GMS在地下水污染迁移模拟中的应用

梁 健，娄华君，张 征

(1.北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101)



GMS在地下水污染迁移模拟中的应用

梁 健1，娄华君2*，张 征1

(1.北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京 100101)

GMS(GroundwaterModelingSystem)作为目前国际上流行的三维地下水数值模拟的集成软件系统，具有模块多、功能全、使用范围广、建模过程直观、操作简便等特点。该研究详细介绍了GMS在地下水污染迁移模拟中的应用流程：首先，使用MODFLOW模块建立地下水流场模型；其次，使用MT3DMS模块建立溶质(污染物)运移模型；最后，使用MODPATH模块建立地下水流迹线示踪模型。使用GMS对污染物在地下水中的迁移进行模拟预测，对地下水环境的保护具有重要积极意义，也可为制定污染物防控方案提供科学支持和理论依据。

地下水；污染迁移模拟；GMS；MODFLOW；MT3DMS；MODPATH

目前我国地下水数值模拟的应用已遍及与地下水有关的各个领域[1]，一些先进的模拟软件如MODFLOW[2]、MT3DMS[3]等广泛地应用于建立水流模型、溶质运移模型，以解决水资源评价、地下水污染、海水/高浓度咸卤水入侵、地下水管理与合理开发、地表-地下水联合调度、地面沉降等问题[4-9]。GMS作为目前国际上流行的三维地下水数值模拟的集成软件系统[10]，与其他一些软件系统(VisualMODFLOW[11]、FEFLOW[12])相比，具有模块多、功能全、使用范围广、建模过程直观、操作简便等优点，可用于矿山、工业企业、垃圾填埋场、有机污染场地、土壤残留农药、污水灌溉等各类地下水污染的预测以及治理修复方案的设计。笔者详细介绍了GMS在地下水污染迁移模拟中应用的流程，提出了相关结论与建议。

1　GMS软件简介

地下水模拟系统(GroundwaterModelingSystem)简称GMS，是美国杨百翰大学(BrighamYoungUniversity)环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在集成MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。GMS软件界面友好、模块多、功能全，几乎可以用来模拟任何与地下水相关的水流和溶质运移问题。对地下水污染的迁移模拟，主要用到GMS中集成的MODFLOW、MT3DMS、MODPATH模块。MODFLOW是美国地质调查局于20世纪80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟模型。MODFLOW自从问世以来，由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化等优点，已被广泛用来模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。MT3DMS是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。MODPATH是美国地质调查局开发的一款三维地下水流迹线示踪程序，可确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径，可用来模拟指定地点溢出污染物的运动轨迹。模拟计算时，MT3DMS、MODPATH需在MODFLOW的基础上使用[13]。

2　GMS在地下水污染迁移模拟中的应用

2.1使用MODFLOW模块建立地下水流场模型

2.1.1模型的建立。 建模前期，首先需熟悉模拟区的水文地质条件，了解该地区的地貌、地质条件，构造发育情况、主要含水层组、第四系厚度、流域水文地质特征等。在熟悉模拟区水文地质条件的基础上，还需要收集相关资料，包括地表高程等值线(DEM)、各含水层顶底板高程等值线(Top/BottomElevation)、初始地下水位线(StartingHead)，然后结合水文地质条件对资料进行整理、概化。

GMS中使用MODFLOW建模的方法一般可分为2种：网格建模法(GridApproach)和概念化建模法(ConceptualModelApproach)。网格建模法中，地下水的建模过程和模型识别验证都直接在三维网格(3DGrid)上操作。网格法建模是基于对网格的直接操作，因此参数分区的赋值、边界条件的指定和调参都非常繁琐，但对于水文地质条件比较简单、研究区面积比较小的模型，网格法是一种有效的方法。概念化建模法是把三维网格的属性用概念模型(Coverage图层)相应实体的属性来表示，模型赋值和调参直接操作Coverage图层上的实体。Coverage图层独立于网格(Grid)之外，通过“MaptoMODFLOW/MODPATH”命令转化成MODFLOW数值模型时，参数能自动分配给相应的网格(Grid)和应力期(StressPeriods)，不但可以节省时间，而且能减少出错的机会。概念模型建模法适用于建模面积大，且水文地质条件相对复杂的模型。

GMS建立模型的一般步骤如下：

(1)确定模拟区边界。模拟区边界包括侧向边界和垂向边界。侧向边界的确定根据模拟区的水文地质条件，优先以独立的水文地质单元界线作为侧向边界，如分水线、阻水断裂、以及平行于地下水流方向的界线可作为隔水(零流量)边界，河流、湖泊等巨大地表水体可视作地下水的排泄基准面，根据实际情况设置为定流量(SpecifiedFlow)边界或定水头(SpecifiedHead)边界。垂向边界的顶面一般设置为地面，底面一般设置为地下水系统的隔水底板。

(2)建立三维模型空间。即模型的空间离散化，MODFLOW采用的空间离散化方法是有限差分法，需要综合考虑模型区的面积、模拟的精度要求、模拟设备的性能等因素，选择适当大小的有限差分网格。

(3)地层结构概化。即设置各地层顶底板的高程及各含水层的初始水位高程。地层分含水层(潜水、承压水)、隔水层，渗透系数大，阻水性能差的岩层可概化为含水层，而各类渗透系数小、阻水性能好的岩层可概化为隔水层。

(4)水文地质参数分区。由于模型区域内的水文地质条件普遍存在各向异性，需要对模型的水文地质参数进行分区赋值，以最大限度地接近自然情况。模型所需的水文地质参数主要有渗透系数(垂向、纵向)、孔隙度、给水度、贮水系数等，参数的选取主要通过现场试验获得。

(5)源汇项概化。源汇项即区域地下水的补给排泄方式，主要包括大气降水入渗、河渠渗漏补给、农田灌溉入渗、侧向径流、蒸发、人工开采、泉排泄、河流排泄等。

大气降水入渗量根据当地降雨量乘以相应的降雨入渗系数作为降雨补给项，通过Recharge(RCH)子程序包输入到模型中，影响降水入渗补给系数的主要因素是降水量、地下水埋深、包气带岩性。

河渠渗漏补给及河流排泄量确定方法如下：若掌握有准确的地下水与地表水之间交换量的数据，则可用定流量(SpecifiedFlow)边界来处理，但实际上很难得到这类数据，所以一般情况下使用River(RIV)、Stream(STR)等子程序包来实现地下水与地表水之间的自动转换计算。

农田灌溉入渗量的处理与降水入渗量类似，根据实际灌溉量，灌溉量乘以灌溉入渗系数作为灌溉补给项，通过Recharge(RCH)子程序包输入到模型中，影响农田灌溉入渗补给系数的主要因素是灌溉量、地下水埋深、包气带岩性。

侧向径流是指地下水在模拟边界上的侧向流入或流出，故一般只在模型的边界上设置，通过将概念模型(Coverage图层)中代表模型边界的线段属性设置为定流量(SpecifiedFlow)边界或定水头(SpecifiedHead)边界，定流量边界根据边界的性质(流入、流出、零流量)设置流量(FlowRate)，定水头边界则根据边界的水头值设置水头(HeadStage)。

蒸发指的是潜水蒸发量，主要与气候、地表覆被、包气带岩性和厚度等因素有关。可使用EVT子程序包来处理地下水蒸发问题，其所需的参数有：最大蒸发速率(MaxETrate)、最大蒸发发生的地面高程(ETelevation)、蒸发的极限深度(ETExtinctiondepth)。EVT子程序包根据阿维里杨诺夫公式(1965)及模型中给定的参数自动计算出不同地下水位埋深条件下的地下水蒸发量。

人工开采是指人类生活生产等活动开采地下水资源的量，单井等集中式开采可在开采处设置单个抽水井(Well)，群井等分散式开采可在面状开采区域上设置定流量(SpecifiedFlow)来实现。

泉排泄处理方式与人工开采相似。

概括起来，对于以上源汇项的处理，主要包括2大类：一类是以面状的形式补给或排泄地下水系统，其主要包括大气降水入渗补给、农田灌溉入渗补给、潜水蒸发排泄；第二类是以点的形式补给或排泄地下水系统，包括河渠补给排泄、侧向径流、人工开采、泉排泄。总体上，这2类源汇项的量最终均以平均分配到模型中激活的有限差分单元格上的形式参与计算。同样由于模型区域的各向异性，需要对面状补给排泄进行分区化处理以提高模型精度，同时注意在赋值时，补给排泄的强度以流入为正、流出为负。

2.1.2模型的识别与验证。识别和验证是模型应用的一个重要环节，只有通过识别和验证的模型才能用来准确预测未来污染物的分布状况。地下水流模型的识别和验证主要包括3方面内容：①流场验证。模型模拟得到的地下水流场的流向及其动态变化要与自然状况一致。②水均衡验证。模型计算区范围内的地下水补给量和排泄量要与实际情况相当。③识别的水文地质参数要符合实际水文地质条件。

模型参数的识别一般采用试估校正法，即根据野外试验结果、构造特征、含水层性质、流场形态及水位变化等资料初步确定各参数的上限和下限，以其作为对应参数的约束区间。经过多次调试、优选，将观测孔的水位动态实测资料做为拟合对象，使得最终获得的各观测孔处的模拟水头值与其实测值达到误差最小，以此确定含水层的水文地质参数。

2.2使用MT3DMS模块建立溶质(污染物)运移模型使用MODFLOW建立地下水流场模型并调试好参数后，就可在此基础上使用MT3DMS模块建立溶质(污染物)运移模型，以确定污染物溶质运移和浓度变化规律、污染与扩展范围等。使用MT3DMS模块建立污染物运移模型的一般步骤如下：

(1)定义溶质(污染物)类型(DefineSpecies)及初始浓度(StartingConcentrations)。根据实际污染场地的污染物种类定义特征污染物，如选取地下水质量标准(GB/T14848-93)的一项或多项指标作为特征污染物。污染物的初始浓度则依据模型区实际监测资料给定，未被污染的模型区的污染物初始浓度可使用默认设置为0。

(2)选择并设置子程序包(Packages)。根据模型区域污染物的运移特征及模拟任务需求选择相应的子程序包，主要包括对流(Advention)、弥散(Dispersion)、化学反应(ChemicalReaction)等，对流子程序包主要设置对流的求解算法类型，弥散子程序包则主要设置弥散系数(纵向、横向、垂向)，化学反应子程序包则设置吸附等温线和反应动力学参数。

(3)设置应力期(StressPeriods)。需要根据污染物排放的时间曲线特点，设置污染物运移模型的模拟时间。

(4)设置污染物源强(Source/Sink)。根据设置的应力期定义污染物在每一个应力期内的排放浓度，同样有网格设置法(GridApproach)和概念化设置法(ConceptualModelApproach)。

综上，污染物运移模型的建立比地下水流场模型相对简单，但由于MT3DMS建立的污染物运移模型是以MODFLOW建立的地下水流场模型为基础的，所以地下水流场模型的模拟结果将直接影响污染物运移模型的模拟结果。

2.3使用MODPATH模块建立地下水流迹线示踪模型MODPATH是以MODFLOW模拟的地下水流场为基础，追踪地下水流中质点的迁移运动轨迹，有着广泛的应用，如确定抽水/注水井的影响半径、追踪污染物在地下水环境中的运移规律等。其一般步骤如下：

(1)调整模型区孔隙度。由于地下水实际流速受孔隙度影响，系统默认孔隙度为0.3，若此孔隙度不符合实际，则需进行相应设置，孔隙度的设置主要有网格设置法(GridApproach)和概念化设置法(ConceptualModelApproach)2种。

(2)生成粒子运动迹线。有2种生成形式，一是在井的位置生成；二是在所选择的模型网格中生成。

生成粒子运动迹线后，可手动选择迹线，GMS软件相应地自动显示其覆盖面积、长度、流经时间等信息，用以辅助地下水相关的决策管理。

3　结论和建议

该研究介绍了GMS在地下水污染迁移模拟中的应用流程，得出以下结论与建议。

(1)除了网格建模法和概念化建模法外，还有实体建模法(SolidApproach)，能够逼真地刻画地层的空间结构，特别适用于矿区面积较小、钻孔资料丰富的地区。而使用MODFLOW建立地下水流场模型时，源汇项定义过程中各子程序包的选用不是一成不变的，可根据实际情况灵活使用。

(2)模型的调试过程需要不断地调整模型的各项参数(水文地质参数、边界条件、源汇项等)，这个过程需要耗费大量的时间，可使用PEST和UCODE这2个自动调参的模块进行辅助调参，提高工作效率。

(3)使用MT3DMS建立污染物运移模型时，若要考虑淋滤、吸附、解吸、降解、复杂生物化学反应作用等过程所引起的污染物浓度变化，还须结合RT3D、SEAM3D模块，RT3D模块可处理多组分反应，适用于模拟自然衰减和生物恢复，SEAM3D是用于模拟复杂生物降解问题(包括多酶、多电子接收器)，以提高模拟精度。

(4)由GMS建立地下水数值模型，只是解决问题的一种手段，在实际应用中要充分重视对模拟区水文地质条件的调查，尤其要注意对复杂水文地质条件的正确概化，其中包括模型边界的选定、水文地质概念模型的建立、网格设计与剖分、边界条件的查明与处理、源汇项的处理等。

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ApplicationofGMSinSimulatingGroundwaterPollutionTransportation

LIANGJian1,LOUHua-jun2*,ZHANGZheng1(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083; 2.KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcessed,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101)

GMS(GroundwaterModelingSystem)isaninternationalfamousthree-dimensionalintegratedgroundwaternumericalmodelingsoftwaresystemandcharacterizedbyitsmultivariablemodules,all-aroundfunctions,wideapplycations,intuitionalmodelingprocess,friendlyoperationinterfaceetc.ThisarticledetailedthegeneralmodelingprocessofGMSappliedinthecontanminanttransportinthegroundwaterenvironment:first,usetheMODFLOWmoduletobuildthegroundwaterflowmodel;second,usetheMT3DMSmoduletobuildthesolute(contanminant)transportmodel;finally,usetheMODPATHmoduletobuildtheparticletrackingmodel.UsingGMStosimulateandpredictthecontanminanttransportinthegroundwaterissignificantfortheprotectionofgroundwaterandalsooffersscientificalandtechnicalsupportandtheoreticalfoundationforthepollutionpreventionandcontrolment.

Groundwater;Pollutionmigrationsimulaiton;GMS;MODFLOW;MT3DMS;MODPATH

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAC09B00)。

梁健(1988- )，男，江西南康人，硕士研究生，研究方向：地下水资源与环境。*通讯作者，副研究员，博士后，从事地下水资源与环境研究。

2016-05-28

S126;P345

A

0517-6611(2016)22-239-03