VisualMODFLOW在地下水模拟中的应用

贾春玲 张 哲

VisualMODFLOW是目前国际上最流行且被各国一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统，该软件由Modflow(水流评价)、Modpath(平面和剖面流线示踪分析)和MT3D(溶质运移评价)3大部分组成,并且具有强大的图形可视界面功能。近年来，超采地下水和水质污染逐渐引起人们的重视，如何应用科学有效的方法处理地下水污染，对于地下水的污染防治有着极其重要的作用，本文即运用VisualMODFLOW软件模拟广平县某污水处理厂项目对地下水污染问题。

1. 研究区概况

项目区位于广平县漳河冲洪积扇的扇间地带，占地50亩，区内大部分用地为平原，规划范围内的现状用地整体为西南高东北低的地势，海拔在41.20～42.70m，整体地势较为平坦。

2. 地下水污染数值模拟

水是溶质运移的载体，地下水流场是溶质运移模拟的基础，在溶质运移模拟前，需先建立模拟区地下水流场模型。

2.1 地下水流数值模型的建立

根据计算区的水文地质特征，将计算区潜水含水层概化为非均质各向同性、具有通用水头边界的平面二维非稳定流地下水水流模型。

为了建立地下水系统数值模型，对计算区进行剖分。在模拟计算区的平面上采用矩形网格60×66剖分，共剖分网格单元3960个，计算区范围内全部为有效单元格。计算区内潜水的主要补给来源为降水入渗和上游边界侧向径流。排泄方式以分散的人工灌溉开采为主，其次为向下游的侧向径流。地下水水位动态变化受大气降水以及农灌开采影响显著。

本次模拟期选为2012年11月～2013年7月。

2.2 模型的识别与验证

模型的识别与验证过程是整个模拟中极为重要的工作，需在反复修改参数和调整某些源汇项基础上才能达到较为理想的拟合结果。此模型的识别与检验过程采用的方法为试估—校正法，属于反求参数的间接方法之一。参数选取见表1。

表1 潜水含水层水文地质参数取值表

2.3 地下水污染模拟预测

一是溶质运移数学模型。

地下水中溶质运移的数学模型可表示为：

式中：

ρb—介质密度，mg/(dm)3；

θ—介质孔隙度，无量纲；

C—组分的浓度，mg/L；

t—时间，d；

x，y，z—空间位置坐标，m；

Dij—水动力弥散系数张量，m2/d；

Vi—地下水渗流速度张量，m/d；

W—水流的源和汇，1/d；

Cs—组分的浓度，mg/L。

联合求解水流方程和溶质运移方程即可获得污染物空间分布关系。

由于水动力弥散尺度效应的存在，难以通过野外或室内弥散试验获得真实的弥散度。因此，本次模拟参考前人的研究成果，取弥散度参数值取10。

二是地下水污染预测设定。

结合本项目实际情况，确定污水厂进水口处位置为模拟泄露点。地下水污染主要预测情景设定两种：污水处理点正常工况无防渗情景；污水处理点正常工况有防渗情景。根据现场调查和地下水水质分析，选择COD作为特征污染物。

3. 模拟结果分析

3.1 污水处理点正常工况无防渗措施情景预测

此情景条件下的地下水污染模拟结果见图1～图4和表2。

图1 5年影响预测图

图2 10年影响预测图

图3 15年影响预测图

图4 20年影响预测图

表2COD正常工况泄漏无防渗措施条件下潜水含水层影响范围表

3.2 污水处理点正常工况有防渗措施情景预测

有防渗措施，污染物仅通过防渗层破损点渗漏，进入地下水的污染物总量急剧减少，正常有防渗条件下厂区下游边界100m处地下水污染模拟预测结果见图5。况采取防渗措施条件下，地下水污染程度明显减弱，含水层中各污染物的最大浓度均未超过地下水质量标准。

图5 COD浓度预测曲线预测结果表明，污水处理点正常工

4. 结论

由预测结果可知，污染物在水动力条件作用下由西南向东北方向运移，污染物在运移过程中随着地下水的稀释作用，浓度在逐渐降低。正常工况无防渗措施的情况下，由于污染源的持续存在，对地下水环境造成长时间的污染，且污染范围逐渐扩大；正常工况有防渗措施的情况下，渗入地下水中污染物的含量较少，且随着污染物在运移的过程中地下水的稀释作用，浓度逐渐降低，对地下水环境产生影响较小；增加防渗设施后能有效地降低对地下水环境的影响。

总之，VisualMODFLOW数值模拟方法在实际地下水环境影响评价中具有较高的科学性和可操作性，可以作为一种科学工具广泛应用于类似项目，这也是该领域的一种发展趋势。