基于数值模拟的天然铁锰面源...物在地下水中的迁移扩散分析_张桂红.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.12.007收稿日期：2022-10-10作者简介：张桂红（1998-），女（苗族），贵州镇远人，硕士研究生，研究方向：地下水科学与工程，E-mail：。基于数值模拟的天然铁锰面源污染物在地下水中的迁移扩散分析张桂红（成都理工大学，四川 成都 610059）摘要：成都地区由于受原生地质环境的影响，铁锰天然背景值较高，长期过量饮用含铁含锰的地下水会危害人类健康。同时由于人类活动对地下水流场存在干扰，会进一步影响地下水中的铁锰运移扩散。定量评价并防治地下水体的铁锰面源污染对于我国的可持续发展至关重要，是目前值得关注和研究的重要课题。通过建立青白江区-新都区铁锰运移预测模型，比较研究不同抽水条件下铁锰运移模拟预测结果。研究表明，铁锰污染羽平面上呈条带状分布，其中东部区域为污染面积最大、浓度最高的区域，随着设置的抽水井抽水量和抽水深度的不断增加，附近污染羽的范围扩大，同时局部污染物的浓度突增。关键词：铁锰面源污染；地下水；青白江区-新都区；数值模拟中图分类号：X523文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）12-0033-05第 58 卷 第 12 期2022 年 12 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.12Dec.，20221前言随着城市的快速建设和工业的飞速发展，地下水污染中的重金属超标问题日益突出，其中以地下水铁锰超标现象较为普遍。地下水中铁锰的主要来源是人类活动产生的含铁锰物质排放和天然条件下沉积物中铁锰离子释放1。常年饮用高铁锰地下水会危害人类健康，引发各种慢性疾病2。相对于点源污染而言，面源污染具有污染过程复杂、时空范围广、不可控性大和污染严重等特点，难以进行研究、防治及管理3。地下水数值模拟是开展面源污染的定量化研究、可视化分析、影响预测和污染防治最为高效便捷的方法4。青白江区-新都区处于成都平原东部，铁锰天然背景值偏高，区内企业众多，人类活动频繁，对区内铁锰运移扩散也存在一定程度影响。因此，基于数值模拟方法，开展了人类活动对地下水中铁锰污染物运移扩散的影响研究。2研究背景2.1研究区概况成都市青白江区-新都区位于成都平原东部、成都市东北，是成都市的新兴工业区。该区域总体地势为北西低（海拔451480 m，为平原区），南东高（海拔546915 m，为低山区），中部地形起伏不大（海拔480700 m，为浅丘陵区），地形地貌从平原区向低山区依次过渡。研究区内地表水系发育丰富，有青白江和毗河两条主要河流，主要流经平原区，大致流向为由西向东。2.2水文地质条件青白江区-新都区地处龙泉山箱状背斜北西翼，属于新华夏系构造体系的一部分，即龙泉山褶皱带。区内地下水类型主要为松散堆积砂砾卵石层孔隙潜水和红层基岩裂隙水。含孔隙潜水的松散堆积砂砾卵石层按其垂向分布可以分为上部含水层、下部含水层和中部隔水层。上部含水层为松散堆积砂砾卵石层（Qal+pl4、Qfgl3），含孔隙潜水；下部含水层即早、中更新统泥砾卵石层（Qfgl+al1、Q1fgl2），含孔隙潜水；中部隔水层分布于更新统上段（Q2fgl2）砾石层，为相对隔水层。红层基岩裂隙水含水层厚度不大，主要分布于青白江区东部平原侏罗系、白垩系的砂岩和砾岩中。3数值模型3.1水文地质概化模型3.1.1 地层概化研究区第四系地层结构复杂，且上更新统存在特殊地层（成都黏土层），所以将研究区上更新统地层概化为两层：上部为成都黏土层（Qeol3），下部为泥33质砂砾卵石覆盖层（Qfgl3）。再根据岩性将全更新统地层概化为一层，中更新统和下更新统合并概化为一层，下更新统的底部与基岩不整合接触，基岩视为垂向边界。研究区在地层空间上概化为由上至下的5层结构（图1）。3.1.2 边界条件垂向边界：模型的上边界选取潜水的自由水面，可以与外部垂直水力连接，模型的底部边界为基岩（T-K），取基岩底部250 m高程处为模型底部边界，将模拟底部边界概化为零流量边界。侧向边界：根据模拟区气象水文资料、地形地貌及水文地质条件，侧向边界以河流为主，即模拟区北部、南部和东部边界为河流边界，包括青白江和毗河，均概化为定水头边界。西侧以新都区行政边界为侧向边界。3.2数学模型根据区域水文地质特征、地下水流特征，利用Modflow软件建立区域地下水非均质各向异性三维稳定地下水流数学模型：x(KxxHx)+y(KyyHy)+z(KzzHz)+W=SsHt(x,y,z,t0)|H(x,y,z,t)t=0=H0(x,y,z)(x,y,z,t0)|H(x,y,z,t)s1=H1(x,y,z)(x,y,zS1,t0)|knHns2=q(x,y,z,t)(x,y,zS2,t0)（1）式中：Kxx、Kyy、Kzz分别为x、y、z方向的渗透系数（m/s）；为地下水模拟区域；t为时间；S1为模拟区定水头边界条件；S2为模拟区定流量边界条件；Ss为给水度；W为源汇项（m3/s）；n 为S2的外法线方向；H0(x，y，z)为初始地下水水头空间函数（m）；H1(x，y，z)为定水头已知水头空间函数（m）；q（x，y，z，t）为定流量边界单位面积流量函数（m3/s）。铁锰运移扩散预测研究不考虑溶质在含水层发生的各种生物作用、化学作用、吸附降解作用以及不存在放射性衰变作用所引起的溶质质量变化。采用地下水三维流动对流-弥散方程，并应用Mt3dms软件进行计算及求解：ct=x(Dxcx)+y(Dycy)+z(Dzcz)-(uxc)x-(uyc)y-(uzc)z+I(x,y,z,t0)c(x,y,z,t)=c0(x,y,z)(x,y,z,t=0)|c(x,y,z,t)B1=c(x,y,z,t)(x,y,zB1,t0)（2）式中：c为饱和含水层中污染物浓度(mg/L)；t为时间(d)；ux、uy、uz为孔隙平均实际流速(m/d)；I为源汇项W（包括污染源、降雨入渗、抽水等）在单位时间引起的单位面积含水层污染物浓度变化，I=cW/n；Dx、Dy、Dz为坐标轴方向上的主弥散系数(m2/d)；c0(x，y，z)为初始浓度分布；B1为研究区给定浓度边界。3.3模型离散根据模拟区的范围以及模型的精度要求，将含水层概化为5层，在x、y、z方向上按照数量225、100、5对模型进行网格剖分，共112 500个单元格，其中模型边界以外定义为非活动单元格，即有 55 605个活动单元格。剖分后每个平面网格大小约200m200 m，基本满足模型精度要求。3.4水文地质参数水文地质参数的选择基于青白江区-新都区水文地质图（1 50 000），结合研究区地质分布特征、抽水试验、微水试验结果确定,平面水文地质参数分区如图2所示。垂向分区根据三维地质模型分层进行，其水文地质参数取值如表1所列。3.5模型校准与识别地下水流模型采用PEST参数自动估计校准法与人工试估-校准法相结合。根据2021年3月的地下水水位观测数据，选取其中11个观测数据，并设置地下水位拟合误差为3 m，置信度为95%。该模型观测值与计算值拟合对比如图3所示，其中R2=0.997 8，基本符合校准预期。SNWE青白江区新都区基岩Qfgl3Qfgl+al1+2Qeol3zxy图1研究区三维地质图Qal+pl42022年第12期甘肃水利水电技术第58卷344铁锰迁移扩散模拟分析4.1污染源及源强确定查阅相关文献可知，上更新统含泥砂砾卵石含水层（Qfgl3）为铁锰富集带，含铁锰结核以及铁锰薄膜，是地下水环境中排在第一位的污染源，故将该地层作为研究的天然面源污染。含水结构与岩土体中铁锰分布示意如图4所示。将溶质运移预测模型中的污染源的形式概化为面源，排放规律简化为连续恒定排放。根据铁锰的淋溶试验7、不同pH值和不同矿化度下铁锰含量统计8以及中国部分相似含水层区域的铁锰数据9-11，最终综合确定模拟区的污染源强为：铁离子浓度为1.2 mg/L；锰离子浓度为0.6 mg/L。4.2模拟时长确定模拟时间的起点取目前拥有最早铁锰水质数据的时间，即1977年7月。模拟预测未来43年不同抽水情况下研究区的铁锰运移，模拟时长为15 695 d，每个应力期时间步长为365 d，共43个应力期。4.3预测结果分析4.3.1 实际情况研究区内企业数量众多，存在企业取用地下水的情况，因此模型的人工开采量主要以企业抽水为主。在研究区内设置7口企业抽水井，如图5所示。地层符号Qapl4Qml4Qeol3Qfgl3Q1-2基岩介质类型砂卵砾石层泥砾层成都黏土层泥质砂砾卵石层黏土砾卵石层T-K渗透系数/（m/d）Kxx40.000 00.590 00.100 020.000 01.500 00.001 0Kyy40.000 00.590 00.100 020.000 01.500 00.001 0Kzz0.400 00.059 00.010 02.000 00.150 00.000 1给水度0.0700.0500.0500.0400.0200.001弥散度/m横向1.101.000.671.000.980.92纵向11.0010.006.7010.009.809.20垂向1.101.000.671.000.980.92孔隙率0.300.200.400.450.150.05注：取值选自 成都地下水污染调查报告 地下水环境影响评价技术导则 和文献5-6。表1水文地质参数取值图2水文地质参数平面分区N江青 白Qapl4军屯镇Qml4青白江区城厢镇Qeol3Qapl4河秀川新繁镇河锦水Qml4新都区Qapl4Qfgl3Qfgl3Qml4河毗水文地质参数分区区区区区图例图3模型观测值与计算值拟合对比460470480490500510520530 540540530520510500490480470460计算水头值/mR2=0.997 8观测水头值/m图4含水层与岩土体中铁锰分布示意图540上部含水层510中部隔水层480下部含水层450基岩高程/m青白江毗河图例铁锰富集层砂砾石层泥砾层砂卵砾石层砂泥岩铁锰结核第12期张桂红：基于数值模拟的天然铁锰面源污染物在地下水中的迁移扩散分析第58卷35为了检验模型的代表性以及准确性，利用2020年铁锰实测数据进行GIS插值，并与设置抽水井的运移扩散模型运行43年后的结果进行对比分析（图6、图7）。图6、图7中的等值线为模拟区铁离子、锰离子插值结果。从图6、图7中可以发现：中西部、中部浓度区与研究区内条带状浓度区基本相符，符合模拟图5重点企业抽水井平面图S04S06S05S07S03S01S02X-axis/km400410420430440XYZWellMap symbols图6地下水铁离子含量浓度模拟结果与实测等值线对比图1.51.20.90.60.30.0Fe/（mg/L）XYZ400410420430440X-axis/km0.10.20.30.30.30.90.20.1Mn/（mg/L）0.80.60.40.30.10.0400410420430440X-axis/kmXYZ0.40.20.10.10.20.20.30.10.10.20.30.20.40.6图7地下水锰离子含量浓度模拟结果与实测等值线对比图结果规律；东部浓度区与模型东部高浓度区相符；中部插值等值线出现异常差异点，可能与点源污染有关。从浓度范围看，铁离子模拟结果浓度范围为0.0001.500mg/L，插值浓度范围为0.0001.369mg/L；锰离子模拟结果浓度范围为0.0000.800 mg/L，插值浓度范围为0.0000.844 mg/L。综上所述，该模型对铁锰运移扩散的刻画是基本合理的。铁锰的浓度分布呈条带状，与研究区内河流位置基本相符，可知该部分铁锰的聚集与河流有关。在研究区南部和北部的中间区域以及东部区域分别形成了面积为 5.49223.296 km2的高浓度污染羽。研究区东部为污染面积最大的区域，以最东侧为起点，污染物最大水平位移为16.3