，使得水、热、溶质组分在该处的运移速率快于周围地区，即水、热、溶质组分优先在该处流动。
3)反应模拟模拟水中、气-水界面、水-岩界面所发生的物理、化学、生物反应。
4)反应运移模拟模拟地下水运移过程中所发生的各种反应，如溶解与沉淀、吸附与解吸、氧化与还原、配合、中和、生物降解等。
这种模拟将地球化学模拟(包括动力学模拟)和溶质运移模拟(包括非饱和介质二维、三维流)有机结合，是地下水模拟的发展趋势。
要成功地进行这种模拟，还需要研究许多水-岩相互作用的化学机制和动力学模型。
二、模拟步骤对于某一模拟目标而言，模拟一般分为以下步骤：1)建立概念模型根据详细的地形地貌、地质、水文地质、构造地质、水文地球化学、岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等，确定所模拟的区域大小，含水层层数，维数(一维、二维、三维)，水流状态(稳定流和非稳定流、饱和流和非饱和流)，介质状况(均质和非均质、各向同性和各向异性、孔隙、裂隙和双重介质、流体的密度差)，边界条件和初始条件等。
必要时需进行一系列的室内试验与野外试验，以获取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。
2)选择数学模型根据概念模型进行选择。
如一维、二维、三维数学模型，水流模型，溶质运移模型，反应模型，水动力-水质耦合模型，水动力-反应耦合模型，水动力-弥散-反应耦合模型。
3)将数学模型进行数值化绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。
数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。
常用数值化有有限单元法和有限差分法。
4)模型校正将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。
一种COMSOL与PHREEQC耦合的土壤地下水污染物迁移转化模拟方法[发明专利]
![一种COMSOL与PHREEQC耦合的土壤地下水污染物迁移转化模拟方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/0e776c7468eae009581b6bd97f1922791688befe.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202111429422.7(22)申请日 2021.11.29(71)申请人 上海交通大学地址 201100 上海市闵行区东川路800号(72)发明人 魏亚强 曹心德 赵玲 续晓云 (74)专利代理机构 北京细软智谷知识产权代理有限责任公司 11471代理人 涂凤琴(51)Int.Cl.G06F 30/28(2020.01)G16C 10/00(2019.01)G16C 20/10(2019.01)G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01)(54)发明名称一种COMSOL与PHREEQC耦合的土壤地下水污染物迁移转化模拟方法(57)摘要本发明属于环境模拟技术领域，具体涉及一种COMSOL与PHREEQC耦合的土壤地下水污染物迁移转化模拟方法，通过获取COMSOL模型的待输入参数数据以及指定时间步长；将所述待输入参数数据以及指定时间步长输入至预构建的COMSOL 模型，计算得到所述待输入参数数据对应的组分的浓度结果；基于Python库PhreeqPy计算所述待输入参数数据对应的组分的浓度结果，将所述待输入参数数据对应的组分的浓度结果输入至PHREEQC中，并进行地球化学反应过程计算，得到下一时间步长以及地球化学反应计算结果；整理重建所述地球化学反应计算结果，并将所述地球化学反应计算结果导入预构建的COMSOL模型中；直至按照所有时间步长模拟得到土壤地下水污染物迁移转化模型。
实现了多物理场和地球化学场的高效模拟。
权利要求书2页 说明书9页 附图4页CN 114201931 A 2022.03.18C N 114201931A1.一种COMSOL与PHREEQC耦合的土壤地下水污染物迁移转化模拟方法，其特征在于，包括：步骤S1、获取COMSOL模型的待输入参数数据以及指定时间步长，所述输入的参数数据与所述指定时间步步长一一对应；步骤S2、将所述待输入参数数据以及指定时间步长输入至预构建的COMSOL模型，计算得到所述待输入参数数据对应的组分的浓度结果；步骤S3、基于Python库PhreeqPy计算所述待输入参数数据对应的组分的浓度结果，将所述待输入参数数据对应的组分的浓度结果输入至PHREEQC中，并进行地球化学反应过程计算，得到下一时间步长以及地球化学反应计算结果；步骤S4、整理重建所述地球化学反应计算结果，并将所述地球化学反应计算结果导入预构建的COMSOL模型中；步骤S5、重复步骤S2‑步骤S4，直至按照所有时间步长模拟得到土壤地下水污染物迁移转化模型。
基于Visual Modflow的某生活垃圾填埋场地下水污染物运移模拟
基于Visual Modflow的某生活垃圾填埋场地下水污染物运移模拟作者：***来源：《城市地质》2020年第02期摘要：针对生活垃圾填埋场运行中面临的渗滤液泄漏污染地下含水层的潜在威胁，论文通过概化某生活垃圾填埋场地的水文地质物理概念模型，利用Visual Modflow软件对该场地进行建模和拟合调参，预测了渗滤液发生泄漏后20年特征污染物NH3-N在含水层中的运移规律。
模拟发现：在水平方向上，污染物随水流方向不断扩散，污染面积不断加大，污染速率呈先增长较快后逐渐变缓慢的趋势，污染浓度由渗漏中心向周围递减，污染物在20年内向下游地区运移时所到达的最远污染距离为841.3m，受污染区域面积最大为0.243km2;在垂向上，由于存在第3、5、7层为弱透水层的阻隔作用，虽随着时间推移，污染物不断向下扩散，但研究周期内在污染物到达模型底板时，特征污染物的浓度均小于1.5mg/L，由此可见特征污染物不会渗入深部含水层。
关键词：Visual Modflow;生活垃圾填埋场;污染物运移;地下水Abstract： In view of the potential threat of the leaked leachate contaminating underground aquifers during the operation of domestic waste landfills， this paper generalizes the hydrogeological and physical conceptual model of a domestic waste landfill site and uses Visual Modflow software to model and fit the parameters， and uses the fitted model to simulate and predict the migration rule of the characteristic pollutant NH3-N in the aquifer for 20 years after the leakage of the leachate. The simulation found that in the horizontal direction， the pollutants continued to diffuse along the direction of the water flow， and the pollution area continued to increase. The pollution rate showed a trend of increasing faster and then gradually slowing down. The concentration of pollution gradually decreased from the leakage center to the surroundings. When pollutants are transported to the downstream area within 20 years， the longest pollutant distance reached 841.3m， and the maximum area of the polluted area was 0.243 km2. In the vertical direction， due to the existence of the barrier effect of the third， fifth， and seventh layers as weak permeable layers， although pollutants continued to diffuse downward over time， the concentration of characteristic pollutants had less than 1.5 mg/L when the pollutants reach the model floor during the study period， so it can be seen that the characteristic pollutants will not penetrate into the deep aquifer.Keywords： Visual Modflow; Domestic waste landfill site; Pollutant transport; Groundwater0 前言在過去几十年里，我国的社会经济得到了前所未有的发展，伴随而来的地下水污染问题也受到越来越多的关注。
《基于SWAT-MODFLOW对宋古超采区地下水位动态变化的数值研究》范文
《基于SWAT-MODFLOW对宋古超采区地下水位动态变化的数值研究》篇一一、引言随着经济的快速发展和城市化进程的加速，地下水资源的需求量日益增长，而过度开采地下水则可能引发一系列环境问题，如地下水位下降、地面沉降等。
因此，对地下水位动态变化的研究显得尤为重要。
本文以宋古超采区为例，采用SWAT-MODFLOW模型进行地下水位动态变化的数值研究，以期为该地区的地下水管理提供科学依据。
二、研究区域与数据宋古超采区位于某地区，地理位置重要，地下水开采量大。
研究区域的气候、地质、水文等数据是进行数值模拟的基础。
本文收集了该地区的气象数据、土壤类型、地下水开采量等资料，为后续的模型建立和参数率定提供数据支持。
三、SWAT-MODFLOW模型简介SWAT（Soil and Water Assessment Tool）和MODFLOW （Modular Groundwater Flow Model）是两个广泛应用于水文模拟的模型。
SWAT主要用于流域尺度的水文模拟，而MODFLOW 则主要用于地下水流动和污染物的运移模拟。
本文将结合这两个模型，对宋古超采区的地下水位动态变化进行数值研究。
四、模型建立与参数率定1. 模型建立：首先，根据研究区域的地理、气候、土壤等数据，建立SWAT模型，模拟流域尺度的水文过程。
然后，以SWAT模型输出的数据为基础，建立MODFLOW模型，模拟地下水的流动和污染物的运移。
2. 参数率定：采用历史水文地质数据，对SWAT和MODFLOW模型的参数进行率定。
通过不断调整模型参数，使模拟结果与实际观测数据相符合，从而得到可靠的模型参数。
五、地下水位动态变化数值模拟利用已率定的SWAT-MODFLOW模型，对宋古超采区地下水位动态变化进行数值模拟。
通过模拟不同情景下的地下水开采量、降雨量等条件，分析地下水位的动态变化规律。
同时，结合实际观测数据，对模拟结果进行验证和修正，以提高模型的准确性和可靠性。
基于Visual Modflow软件的地下水污染物运移模拟研究
第44卷第2期2021年2月煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.44No.2Feb.2021地测与水害防治基于Visual Modflow软件的地下水污染物运移模拟研究陈峰，吴涛（中国臓地质总局水文地质工程地质环境地质勘查院，河北邯郸056004）摘要：根据研究区的水文地质特征，利用Visual Modflow软件构建了地下水数值模型，对研究区地下水污染物运移规律进行分析，对污染物运移轨迹进行模拟与预测。
预测结果表明，污染物的扩散范围由最初的近圆形向近椭圆形渐变，长轴方向与水流方向一致。
污染物运移5000d后浓度达到边界值。
模拟结果为研究区的地下水环境评价和防范措施提供了科学依据。
关键词：Visual Modflow;地下水；污染物运移；模拟预测中图分类号：X523文献标识码:A文章编号：2095-5979(2021)02-0085-005 Simulation study of groundwater contaminant transportationbased on visual modflow softwareChen Feng,Wu Tao(Hydrogeology Engineering Environmental Geology Survey Institute,China Coal Geological A dministration,Handan056004,China)Abstract：Based on the hydrogeological characteristics of the study area,a numerical groundwater model was constructed using Visual Modflow software to analyze the groundwater contaminant transport law in the study area and to simulate and predict the contaminant transport trajectory.The prediction results showed that the diffusion range of contaminants changed from the initial near-circular to near-elliptical shape,and the long-axis direction was consistent with the flow direction.The concentration of pollutants reached the boundary value after5,000d of transport.The simulation results provided a scientific basis for the environmental evaluation and preventive measures of groundwater in the study area.Key words:Visual Modflow;groundwater;contaminant transport;simulation prediction0引言水是人类生存不能缺少的资源，随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，人们对水资源的需求量也不断增长。
数值模拟在污染地下水抽出-处理-回灌修复技术中的应用
数值模拟在污染地下水抽出-处理-回灌修复技术中的应用杜 川1,2，陈素云1,2，李厚恩1,2（1. 北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；2. 北京市环境岩土工程技术研究中心，北京 100038）摘 要： 受污染地下水对人体健康和生态环境有较深影响，采取经济合理的地下水修复技术尤为关键。
抽出-处理-回灌技术是修复污染地下水的典型代表，溶质运移数值模拟是研究地下水污染物迁移转化的重要技术支撑手段。
以北京某地块石油类污染地下水为研究对象，针对重污染区域采用中心抽水-四周回灌和对整个污染区采用逐排处理两种方案，运用数值模拟分析不同模式下地下水中污染物的时空迁移规律，确定污染物去除效果。
结果表明：针对重污染区优先处理时，将污染物处理达标需要约23 d；针对整个污染区采用逐排处理时，则需要6～7个处理周期（每周期24 d）。
对重污染区域优先处理的模式可短期内使污染物浓度大幅降低，有效削减高浓度峰值，结合逐排抽出-回灌的修复模式，可更有效地使全区污染物浓度达到修复目标，两种模式结合使用具备技术可行性与高效性。
关键词： 地下水污染修复；抽出-处理-回灌技术；数值模拟；污染物运移预测中图分类号： X523文献标志码： A DOI：10.16803/ki.issn.1004 − 6216.2022090004Application of numerical simulation in pump-treat-recharge remediation technology ofpolluted groundwaterDU Chuan1,2，CHEN Suyun1,2，LI Houen1,2（1. BGI ENGINEERING CONSULTANTS LTD， Beijing 100038 , China；2. The Environmental Geotechnical EngineeringTechnology Research Center of Beijing， Beijing 100038 , China）Abstract： Polluted groundwater had a serious impact on human health and ecological environment, so it’s critical to adopt economic and reasonable groundwater remediation technology. Pump-treat-recharge technology was a typical representative method for the remediation of contaminated groundwater, and numerical simulation of solute transport was an important technical support means to study the migration and transformation of groundwater pollutants. Taking the petroleum-contaminated groundwater of a certain site in Beijing as the research object, two schemes were adopted for the heavily polluted area, namely, central pumping and peripheral reinjection, and the whole polluted area was treated row by row. Numerical simulation was used to analyze the temporal and spatial migration of pollutants in groundwater under different modes and determined the pollutant removal effect. The results showed that 23 days were taken about for pollutants to reach the standard when priority treatment was given to the heavily polluted area, and 6～7 treatment cycles (24 days per cycle) were required when adopting row-by-row treatment in the whole pollution area. The priority treatment mode for heavily polluted areas could significantly reduce the pollutant concentration in a short period. It could reduce the peak value of high concentration, and in combination with the row-by-row repair mode, the pollutant concentrationcan effectively reach the remediation goal. The combination of the two modes showed technical feasibility and efficiency.Keywords： remediation of groundwater pollution；pump, treat and recharge remediation technique；numerical simulation；pollutant transport predictionCLC number： X523收稿日期：2022 − 09 − 01 录用日期：2022 − 10 − 18作者简介：杜 川（1989—），男，硕士、工程师。
土壤水环境中污染物运移双点吸附解吸动力学模型
∂C ∂z
⎞ ⎠⎟
−
∂qC ∂z
⎪⎪⎪−kθρ[(1 − ⎨
f
)KdC
−
S2 )] − θλ1C
−
f
ρ Kdλ2C
（1）
⎪⎪S1 = fKdC
⎪ ⎪
∂S2
⎪⎩ ∂t
=
kθ[(1 −
f
)KdC
−
S2 )] − λ3S2
式中：C 为污染物在水相中的浓度；S1 和 S2 分 别为污染物在平衡和非平衡吸附相上的吸附浓度；
（1. 辽宁工程技术大学 力学与工程科学系, 阜新 123000; 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）
摘 要：在考虑对流弥散、平衡/非平衡双点吸附解吸、微生物降解等情况下，建立了土壤环境中有机污染物迁移转化的动
力学模型，并给出了有限差分解。在此模型的基础上，详细讨论了有机污染物在土壤中的分布规律，并对一阶吸附解吸速率
（7）
初始条件离散为
C
0 j
=
(
S1
)0 j
=
(
S2
)0 j
=
0
（8）
上边界条件离散为
⎧ ⎪
−
⎪
θD 4h
(C1τ
−
C
τ −1
+
C1τ
+1
−
C
τ +1 −1
)
+
⎪ ⎪⎪
vθ 2
(C
τ 0
+1
+
C
τ 0
)
=
vC0
⎨
⎪ ⎪− ⎪
θD 4h
(C1τ
地下水数值模拟02_地下水运动的数学模型
2
H 0
n 2
——隔水边界
第三类边界条件 H aH b n
例：弱透水边界
K H Hn H 0 n m1 / K1
溶质运移问题的边界条件
第一类边界条件
c(x,
y, z,t) 1
c1(x,
y, z,t)
——给定浓度边界
第二类边界条件 c
Di, j x j ni 2 f2 (xi , t)
u(x, y, z,t) t0 0(x, y, z)
• 2、边界条件
第一类边界条件 u(x, y, z,t) 1 1(x, y, z,t)
第二类边界条件
u n
2
1(x, y, z,t)
第三类边界条件
u
u n
3
3x,
y, z,t
水流问题的边界条件
Reynolds数小于1~10
• 有些情况下，用液体压强表示更为方便
– 例如：油水两相流动
vx
K
H x
vy
K
H y
vz
K
H z
K g k
H z p
g
k p
vx
x
v y
k
p y
vz
k
K ( d
)
dhc
C
t
x
K( )
x
y
K
(
)
y
z
K (
《地下水污染与防治》习题指导.
《地下水污染与防治》习题指导第一章绪论1 什么是地下水污染？哪些物质可污染地下水？途径如何？2 地下水污染如何分类？怎样防治？3 地下水污染调查有何意义？如何进行地下水污染调查？4 污染的地下水如何进行修复？第二章地下水的赋存和化学成分1 地下水的赋存形式有哪几种？2 什么叫岩石的水理性质？包含哪些指标？3 请简述地下水的分类。
4 地下水中包含哪些化学成分？哪些指标可判断地下水的化学性质？5 为什么Cl-总是随着TDS的增长而增加，而Ca2+没有这种性质？6 地下水中化学成分形成机理如何？7 水文地质研究中常见的环境同位素有哪些，有什么意义？8 有哪些方法可以对地下水进行化学分类？下表为两个水样的分析数据，请用已学过的分类方法进行分类分析。
组分Na++K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-A 171 119 16 15 42 817B 26 60 12 100 47 64 注：组分浓度单位为mg/L。
第三章地下水运动1 试将渗流同空隙中的真实水流进行对比，看其流量、水头、过水断面、流速大小、水流运动方向等有何不同？2 地下水能从压力小的地方向压力大的地方运动吗？为什么？3 为什么导水系数在三维条件下无意义？4 在计算地下热水运动时，能否将渗透系数当成是岩层透水性常数？为什么？5 流网为什么旨在稳定渗流条件下才有意义？6 为什么一定要有识别(校正)模型阶段？直接用野外测得的参数进行建立模型可行吗？为什么？7 抽水试验的主要目的和作用是什么？8 什么叫水文地质参数？各参数分别有什么意义？第四章地下水污染物运移1 试写出轴对称条件下一维弥散方程式。
2 为什么确定弥散问题的解需要给出研究区域水头场的分布？如果只知道水头的初始状态、边值和有关参数怎么办？3 水动力弥散系数如何确定？4 试推导地下水污染物运移的对流-弥散方程。
5 在研究地下水流问题中，什么叫边界条件，可分为几类，在实际中应如何进行处理？第五章地下水污染数值模拟技术1 对污染物在含水层中的运移、控制、修复，国内外研究现状如何？2 地下水污染数值模拟方法有哪些？简述目前地下水污染水质模拟软件。
地下水溶质运移第二章
解出浓度分布。对大多数实际溶质运移问题，如地下水
污染，因溶质浓度较小，都可认为属于这种情况。
2 2 海水入侵问题 2.2
海水和淡水很容易混合，它们之间的接触带由于水动力弥散 形成一个由咸水、高矿化水、逐步变为低矿化水的过渡带。如 过渡带的宽度很窄，和整个含水层厚度相比可忽略不计时，可 近似认为海水、淡水间存在 个突变界面；如过渡带很宽，则 近似认为海水、淡水间存在一个突变界面；如过渡带很宽，则 不能做突变界面处理。我国至今未发现这种过渡带很窄可以作 为突变界面处理的情况。 可混溶的对流—弥散模型
2、饱和带溶质运移模型 2.1 地下水水质和污染问题
对流——弥散方程中含有u，浓度分布依赖于流速的分布，而溶质 的浓度变化要影响液体的密度 粘度 密度和粘度的变化又影响u的分 的浓度变化要影响液体的密度、粘度。密度和粘度的变化又影响 布。都是未知函数。只能联立求解。
对流—弥散方程（运移方程）
c c ( Di , j ) (cui ) N t xi x j xi
(3 68) (3.68)
与一般运动方程不同之处： 多了一项反映由浓度差引起的自然对流。只有同时考虑： 水头梯度引起的流动； 由浓度差引起的自然对流 才能反映地下水的真实流向和海水迴流现象。单纯实际（实测） 水头等值线不反映地下水流向 为此，由 水头等值线不反映地下水流向。 为此 由(3.67) (3 67)定义转换水头
3） 集中参数型水质模型
如果只关心污染物随时间的变化而不是不同位置上污染程度的差别， 可考虑用黑箱模型或一个单元的模型来处理。此时浓度只是时间的函数， 与空间位置无关。
模型选择：
首先考虑的是模型是用的目的。如研究污染物的浓度分布，模 首先考虑的是模型是用的目的 如研究污染物的浓度分布 模 拟锋面推移过程，则浓度随空间位置的变化必须考虑，只能用分布 参数模型，以给出浓度的时空变化。集中参数模型比较粗糙，求出 的浓度不代表某一口井的溶质浓度，只是一个全局平均意义下的值。 其次考虑能够取得的数据的数量和质量。如资料不够，只能用 一个简单的模型。 第三要考虑计算工作量。 絶大部分水质问题采用分布参数模型。应尽量用对流 絶大部分水质问题采用分布参数模型 应尽量用对流—弥散模 型，因它比较符合实际。纯对流模型虽然回避了确定弥散系数的困 难，但损失了解的精度。且纯对流模型在计算量上的减少并不明显， 对现在的计算机来说也不重要 所以现在使用对流—弥散模型是 对现在的计算机来说也不重要。 必然趋势，实际情况也是如此。
GMS地下水模拟软件软件介绍
（2）含水层信息包(FLOW PACKAGE)
BCF (Block-Centered Flow)
LPF (Layer Property Flow)
HUF (Hydrogeologic Unit Flow) BCF视含水层（潜水、承压水、潜水和承压
兼备）的性质赋予相应的渗透系数、含水 层底板标高、越流系数、导水系数等参数。 LPF的参数赋值与含水层性质无关，所赋参 数为Kh、Kv、弹性贮存率（storage)等。
T-progs子模块是利用钻孔地层数据，采用转移概率的计算方法对 区域地层进行模拟，以建立实际的三维立体模型。
Solid、T-progs子模块均可与Modflow子模块联合使用，建立真 三维的地下水流模拟模型。
Tins是三维 不规则网格， 通常用来表 示相邻地层 的界面，多 个Tins可用 来建立 Solid模型 或三维网格。
Nuft子模块是用来模拟三维多相不等温水流和运移模型， 它适合用来解决包气带中的一些问题。
Utchem子模块是用来模拟多相流和运移的模型，它对抽水 和水位恢复的模拟较理想，是一个已经被广泛运用的成熟 模型。
以上是GMS所包括的九个子模块。下面简单介绍一下GMS 中的九个辅助模块。
Pest和Ucode子模块一般在使用Modflow、Feflow等计算 模块时交替运用，来调整选定的参数，直到计算结果和 野外观测值相吻合。
概念模型对象：
可供选择的数学模 型包括： MODFLOW FEMWATER MODAEM SEEP2D ART3D等
图层概念：
根据点、线、面等特征对象可以建立许多图层 每个图层代表用户定义的研究区的特性：
可包括：研究区的范围图层 研究区边界条件、源汇项图层 含水层特征图层等；
地下水溶质运移数值法和解析法预测结果对比分析--以沾化电厂为例
地下水溶质运移数值法和解析法预测结果对比分析--以沾化电厂为例刘志涛;周群道;杨建华【摘要】At present, numerical method and analytical method are the methods most commonly used for solving groundwater problems. Although numerical method has been widely used for its wide applicability and higher simu-lation, the analytical method has been one of the first choice for its simple and easy to use. Taking Zhanhua power plant as an example, the pollution caused by long term and short term leakage of pollutants have been predicated in this paper. The application suitability of the analytical method in the study area has been discussed based on ana-lyzing the differences between the predictions results gained by using two methods. It will provide reference for the application of this method.%数值法和解析法是当前解决地下水流和溶质运移问题最常用的两种方法，虽然数值法以其广泛的适用性和较高的仿真性等优点取得了越来越普遍的应用，但解析法也以其简单易用等特点一直成为首选方法之一。
地下水污染模拟预测评估工作指南
第三章 地下水污染概念模型构建 ..................................... 6 3.1 资料收集与评述...............................................6 3.2 主要污染指标识别.............................................6 3.3 水文地质条件概化.............................................7 3.4 污染状况概化.................................................8
7
3.3.4 地下水运动状态概化 对评估区地下水运动状态进行概化，确定含水层组水流为稳 定流或非稳定流、二维水流或三维水流、以及是否存在越流补给 等情况。 裂隙、岩溶含水介质中水流运动概化要视具体情况而定。在 局部溶洞发育处或宽大裂隙中，水流运动一般为非线性流或紊 流，不能应用达西定律，但对于发育较均匀的裂隙、岩溶含水层 中的地下水运动，可概化为达西流，按照松散孔隙含水层水流运 动的方式处理。在大区域上，北方岩溶水运动近似满足达西定律， 含水介质可概化为非均质、各向异性。
附录 A (资料性附录) 资料需求与技术方法 ............................. 22 附录 B (资料性附录) 地下水数学模型 .................................35 附录 C (资料性附录) 地下水模型参数 .................................46 附录 D (规范性附录) 评估成果表达示例 ............................... 60
溶质运移的第三类边界条件_解释说明以及概述
溶质运移的第三类边界条件解释说明以及概述1. 引言1.1 概述在环境科学和土壤污染领域，溶质运移是一项关键的研究内容。
溶质指的是在溶液中可溶解、携带并迁移的物质，在自然界中广泛存在并对环境产生重要影响。
为了准确描述溶质在介质中的迁移过程，我们需要确定边界条件，以便模拟和预测其运动行为。
通常情况下，我们常用的边界条件主要包括第一类和第二类边界条件，它们分别描述了固体/液体接触面上的出入口流量和浓度。
然而，一些特殊情况下会出现第三类边界条件，该种边界条件与第一种和第二种有所不同，并且在一些实际情况中发挥着重要作用。
本文将就这一主题进行深入探讨，并对第三类边界条件进行全面解释和说明。
1.2 文章结构本文共分为五个部分来探讨溶质运移的第三类边界条件。
首先，在引言部分（本节）我们概述了文章的目标和结构安排。
第二部分将详细定义和解释第三类边界条件，包括其特点和背后的影响因素。
第三部分将介绍溶质运移的基本原理，包括扩散作用、对流作用和平衡反应作用。
在第四部分，我们将详细说明和解释第三类边界条件，并探讨其出现情况及影响因素，并通过实际案例分析来评价其应用效果。
最后，在结论部分我们总结了文章的主要观点和结果，并提出了研究的局限性和未来发展方向。
1.3 目的本文旨在全面介绍并探讨溶质运移中的第三类边界条件。
通过对该类型边界条件的定义、解释以及概述，我们旨在增进读者对于溶质运移过程中不同边界条件的理解，并深入剖析第三类边界条件所涉及的问题和应用场景。
通过实例分析，我们将评估该边界条件在实际工程与环境问题中的应用效果，并展望未来研究的方向与挑战。
相信这一篇章能够为读者提供全面且深入的关于溶质运移与第三类边界条件相关内容的知识背景，并激发更多我们对该领域的研究兴趣。
2. 第三类边界条件2.1 定义和解释第三类边界条件是指在溶质运移模型中，不同于已知初始条件或已知边界条件的一种特殊情况。
当存在未知参数或变量时，需要采用第三类边界条件来描述这些变量的行为。
地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估
地下水环境影响评价中污染物运移模拟软件的适宜性评估张小茅;周俊;熊小锋;齐硕;施小清【摘要】目前国内外已发展了一系列成熟的地下水污染物运移模拟软件,但是软件功能各异,易造成使用者的选择困扰.为满足HJ 610-2016《环境影响评价技术导则地下水环境》(简称\"《导则》\")中关于环境影响预测工作精细化的要求,对国内外常用饱和带和包气带污染物运移模拟软件的适宜性进行了评估.首先,针对三款常用饱和带污染物运移模拟软件BIOSCREEN、AT123D和MT3D,基于理想算例对比4组水动力条件设置下的计算结果,分析软件的适宜性;其次,针对《导则》中暂未给出的包气带污染物运移模拟软件,以FEMWATER为例探讨了包气带阻滞作用对于地下水环境影响评价的重要性.结果表明:①BIOSCREEN由于忽略了分子扩散作用,当Pe(Peclet数)为0. 25×10-3时,其预测的污染源下游10 m处污染物浓度为AT123D和MT3D计算值的1. 8倍,存在高估污染风险的可能. ②相比污染源直接设置于潜水面的情景,污染物从距潜水面11 m的地表泄露,经过包气带后污染源强降低了24％,下游85 m处污染物浓度达到0. 1 mg/L的时间延迟了390 d. ③当地下水流速较慢,分子扩散作用相比对流作用占优势时,适用MT3D开展数值模拟或者采用AT123D进行解析预测;当对流作用占优势且水文地质条件接近解析解假设时,可利用BIOSCREEN粗估污染风险.研究显示,包气带污染物运移模拟软件有助于合理地预测污染物在地下水环境中的运移转化行为,从而更准确地估计污染源强和判定地下水环境污染风险.%Currently,a series of groundwater contaminant transport modeling software have been developed both at home and abroad,but the functions of different programs are different,which makes them difficult for the users to select. In order to meet the meticulous requirements for environmental impact prediction in the 'TechnicalGuidelines of Environmental Impact Assessment,Groundwater Environment'(HJ 610-2016),we evaluate the applicability of commonly used contaminant transport modeling software to saturated zones and vadose zones respectively. Firstly,for commonly used saturated zone contaminant transport modeling software BIOSCREEN,AT123D andMT3D,we evaluate their applicability by comparing their outputs of 4 sets of hydrodynamic conditions based on a synthetic saturated example. Secondly,For the vadose zone contaminant transport modeling software,which is not documented in the guidelines,we use FEMWATER as an example to discuss the importance of the retardation effect of vadose zones on the environmental impact assessment of groundwater. The results show that: (1) Because BIOSCREEN ignores the molecular diffusion of solute,the predicted concentration of pollutants at 10 m downstream of the pollution source is 1. 8 times higher than that predicted by AT123D and MT3D with Pe of 0. 25× 10-3,which may lead to overestimating the risk of contamination. (2) Compared with the scenario where the pollution source is directly placed above the phreatic surface,the pollution source intensity is reduced by 24％ when the pollutant passes through the 11 m thick vadose zone and then reaches the phreatic surface,and the time is delayed 390 d when the concentration of the pollutant reaches 0. 1 mg/L at 85 m downstream of the pollution source. (3) When the groundwater flow rate is slow and the molecular diffusion is superior to the convection effect,it is recommended to carry out numerical simulation with MT3D or to use AT123D for analytical prediction; when convection is dominant andhydrogeological conditions are close to the analytical solution hypothesis,it is recommended to use BIOSCREEN to roughly estimate the risk of pollution. The use of the vadose zone transport modeling software helps to reasonably predict the transport and transformation behavior of pollutants in the groundwater,thereby more accurately estimating the pollution source intensity and determining the risk of groundwater contamination.【期刊名称】《环境科学研究》【年(卷),期】2019(032)001【总页数】7页(P10-16)【关键词】地下水;环境影响评价;污染物运移;模拟软件评估【作者】张小茅;周俊;熊小锋;齐硕;施小清【作者单位】南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210023;环境保护部环境工程评估中心,北京 100037;中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004;环境保护部环境工程评估中心,北京 100037;南京大学地球科学与工程学院,江苏南京210023【正文语种】中文【中图分类】X828地下水环境影响预测是地下水环境影响评价的重要内容. 合理预测污染物在土壤、地下水中的运移路径及分布范围，是科学制定防治措施和地下水质监测方案的前提.2016年修订的HJ 610—2016《环境影响评价技术导则地下水环境》(简称“《导则》”)规定了地下水环境影响评价工作的主要内容、技术方法等[1]. 地下水环境影响预测方法包括数学模型法和类比分析法，其中，数学模型法包括数值法和解析法. 《导则》明确要求一级评价要在详细掌握评价区域环境水文地质条件的基础上，采用数值法预测建设项目对地下水环境的影响；二级评价要在基本掌握评价区域的环境水文地质条件下，根据建设项目特征、水文地质条件及资料掌握情况，选择采用数值法或解析法预测建设项目对地下水环境的影响.然而《导则》附录D中仅给出了常用的饱和带数学模型及简单条件下的解析解，未提出实际项目过程中选择合适的地下水污染物运移模拟软件的指导意见. 当前，国内外已发展了一系列成熟的地下水污染物运移模拟软件，但是软件功能各异，易造成使用者的选择困扰. 因此，开展地下水数值模拟的精细化研究，探讨不同模拟软件的适宜性，可为我国地下水环境影响评价领域的模拟预测规范化提供重要的技术支持.该研究拟评估国内外常见的污染物运移模拟软件的适宜性. 首先，对于饱和带污染物运移模拟软件，考虑到《导则》中不同评价等级需使用不同类型数学模型的要求，重点选择了BIOSCREEN、AT123D和MT3D三款软件进行评估，通过理想算例对比分析它们的适宜性，其中，BIOSCREEN和AT123D采用解析法，MT3D采用数值法. 其次，对于《导则》中暂未给出的包气带污染物运移模拟软件，在概述常用软件及其适用范围的基础上，重点以FEMWATER为例，探讨包气带阻滞作用对于地下水环境影响评价的影响，以期为《导则》中预测工具的选择提供参考依据.1 常用饱和带污染物运移模拟软件评估1.1 饱和带污染物运移数学模型饱和带污染物运移模型以饱和地下水流模型和对流-弥散方程[2]为基础，针对不同污染情景可设置不同的初始条件、边界条件和源汇项. 对流-弥散方程及延迟因子(R)分别见式(1)(2).(1)(2)式中：C为污染物溶解相质量浓度，mg/为污染物吸附相质量分数，mg/kg；qi 为达西流速，m/s；Dij为弥散系数张量(包括机械弥散和分子扩散两部分)，m2/s，；qs为污染物源/汇处单位体积含水层的流量，s-1；Cs为污染物源/汇的质量浓度，mg/L；λ1为污染物溶解相的反应速率常数，s-1；λ2为污染物吸附相的反应速率常数，s-1；θ为孔隙度；ρb为孔隙介质的体积密度，kg/L.对流-弥散方程的求解方法有解析解法和数值解法. 解析解软件通过函数表达式(一般为DOMENICO方程式[3])直接计算简单地下水流系统中水头或浓度的具体解，数值解软件通过有限单元、有限差分等方法求出复杂地下水流系统中的近似解. 其中，解析解软件对水流及污染物运移做了理想化假设，适用于水文地质条件相对简单、地下水流动近似于水平稳定流的小范围研究区域，模型参数少，使用方便. 数值解软件通过对时间和空间离散，自定义应力期和参数分区，不同应力期内输入参数不同，对于复杂水文地质条件下的水流和污染物运移具有较高的仿真度[4]，相应地需要输入更多参数，对用于参数率定和模型验证的观测数据的数量和可靠性要求较高.1.2 常用饱和带污染物运移模拟软件介绍目前国内外已发展了一系列成熟的地下水污染物运移模拟软件，如BIOSCREEN、AT123D、MT3D和FEMWATER等，详见表1.表1 饱和带污染物运移模拟软件Table 1 Brief introduction of contaminant transport modeling software in saturated zone软件名称开发者求解方法可模拟过程可视化程序数据来源BIOSCREEN美国环境保护局解析法可模拟一维稳定流场中污染物的对流、弥散、吸附以及耗氧降解和一阶反应过程Excel文献[5]AT123DYeh G T解析法模拟污染物、放射性物质及热量在均质含水层中、稳定流条件下一维、二维、三维对流-弥散运移SEVIEW、DelftDGPlume等文献[6-8]MT3DZHENG C M数值法适用于模拟污染物在地下水中的对流、弥散、扩散作用和一些基本的反应降解过程GMS、VisualMODFLOW等文献[9-11]FEMWATERYeh G T数值法将饱和-非饱和带作为一个整体,模拟变饱和流场中变密度条件下的污染物运移问题GMS文献[12]FEFLOW德国WASY公司数值法模拟变饱和流场中变密度条件下的多相流、热量运移及多组分反应的有限元模型FEFLOW文献[13]TOUGH2Pruess K数值法模拟三维孔隙或裂隙介质中多相流、多组分及非等温的水流及热量运移Petrasim文献[14-15]针对水文地质概念模型选用合适的模拟软件有助于防止模拟失真，提高仿真性[16-17]. 解析解软件中BIOSCREEN界面友好、计算速度快，但是模型结构的简化也带来一定的使用局限，BIOSCREEN将污染源简化为垂直于地下水流向、恒定浓度、持续释放的矩形面源. AT123D采用FORTRAN语言编写，可模拟更多物理化学过程，能满足科学计算的需要，与Scott[18]等包气带模型的连接，可进一步拓宽AT123D的适用范围.数值解软件中，较好的易用性使MT3D成为使用频率较高的饱和带污染物运移模拟软件. FEMWATER、FEFLOW及TOUHG2都是变饱和模型，通过耦合水流和溶质运移模块来同时模拟饱和带、包气带中的污染物运移，对潜水面、变边界条件以及变密度水流问题的处理具有一定优势[19]，相应地，建模过程要比MT3D中更为复杂.图1 饱和带理想算例概化示意Fig.1 Generalized diagram for synthetic saturated-zone example1.3 饱和带算例设计为了进一步对比分析BIOSCREEN、AT123D、MT3D的适宜性，该研究设计了理想算例模拟三维均质各向同性介质中的污染物运移. 由图1可见，该三维区域长×宽×高为100 m×50 m×20 m，MT3D中离散网格ΔL为1 m. 水流为水平向右的稳定流，矩形污染源垂直于地下水流(宽为5 m、高为1 m)，位于三维空间中部(见图1中小黑框)，污染源恒定浓度(C0为1 mg/L)持续释放，浓度观测点位于污染源下游20 m处. 设计4组参数代表不同水动力条件，其中AT123D和MT3D 分别设计有、无分子扩散作用的计算情景. 输入参数详见表2、3.表2 4组水动力条件的参数设置Table 2 Four parameter sets for different hydrodynamic conditions参数第1组第2组第3组第4组渗透系数(K)∕(m∕s)10-310-410-510-6有效孔隙度(ne)0.30.30.30.4体积密度(ρb)∕(kg∕m3)1.6×1031.6×1031.6×1031.7×103水力梯度(I)0.010.010.010.01介质特征长度(L)∕m1.25×10-30.25×10-30.5×10-410-5Pe41.670.830.0170.25×10-3表3 污染物运移参数Table 3 Simulation parameters of contaminant transport参数数值纵向弥散度(αx)∕m1.0横向弥散度(αy)∕m0.1垂向弥散度(αz)∕m0.01标化分配系数(KOC)∕(m3∕kg)58.9土壤有机碳含量(fOC)8.0×10-4分子扩散系数(D)∕(m2∕s)10-9该研究采用Pe(Peclet数)[20-21]来衡量对流作用和分子扩散作用的相对强弱，Pe 越小，分子扩散作用对溶质运移的影响越显著.(4)式中：L为多孔介质的平均粒径，m；u为地下水实际流速，其值等于渗流流速除以孔隙度，m/s；D为分子扩散系数〔式(1)中Dij为弥散系数张量，包括机械弥散和分子扩散两部分，此处D仅为分子扩散作用〕，m2/s.1.4 计算结果及分析图2为不同Pe下的观测点C/C0-t曲线，忽略分子扩散的BIOSCREEN计算结果不随Pe变化. Pe大于0.83时,三款软件计算结果接近;随着Pe减小，考虑分子扩散作用的AT123D和MT3D预测的最大浓度逐渐减小，这是因为当地下水流速较快时，对流作用主导污染物运移，此时Pe较大，分子扩散作用不显著. 随着渗透系数(K)减小，地下水流速减慢，对流作用减弱的同时分子扩散作用的影响相对增强，观测点浓度随Pe减小而降低. 当Pe为0.25×10-3时， BIOSCREEN计算结果是考虑分子扩散的AT123D和MT3D计算结果的1.8倍，存在高估污染风险的可能.注：当Pe分别为41.67、0.83、0.017、0.25×10-3时，对应的渗透系数(K)分别为10-3、10-4、10-5、10-6 m/s. 图2 不同Pe下的观测点C/C0-t曲线Fig.2 C/C0-t curves of observation point under different condition of Pe图3 Pe为0.25×10-3时MT3D计算的污染羽形态Fig.3 Contaminant plumes calculated by MT3D with Pe value of 0.25×10-3Pe为0.25×10-3时，三款软件计算结果的差异来自于分子扩散对污染物三维空间分布的影响. 图3展示了Pe为0.25×10-3时MT3D计算的污染羽形态. 以0.01 mg/L等值线为污染羽的前沿，对比图3(a)(b)发现，分子扩散作用使得污染物空间分布更加分散，其中污染羽主要在x-z方向上扩展，而在x-y方向变化不大，分子扩散作用主要促进了污染物的垂向运移. 这是因为在x-z方向上浓度梯度最大，使得以此为驱动力的分子扩散作用在该方向上影响最显著. 此外，因为软件计算时假设含水层中污染物质量守恒，随着污染范围扩大，污染羽中心区域浓度会降低.因此，当Pe较低时忽略分子扩散作用将导致：①低估污染范围及污染羽周边浓度；②高估污染羽中心区域浓度. 上述计算误差可能影响研究者对区域受污染程度的判断以及相应治理措施的决策.2 包气带污染物运移模拟软件评估2.1 包气带污染物运移模拟软件基于Richards水流方程和对流-弥散方程，国内外已开发出多款包气带污染物运移软件[22-23]，有助于定量评估包气带防污性能及地下水污染风险. 常见的包气带污染运移软件见表4.2.2 包气带算例及结果分析表4 包气带污染物运移模拟软件Table 4 Brief introduction of contaminant transport modeling software in vadose zone软件名称开发者数值方法模拟过程及适用条件数据来源HYDRUS美国盐实验室有限单元模拟非饱和土壤中水流、热与污染物的运移过程文献[24]SUTRA[25]美国地质调查局有限单元模拟饱和∕非饱和、承压∕非承压、变密度流条件下的污染物运移过程文献[25]VS2D[26]美国地质调查局二维有限差分配合VS2DT使用,可考虑污染物吸附解吸、离子交换、溶解沉淀、氧化还原过程以及一些生物化学过程文献[26]VLEACH[27]美国环境保护局一维有限差分模拟单一组分的吸附、液相对流以及气相扩散过程,适用于评估土壤中挥发性有机物对地下水质量的影响文献[27]MACRO[28]Jarvis等一维有限差分模拟土壤裂隙中大孔隙优先流及污染物反应运移过程,适用农田土壤条件,已被欧盟用于杀虫剂污染风险评估文献[28-29]以往忽略污染物在包气带中的运移过程而直接采用饱和带模型进行预测的做法，相当于将污染源直接设置于潜水面，而事实上地下水中污染物多来自地表泄漏或包气带中原始残留，它们随降雨入渗进入潜水含水层. 污染物运移转化过程受到包气带性质的影响[30]. 该研究将借助算例、利用集成在GMS软件中的FEMWATER探讨在地下水环境影响评价中考虑污染物包气带运移过程的重要性.算例情景[31]如图4所示. 图4中研究区为180 m×30 m的纵向二维剖面，介质为均质各向同性，左右边界水头固定，污水池距左边界60 m，池中污染源恒定浓度(C0)为1 mg/L，以恒定速率为0.017 28 m/d持续泄露，穿过包气带进入潜水含水层后随水流向右运移，运移过程考虑吸附作用，忽略化学反应，右侧河流边界假设为环境保护对象. 利用Van-Genuchten模型拟合水土特征曲线，相关输入参数见表5.图4 包气带理想算例概化示意Fig.4 Generalized diagram of synthetic vadose zone example通过对比2种情景下软件模拟结果进行问题探讨：①污染源(污水池)位于地表，池底距潜水面11 m；②污染源设置于潜水面，污染物直接进入潜水含水层，水流场与①相同.表5 包气带算例相关参数Table 5 Simulation parameters of vadose zone example参数数值纵向弥散度(αx)∕m2.0侧向弥散度(αy)∕m0.2标化分配系数(KOC)∕(m3∕kg)58.9土壤有机碳含量(fOC)8.0×10-4体积密度(ρb)∕(kg∕m3)1.7渗透系数(K)∕(m∕s)5.0×10-5饱和含水率(θs)0.35残余含水率(θr)0.02经验参数(α)∕m-150.0经验参数(n)2.68图5为水流模拟结果，污水在包气带中的下渗速度要明显小于饱和带中水流速度，研究区的流场主要受两端固定水头边界控制，压力水头为0 m的面即潜水面的形态几乎不受下渗水分的影响. 潜水面以上，包气带含水率减小较快，毛细水上升高度有限.图5 水流模拟结果Fig.5 Simulation results of water flow从污染物泄露578 d后的模拟结果(见图6)可以看出，由于毛细水上升高度有限，污染物从地表泄漏后优先垂直下渗，在接近毛细饱和带的区域污染羽才开始横向扩展. 作为对比，情景2中污染物直接从潜水面开始运移大部分进入潜水含水层，少部分沿包气带中的毛细水运移扩散. 由于情景1考虑了污染物在包气带中的运移，情景1和情景2右侧河流处污染物浓度达0.1 mg/L的时间分别为968和578 d. 图6 污染物泄露578 d后的模拟结果Fig.6 Simulation results of contaminant transport after 578 days of leaking图7 潜水面污染源强Fig.7 Pollution source intensity at the phreatic surface此外，对2种情景下潜水面处污染源强进行了对比. 情景2潜水面处代表污染源的6个节点(从左到右编号依次为1～6)污染源强固定为1 mg/L，情景1中取潜水面处这6个节点的浓度平均值作为污染源强. 从图7可以看出，情景1潜水面处污染源强为0.76 mg/L，较情景2降低了24%. 这是因为污染物在包气带中运移受到介质阻滞作用(如吸附作用和毛细水的稀释作用)的影响. 潜水面污染源强的计算误差会直接影响下游污染物浓度的预测，因此，采用包气带-饱和带模型比单独使用饱和带模型能够更准确地估计污染源强和判定地下水环境污染风险.需要注意的是，实际场地条件往往更加复杂，包气带厚度差异、介质非均质性、污染物特性及其化学反应等因素都会对地下水环境影响预测工作带来困难. 《导则》也提出了在一级评价中对包气带特性及防污性能进行调查研究的要求. 在此基础上，借助基于过程模拟的包气带和饱和带模型，有助于科学合理地预测污染物在地下水环境中的迁移转化行为，定量分析污染风险，为地下水环境影响评价及相应防治、监测措施的制定提供可靠依据.3 结论与建议a) 地下水环境影响预测所用的解析解软件和数值解软件各有特点，适宜性判断的关键在于软件与场地水文地质条件的匹配程度. 解析解软件方便易操作，但需注意其模型的理想化假设，建议在研究区范围不大且水文地质条件较简单的情况下使用，以提高工作效率；数值解软件对复杂水文地质条件下的水流及污染物运移具有较高仿真度，相应地，软件需要设置更多参数，对用于参数率定和模型验证的观测数据的数量和可靠性要求较高.b) BIOSCREEN由于忽略了分子扩散作用，当Pe为0.25×10-3时，其在预测污染源下游10 m处污染物浓度为AT123D和MT3D计算值的1.8倍，存在高估污染风险的可能. 建议当地下水流速较慢、分子扩散作用相比对流作用占优势时，可基于MT3D开展数值模拟或者采用解析解软件AT123D进行预测；当对流作用占优势且水文地质条件接近解析解的假设时，可利用解析解软件BIOSCREEN粗略估计污染风险.c) 包气带介质的吸附作用和毛细水的稀释作用能够降低污染源强. 建议采用包气带污染物运移模型，考虑包气带的影响，有助于合理地预测污染物在地下水环境中的运移转化行为，从而更准确地估计污染源强和判定地下水环境污染风险，为地下水环境影响评价及相应防治、监测措施的制定提供可靠依据.【相关文献】[1] 环境保护部.HJ 61—2016环境影响评价技术导则地下水环境[S].北京:中国环境科学出版社,2016.[2] FETTER C W.Contaminant hydrogeology[M].Illinois:Waveland Press,2008:39-48.[3] DOMENICO P A.An analytical model for 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地下水污染物运移模拟
新疆大学毕业论文（设计）
绪 论
1.1 地下水污染物迁移研究历程
地下水是一门新兴的学科，达西实验的结果于 1856 年发表（Darcy,1856） ， 而将其应用于地下水研究为时更晚。在美国，早期地下水调查主要由美国地质调 查局（USGS）承担。到 20 世纪 30 年代在 O.E.Meinzer 的倡导下，成立了美国地 质调查局地下水研究小组， 并在美国许多地方展开了区域地下水调查工作。美国 地质调查局的科学家为地下水研究作出大量贡献[1]。 早期的地下水调查工作很少考虑溶质迁移； 这类问题只在研究海水入侵时遇 到。通常使用的分析方法是对流计算，即假设溶质以地下水平均速度运动，不受 吸附作用，动力反应及其他作用的影响。 1960 年以前的工作为现代溶质迁移模拟技术打下了基础。水动力弥散统计 理论建立于 20 世纪 50 年代（Taylor，1953；Saffamn，1959） ，它采用类似于扩 散理论的方法处理对流计算的运动与实际情况的差异。1960 年以前，已完成弥 散试验并建立了相关理论。 20 世纪 50 年代见证了水文地质学的另一个主要趋势， 即模拟发展成为评价水流体系的方法，为后来的迁移模拟的发展奠定了基础。 1960 年以后， 地下水模拟研究发展有了飞跃式的发展。20 世纪 60 年代这一 时期建立了对流-弥散迁移方程的多个解析解[2]；Ogata（1970）对其中一些工 作进行了总结。 20 世纪 70 年代标志着溶质迁移模拟飞速发展时期的到来。人们在模型开发 及资料整理方面投入了大量工作，已有若干实用的溶质迁移模型程序可供使用。 20 世纪 80 年代早期以来比较活跃的研究课题有：裂隙含水层的溶质迁移问 题 （例如： Evans 和 Nicholson，1987）与多相流动系统（例如：Abriola，1988） 。
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Keywords: groundwater；numerical modeling；finite difference method；
advection-dispersion
Байду номын сангаас
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目 录
绪 论 ........................................................................................................................................................ 1 1.1 地下水污染物迁移研究历程 ................................................................................................... 1 1.2 国内地下水研究现状与展望 .................................................................................................... 1 1.3 本文主要工作 ........................................................................................................................... 2 对流-弥散方程的数值解 ........................................................................................................................ 3 2.1 三维对流-弥散方程介绍 ......................................................................................................... 3 2.2 截断误差分析 ........................................................................................................................... 4 2.3 稳定性分析 ............................................................................................................................... 5 数值实验 .................................................................................................................................................. 9 3.1 算例 ........................................................................................................................................... 9 3.2 结论 ......................................................................................................................................... 12 总结 ........................................................................................................................................................ 13 参考文献 ................................................................................................................................................ 14 附录 ........................................................................................................................................................ 15 致谢 ........................................................................................................................................................ 19
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题
目：
地下水污染物运移模拟 申梦阳 20110803210 数学与系统科学学院 信息与计算科学 信计 11-1 冯新龙 2015 年 5 月 25 号
学生姓名： 学生学号： 所属院系： 专 班 业： 级：
指导教师: 完成日期
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发题日期： 15 年 1 月 10 日 实习实训单位： 论文页数： 19 数学院 页；
完成日期： 15 年 5 月 25 日 ；地点： 数 学 院 图纸张数： 0
指导教师：
冯新龙
教研室主任： 努 尔 买 买 提 ·黑 力 力 院 长： 滕志东
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摘 要
目前对地下水污染物运移模拟主要通过数值模拟方法， 常用方法主要有有限 差分法（PDM）,有限单元法（FEM）,边界元法（BEM）和有限分析法（FAM）。本 文主要通过有限差分法来讨论三维对流-弥散方程， 给出对流-弥散方程的有限差 分格式的稳定性和截断误差的推导和分析； 通过数值实验分析不同的网格剖分会 产生不同误差， 并结合地下水弥散理论基础， 进行稳定性收敛性分析和数值实验。
关键词：地下水；数值模拟；有限差分法；对流弥散方程
ABSTRACT
Simulation on groundwater pollutant migration are mainly conducted by the numerical simulation method, including finite difference method (PDM), finite element method (FEM) , boundary element method (BEM) and the finite analytic method (FAM).This paper considers the three-dimensional convection - diffusion equation mainly by the finite difference method, giving the deduction and analysis of stability and the truncation error of the finite difference scheme of convection diffusion equation; Analyzing different dimensional branch produce different error through the numerical simulation and conducting convergence stability analysis and numerical experiments according to the dispersion theory of groundwater.
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绪 论
1.1 地下水污染物迁移研究历程
地下水是一门新兴的学科，达西实验的结果于 1856 年发表（Darcy,1856） ， 而将其应用于地下水研究为时更晚。在美国，早期地下水调查主要由美国地质调 查局（USGS）承担。到 20 世纪 30 年代在 O.E.Meinzer 的倡导下，成立了美国地 质调查局地下水研究小组， 并在美国许多地方展开了区域地下水调查工作。美国 地质调查局的科学家为地下水研究作出大量贡献[1]。 早期的地下水调查工作很少考虑溶质迁移； 这类问题只在研究海水入侵时遇 到。通常使用的分析方法是对流计算，即假设溶质以地下水平均速度运动，不受 吸附作用，动力反应及其他作用的影响。 1960 年以前的工作为现代溶质迁移模拟技术打下了基础。水动力弥散统计 理论建立于 20 世纪 50 年代（Taylor，1953；Saffamn，1959） ，它采用类似于扩 散理论的方法处理对流计算的运动与实际情况的差异。1960 年以前，已完成弥 散试验并建立了相关理论。 20 世纪 50 年代见证了水文地质学的另一个主要趋势， 即模拟发展成为评价水流体系的方法，为后来的迁移模拟的发展奠定了基础。 1960 年以后， 地下水模拟研究发展有了飞跃式的发展。20 世纪 60 年代这一 时期建立了对流-弥散迁移方程的多个解析解[2]；Ogata（1970）对其中一些工 作进行了总结。 20 世纪 70 年代标志着溶质迁移模拟飞速发展时期的到来。人们在模型开发 及资料整理方面投入了大量工作，已有若干实用的溶质迁移模型程序可供使用。 20 世纪 80 年代早期以来比较活跃的研究课题有：裂隙含水层的溶质迁移问 题 （例如： Evans 和 Nicholson，1987）与多相流动系统（例如：Abriola，1988） 。