基于解析法预测地下水溶质运移的研究

地下水污染是当前环境污染中较为严重的问题之一,地下水水质预测为防治地下水污染提供了指导意义。采用解析法选取六价铬作为污染因子,预测在非工况条件下污染物的迁移过程和污染物影响范围,并与数值法模拟结果进行分析对比。结果显示,解析法的预测结果是合理可信的。因此,采用解析法预测,对预防地下水受到污染有积极的影响意义。     

沈阳铁西新区浅层地下水有机污染物化学迁移规律

为系统分析东北平原典型区域浅层地下水有机污染现状及污染物的化学迁移规律,借助"东北平原地下水污染调查与评价"项目收集、野外调查获取的资料,选取布设在浑河下游与细河之间的两条水文地质剖面所在区域为研究区,绘制地下水流场图与有机污染物浓度等值线图推断污染物的扩散路径,应用相关系数法分析地表水与地下水中有机污染物的相关性,利用PhreeQC地球化学模拟软件计算上述水文地质剖面中水化学成分的饱和指数,进一步确定有机污染物的运移途径.分析结果表明研究区主要污染源为细河地表水,浑河间接影响其周边地下水水质;地表水和地下水之间水力联系的强弱与岩相环境关系密切,砂性土较黏性土更易于有机污染物的渗入;有机污染物运移距离有限,运移能力受水力梯度与岩相环境制约.     

孝新合气田区地下水铁锰污染分析及环境健康风险评价

【目的】研究孝新合气田区地下水铁锰污染成因及环境健康风险。【方法】在37个地下水水样和8个土壤样品分析基础上,利用地理信息系统(GIS)和数量统计分析工具(SPSS)对地下水中铁、锰离子质量浓度的影响因素进行研究,并采用单因子指数、加权综合水质指数和健康风险评价法对研究区农村分散式饮用水源进行环境健康风险评价。【结果】研究区主要特征污染物为总铁、锰和总氮,其重要来源是地下水铁锰离子,在还原环境下有机质和总氮的输入是造成该区地下水中铁、锰离子量较高的原因,而地下水总氮超标主要受到农田灌溉和施肥的氮污染影响;综合水质等级从优良水质到极差水质,极差水质样品数占27%,表现为同时受总铁、锰和总氮超标影响;铁、锰离子非致癌风险指数均小于1,为风险可接受水平,即对饮水居民健康不会产生致癌慢性毒害效应,但铁锰污染需给予充分重视。【结论】为提高研究区农村饮用水安全,建议饮用之前应该进行预处理,并将铁锰作为重点控制污染物。     

有挡板渠道中污染物扩散的大涡模拟

渠道中的突出建筑物对流场结构和污染物扩散过程有着重大影响,增加了预测污染物浓度分布的难度。为了探索使用数值模拟的方法来研究这种复杂流场下污染物扩散的适应性情况,采用大涡模拟（LES）方法计算了设有两个挡板的渠道中的非定常流场和污染物浓度分布。通过Smagorinsky-Lilly亚网格模型计算亚格子应力,在已知流场信息下直接求解三维污染物对流扩散方程。大涡模拟得到的浓度值计算结果与试验数据吻合较好,其准确性明显高于雷诺应力模型的计算结果,从而表明大涡模拟模型在此类问题中的可行性。     

沈西工业走廊污染场地浅层地下水无机污染特征

为分析东北平原典型区域浅层地下水污染现状及污染物的化学迁移规律,借助＂东北平原地下水污染调查与评价＂项目收集、野外调查获取的资料,选取布设在沈西工业走廊的一条水文地质剖面所在区域为研究区,绘制地下水流场图与无机污染物浓度等值线图推断污染物的扩散路径,应用相关系数法分析地表水与地下水中无机污染物的相关性,利用PhreeQC地球化学模拟软件计算该剖面的水化学成分的饱和指数,进一步确定无机污染物的运移途径。分析结果表明研究区主要污染源为细河地表水,浑河间接影响其周边地下水水质;地表水和地下水之间水力联系的强弱与人为因素将影响地下水水质;无机污染物以面状污染为主要污染形式,其运移能力受水力梯度与岩相环境中发生的水文地球化学作用的制约。     

基于解析法的地下水环境影响研究

本文利用地下水溶质运移解析法,在详细研究当地水文地质条件的基础上,用Matlab软件计算并预测研究区硫化物和氟离子瞬时泄露和持续泄露两种非正常泄露情况下的运移情况。研究区发生非正常工况泄露对地下水有一定影响,据此提出相应保护措施以减轻污染对研究区的危害。     

基于Visual Modflow的山区某再生铜地下水污染模拟

对陕西省洛南县香沟某再生铜矿地下水污染进行数值模拟,为再生铜矿选址、地下水污染的预防提供科学的指导依据。根据野外抽水试验以及钻孔数据,建立山区水文地质概化模型,对模型进行识别与验证。使用MODFLOW模块及MT3D模块对该地区进行地下水流场和溶质运移数值模拟。模拟情景采取示踪剂30 d短时注入模式进行预测。污染物超标晕在30 d时最大,Pb类污染物的污染超标范围在切断污染源后会减小,浓度会随着时间推移逐渐减小直至未检出,Cu类污染物切断污染源后,检出范围污染晕会随着时间先增大,再到未检出。污染晕沿着沟道水流方向呈狭长羽状分布;污染浓度距点污染源距离越大,浓度越小。该研究可为区域地下水资源评价提供依据。     

地下水重金属铬污染试验观测与预测分析

由于某化工厂铬渣的露天堆放,导致天津市北辰区土壤和地下水系统中铬含量超标。通过实地勘测与调研,获取研究区的水文地质条件;对研究区污染现状进行动态监测;对研究区域的边界条件进行概化,运用标准可视化软件系统——Visual MODFLOW建立数值模拟模型,并对未来30年污染物铬在研究区地下水中的运移趋势进行分析预测。趋势预测结果表明:受地下水流场分布和地质条件的影响,污染晕由污染源处向四周扩散,并且高浓度范围在不断地扩大。污染源处Cr(Ⅵ)含量严重超标,所以需对污染源采取电动力学修复或者化学还原的方法,减少Cr(Ⅵ)的含量,阻断或者减缓污染晕的扩散。     

地下水中污染物运移的分数维对流-弥散模型

目前在水资源领域常用的分数维对流-弥散方程是基于Riemann-Liouville方法定义分数维扩散。当边界的影响可以忽略时,这方法可又有效的描述污染物扩散;但当边界的影响必须考虑时,会出现严重问题,但这一问题还没有引起国内外学者的注意。对这一问题详细进行了分析研究,并提出了一种解决方法。当考虑边界影响时,分数维对流弥散方程需要利用数值解求解,也给出了一种有限体解法。     

改进的输出系数模型在缺资料地区面源综合评价

【目的】解决缺资料地区面源污染精确定量评估问题,以期为缺资料地区水环境治理提供理论依据。【方法】提出了一个综合考虑降雨和地形影响的改进的输出系数模型,并通过借助ArcGIS和等标污染负荷法,选取农村生活污水、农田地表径流、畜禽养殖、城镇地表径流、城镇生活污水和工业污染6大污染源和TN、TP 2大污染物对渠县境内流域农业面源污染进行了估算。【结果】研究区主要污染为面源污染;其TN、TP输出负荷分别为503.84、53.85 t/a,且空间分布基本一致;居民生活污水为主要污染来源占总污染的49.39%;涌兴镇、三汇镇为研究区重点治理乡镇。改进后的输出系数模型验证结果显示TN、TP的相对误差分别为10.87%和13.86%,模型结果验证良好。【结论】改进后的模型适用于缺资料地区面源综合评价。     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。     

基于VBA的宁夏引黄灌区暗管排水间距计算方法研究

暗管排水工程是控制灌区地下水位,防治耕地盐碱化的主要技术手段。【目的】综合考虑排水条件、排水目的等因素,选择合适的计算方法计算暗管间距。【方法】对几种常用的暗管间距计算方法进行了理论分析并总结了其适用条件,编写了基于VBA的计算程序以实现不同计算方法的优选并确定相应的暗管间距。在此基础上,选取宁夏引黄灌区2个典型暗管排水工程案例进行了分析计算。【结果】稳定流状态下,当kH/q≤100时,宜选择阿维里扬诺夫-瞿兴业公式计算暗管间距,当kH/q>100时,宜选择Hooghoudt公式计算暗管间距;非稳定流状态下,以治渍为目的地区选择按地下水位下降速度计算暗管间距,以防治盐碱化为目的地区选择按排蒸比计算暗管间距。【结论】利用VBA开发的程序可以解决暗管间距计算过程中较繁琐的迭代、累加等计算问题,操作便捷,实用性强;非稳定流方法更适合于宁夏引黄灌区暗管排水间距的计算,银北灌区宜按排蒸比计算暗管间距,银南灌区宜按地下水位下降速度计算暗管间距。     

负水头环境土壤水分湿润锋运移三维模拟

【目的】更加有效地控制土壤含水率,指导节水灌溉。【方法】采用负水头土壤水分湿润锋运移试验和Hydrus-3D三维土壤水分运移数值模型,研究了山西榆次砂土、壤土在负水头高度(0、-0.5、-1.0m)时的土壤水分湿润锋运移规律和模型的有效性。【结果】水分累积入渗量随着时间的增加逐渐增大,与时间呈良好的幂函数关系;湿润锋随着时间的增加逐渐向水平、垂直方向扩大,曲线呈1/4椭囿状,最大湿润距离与时间的平方根呈良好的线性关系;湿润锋入渗速度随着负水头高度的增加逐渐减小,与时间呈良好的幂函数关系。实测湿润锋包络面积与模型计算值的偏差,砂土为0.51%~7.21%,壤土为0.22%~16.03%。【结论】所建三维模型可以用于描述负水头环境下土壤水分湿润锋的运移特征,并用于预测各种条件改变下的湿润锋运移和含水率分布。     

基于可公度性理论的干旱预测方法研究

【目的】为可公度性理论在干旱预测预警领域的拓展和应用提供依据。【方法】以河南省为例,并依据该省1961―2016年历史干旱数据,基于可公度性理论,采用层次分析法和MATLAB、SAS软件进行干旱发生年份预测,并与前人预测结果及蝴蝶结构图预测结果进行对比验证。【结果】基于可公度性理论的三元、四元和五元可公度预测模型,预测2014年河南省发生严重干旱的频数最高,即发生干旱可能性最大,这与实际相符;基于上述数据,预测河南省2030年前发生严重干旱的年份为2023年,这与蝴蝶结构图预测结果相符,并与前人研究结果一致。【结论】该方法用于区域性干旱发生年份的预测时具有较强的实用性;层次分析法及MATLAB、SAS软件的应用,大大提高了模型计算速度,并降低了主观因素对预测结果判别的人为影响,提高了计算结果的准确程度。     

基于GMS的北京市房山平原区地下水数值模拟研究

根据北京市房山平原区的水文地质条件,将研究区水文地质概念模型概化为三维非均质、各向同性、非稳定地下水流系统,并应用GMS软件对研究区地下水系统进行了识别和验证。采用情景分析方法,在模拟8种不同情景方案下规划年地下水的变化情况,给出适宜研究区地下水可持续发展的最佳方案。在情景5方案,即在中度节水、种植结构保持现状和强化减少地下水的情形下,研究区2020和2030年的地下水位处于最佳状态,相比于基准年,地下水位分别回升了3.55m和5.85m,研究区处于正均衡状态,降落漏斗消失。     

基于解析-数值结合法的傍河水源地开采方案与地下水资源量分析

合理设计开采方案对傍河水源地地下水资源开发和避免环境地质问题的发生具有重要意义。以承德市四道河典型傍河地下水水源地为研究区,在明确区域水文地质条件的前提下,建立地下水流数值模型,运用仿泰斯公式和映射叠加原理计算出合理的开采井布局,数值法与解析法相结合得到最优开采方案,确定水源地地下水可开采资源量。结果显示,在研究区4个区段内29眼开采井沿河流单排布设,井河距离为25 m,井间距离为150 m的方案为最优开采方案,水源地地下水可开采资源量为4.51万m³/d。滦河对地下水的补给充足而稳定,取水保证程度较高,对区域水环境影响较小。     

基于溴离子示踪的干旱地区潜水蒸发规律研究

【目的】定量研究干旱地区潜水蒸发规律。【方法】以河套灌区义长灌域为研究区,采用人工示踪剂溴离子示踪法研究了盐荒地潜水蒸发规律,通过获取试验期间研究区内6个试验点不同土层深度土壤溴离子质量浓度、含水率、含盐量数据,分别利用化学示踪法、水均衡法及经验公式法计算了潜水蒸发量,对比了3种方法的结果及适用性并分析了潜水蒸发量与不同土质、不同土壤含盐量的关系。【结果】利用溴示踪方法得到研究区7月6日—8月18日潜水蒸发总量为35.20 mm,平均潜水蒸发系数为0.28;水均衡法所得结果为32.29 mm,与示踪法所得结果的相关系数达到0.96;由于研究区域土壤异质性强,且干旱区水文地质资料较为匮乏,经验公式法参数获取难,水均衡法所需实测资料多,在研究区适用性不高。而溴示踪法操作简单、经济实用,适用性强,较其他2种方法更为可靠。研究区潜水蒸发量随黏粒质量分数的增加而不断减小,二者之间的相关系数达到了0.80,尤其当土壤中存在黏土夹层时,将降低潜水蒸发速率。【结论】研究区土壤含盐量的变化量随潜水蒸发量增加而不断增加,表明盐荒地强烈的蒸发作用是造成耕地与荒地水盐交换的驱动力,直接影响灌区的水循环过程。     

基于数值模拟的天津市地下水资源均衡分析及压采方案制定

【目的】在深层地下水超采严重地区,分层组进行深层地下水资源均衡分析,合理开发利用地下水资源。【方法】以天津市平原区为研究区,将含水层结构概化成Ⅰ～Ⅴ共5个含水层组,分层组概化边界条件、进行水文地质参数分区,整理源汇项、蒸发量、各含水层组分乡镇开采量和观测孔水位数据,在Visual Modflow平台建立了地下水流数值模型。通过对开采量进行调参、反演,完成模型识别与验证。据此进行深层各层组地下水均衡分析,计算地下水蓄变量,制定了分层组压采方案。【结果】末刻第Ⅱ～Ⅴ含水层组的模拟流场和观测流场分布一致,观测孔模拟水头和实测水头相关系数分别为0.961、0.968、0.951、0.960,典型观测孔动态水位变化过程拟合较好。2013—2015年,深层各层组地下水蓄变量分别为-12 499.3×10~4、-12 055.7×10~4、-9 257.81×10~4m~3,处于超采状态。压采方案下,各含水层组压采量分别为15 862.98×10~4、4 961.24×10~4、1 414.97×10~4、2 469.38×10~4m~3,2020年、2030年深层地下水的蓄变量分别为1.09×108m~3和1.05×108m~3。【结论】模拟结果与天津市深层地下水实际情况相符。     

基于灰色关联法的月降雨量预测

【目的】提高降雨量预测精度,为农业、水利等相关部门提供决策依据。【方法】鉴于月降雨量时间序列具有显著的多尺度特征,开展了数据驱动下基于模型融合的月降雨量预测研究,应用灰色EGM(1,1)模型和自适应模糊神经网络系统(ANFIS)分别预测了年尺度与月尺度下的月降雨量,采用灰色关联法将2个预测结果进行数据融合。利用澳大利亚维多利亚8个站点降雨数据验证所提出方法,并将预测结果进行了与单一灰色EGM(1,1)、ANFIS、人工神经网络(ANN)、自回归积分滑动平均模型(ARIMA)与聚类回归法(CLR)模型预测结果对比。【结果】模型融合预测结果精度高于单一EGM(1,1)、ANFIS、ANN及ARIMA模型预测结果,并在8个站点中的5个取得了最佳预测效果,其中中部地区(Ballarat和Cape Otway站点)及东部地区(Dookie,Wangaratta和Orbost站)预测均方根误差为28.2～37.2 mm,西部地区(Dimboola,Edenhope和Dunkeld站点)预测均方根误差为20.8～23.4 mm。【结论】所提出的模型融合预测法可行,为月降雨量预测提供了新思路。     

阿克苏河下游区灌溉入渗补给系数计算及影响因素分析

【目的】准确获取阿克苏河下游区灌溉入渗补给系数,对该区灌溉入渗补给系数的影响因素进行分析,为绿洲带高强度人工灌溉模式下地表水地下水转化机理研究,提高研究区地下水数值模拟精度提供基础。【方法】选取阿克苏下游区不同灌溉制度、包气带厚度、土壤结构下代表性点进行野外取样及室内灌溉试验,并结合Hydrus-1d进行包气带水流数值模拟,通过改变灌溉制度、包气带厚度,应用Hydrus-1d模型计算该土壤结构下的灌溉入渗补给系数变化。在模型计算结果的基础上,首先分析灌溉制度、包气带厚度与灌溉入渗补给系数的关系;其后重点利用模型计算结合数理统计的方法分析土壤结构中影响灌溉入渗补给系数的主要因素。【结果】研究区内滴灌条件下灌溉入渗补给系数的范围为0.320～0.474;畦灌条件下灌溉入渗补给系数的范围为0.408～0.561,即不同灌溉制度下灌溉入渗补给系数不同;而伴随包气带厚度增大,灌溉入渗补给系数也随之减小;土壤结构对灌溉入渗补给的主要影响因素为土壤渗透系数、土壤体积质量、土壤初始含水率。【结论】根据室内试验结合数值模型计算出不同灌溉制度下的灌溉入渗补给系数变化范围,得出灌溉入渗补给系数的影响因素为灌溉制度、包气带厚度和反映土壤结构的土壤渗透系数、土壤体积质量及土壤初始含水率,为干旱区下游区灌溉入渗补给系数选取及后续研究提供理论依据。