基于GMS模擬預測云南保山盆地孔隙水中氨氮的遷移規律

楊加明,徐世光,2,李勝,張佳慧

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093;2.云南地礦工程勘察集團公司,昆明 650011;3.云南南方地勘工程有限公司,大理 671000)

1 引言

水資源是人類生存生活及生產所必備的條件,尤其是地下水資源對人類的生存和發展具有助力作用,地下水是我們人類及部分物種賴以生存和整個社會發展的前提基礎,是經濟社會可持續發展和生態系統循環的最基礎的物質[1-2]。近些年地下水污染問題顯得日漸突出,為了促進經濟的發展,工業的飛速發展,造成地下水污染現象明顯[3-4]。地下水開發利用過程中存在正常水位出現明顯下降、地面沉降、水質狀況惡化等重要問題[5]。王攀[6]等人對永城市淺層地下水中污染物的來源作了解析,導致該區域中硝酸鹽和硫酸鹽超標的主要來源是工業污水排放,農業農藥和化肥的過度使用;李政紅[7]等人探究人類活動對內蒙古托克縣淺層地下水中的硝酸鹽的驅動作用,結果顯示人類污水灌溉、糞便堆放、化肥施用對該區域地下水中的硝酸鹽具有很高的貢獻率;郇環[8]等人利用普通克里金插值方法對松花江吉林段沿岸淺層地下水中硝酸鹽的氮濃度分布特征作了分析,結果顯示常數趨勢球型模型適用于描述研究區地下水NO3-N濃度分布空間變異性,NO3-N濃度在一定范圍內存在空間相關性,空間相關距離為相對較大,前人對淺層地下水中的污染因子研究較多的是其污染來源、空間分布變化及水質評價。本篇論文是采用地下水數值模擬軟件對研究區中的氨氮在現狀污染的基礎上,預測其未來的污染變化趨勢,對保護地下水資源具有一定的指導意義,數值模擬方法靈活,適用于各種復雜的水文地質條件,在處理地下水流、地下水溶質運移和水資源環境分析等方面有良好的效果[9-11]。

本文以云南保山盆地地下水污染為例,借助水文地質相關資料,結合研究區的實際核心特征,利用GMS專業軟件對污染物進行仿真模擬,建立研究區內流場的數學研究模型,選用氨氮作為特征因子,預測特征因子的運移規律對地下水造成的環境影響。數值模擬對地下水開采、治理、環境問題和資源的評價開發等提供參考意義[12-13]。

經研究,該區域氨氮污染的主要來源是保山地區動物的禽畜糞便的排放,經相關資料統計出該區域的動物的數量,折合成標準豬,每年每頭豬的糞尿排放量為1.2 t,糞尿中的2%排入到土壤中,經降雨入滲排的氨氮含量每年是25.01 t;農業過度施肥也是造成地下水中氨氮超標的主要來源,保山的第一產業是農業,大面積農作物需要施肥,導致土壤中含有大量的含氮化肥,經計算,保山每年經降雨淋濾進入地下水中的總氮為212.4 t;工業污水的排放與泄露,經調查研究,研究區內共有92座工業企業的廢水直接排入到東河內,每年排放污水的總氮含量是29.28 t。若不及時治理,地下水中的氨氮會在特定環境下轉化為亞硝酸鹽,亞硝酸鹽含量的升高會增加人體患癌癥的幾率;當然地下水中的氨氮超標對生態環境也有極大的危害,會造成魚類的死亡,破壞生態平衡。

2 研究區概況與污染現狀

2.1 概況

以云南保山盆地為研究區,其區域內水文地質條件稍顯復雜,地下水類型劃分較多,盆地內的第四系松散層孔隙水與地貌類型密不可分,因此該區內的孔隙水在外在形式上表現出多種多樣,沖洪積扇孔隙水具有較強的富水性,主要以鵝卵石為主,鉆孔單位涌水量很大;沖湖積平原孔隙水因地勢較為平坦,地下水位埋深較淺,等水位線走勢常年保持基本不變;沖洪積平原孔隙水,富水性中等,盆地內的地下水具有各項異性的特征。本次重點研究的工作是第四系松散層內的孔隙水的污染核心特征,該地下水類型主要接受大氣降雨的自然補給,還有部分接受周圍具有水力聯系的基巖裂隙水的徑流補給,最終均以泉的形式以及下游向侵蝕基準面較低的東河排泄。研究區內的地下水取樣點見圖1。

圖1 研究區地下水取樣點圖

2.2 污染現狀

根據2019年采取盆地內35個淺層地下水樣品的檢測結果顯示,氨氮的濃度在0.02～17.9 mg/l,取樣點中漢莊鎮914處、盆地東側青陽村916處、板橋鎮920處及河圖鎮924處的氨氮濃度高于地下水Ⅲ類標準(<0.5 mg/ l),且最高濃度在916處,研究區內的氨氮主要集中在東河區域附近,越靠近東河,污染越嚴重,由此可見工業廢水的排放對東河附近的地下水污染是最嚴重的,若不及時處理,東河附近的居民較多,不知情的情況下,飲用氨氮超標的地表水和地下水,均會影響居民的身體健康。氨氮的污染現狀圖見圖2。由氨氮的污染現狀圖顯示,盆地內孔隙水中的氨氮污染區域較大,主要集中在盆地的上游,下游盆地內地下水中的氨氮并未污染。

圖2 氨氮污染現狀圖

3 水文地質特征及概念模型

3.1 研究區區域地質條件

水文地質概念模型可以很好地反應研究區內地下水的流向,可以將復雜的問題簡單化,在計算機上清晰地反應出來。

研究區的水文地質條件較為復雜,盆地內主要是第四系覆蓋層,該層主要是富水性較強的孔隙水含水層組,該層地下水因地貌類型不同,主要有第四系沖洪積扇孔隙水,沖湖積平原孔隙水,沖洪積平原孔隙水,孔隙水中的隔水層主要是上部粘土層,而含水層主要是下部的帶有卵礫石的泥砂層。主要分布在盆地內及盆地邊緣與巖層的交界處。

裂隙水含水層主要分布在盆地西部和東部的基巖中,因基巖區中的裂隙發育多,地下水賦存于此,主要的含水層是粉砂巖,而主要的隔水層則是板巖。

巖溶水含水層主要是研究區內碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙溶洞水,主要分布在東側及盆地下游側,研究區內的水文地質圖見圖3。從研究區的剖面圖可以看出地下水含水層的補給關系,盆地內的第四系孔隙水,主要接受碎屑巖裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水的補給,見圖4。

圖3 研究區水文地質圖

圖4 研究區水文地質剖面圖

3.2 研究區概念模型

因本篇論文主要研究的第四系孔隙水,研究區內地下水流場模型的范圍是第四系含水層,地層中的黏土層是主要的隔水層,而主要的含水層是卵礫石層。盆地中的卵礫石層與碳酸鹽巖相交的部分,接受基巖裂隙水的補給,因而可以看作是向研究區內松散孔隙水的定流量邊界的界限,而基巖覆蓋層中的黏土與紅黏土,因透水性差,故而可以看作是隔水邊界。而主要的含水層的補給途徑主要是大氣降水以及基巖的橫向補給,最終向低洼地區的東河流域排泄,該流域的整體流向貫穿整個盆地的南北向,由地下水與地表水的水力聯系可看出,該河流可作為定水頭邊界。依據上述假設的邊界條件的界限以及該區域內的水文地質特征,建立研究區的水文地質概念模型見圖5所示。

圖5 研究區水文地質概念模型圖

3.3 數學模型

對于新建的地下水流場模型使用偏微分方程數值化。因研究區內的地下水是承壓含水層,且具有非均質各項異性的特性,故使用以下的微分方程來求解:

(1)

其中,Kxx,Kyy,Kzz為各主方向上的滲透系數,m/d;H為承壓含水層水頭,m;Ss為儲水率,單位m-1;W為源匯項,m3;t為時間,單位d。

求解該方程需要的初始條件為零時刻的邊界條件。

H(x,y,z,t)Si=φi(x,y,z,t)(x,y,z)∈Si

(2)

因地下水流場中的偏微分方程具有較多的未知數,也缺少很多條件,因此很難解得具體的解析解,為了解決這一難題,引進數值模擬的辦法來求得上述微分方程的近似解。

數值模擬過程主要是利用有限差分的方式將模擬的區域劃分為若干的小網格,研究每個小網格中的流場特征,最終以替代的思想將研究區的整體流場特征用每個小網格的模擬水位來代替,進而實現離散的目的,將不能求解的復雜微分方程轉化為可求解的簡單數學問題,忽略微小的誤差。

3.4 數值模型建立

3.4.1 建立模型

根據該區的巖性特征分析,以卵礫石含水層為主要的研究對象,含水層上下部的黏土可概括為隔水層,也就是對應的儲水界面,按模型面積劃分成200 200×400×3的網狀結構。利用以上假定的邊界條件,將研究區內的水文地質概念模型轉化為數值研究模型,參見附圖6.

圖6 研究區數學模型三維地質網格圖

3.4.2 源匯項

(1) 補給項

該區的卵礫石含水層是由大氣降水和基巖裂隙水橫向供給的。根據相關的水文氣象數據,得出了以卵礫巖為基礎的降雨入滲系數為0.24的降水量,并據此推算出了降水對地下水的補充量為0.000 692 3 m/d。

而四周基巖裂隙水的補給量可根據達西公式計算:

Q=KAJ

(3)

式中,Q為周圍基巖區側向徑流孔隙水的補給量,m3;K為滲透系數,m/d;J為水力梯度;A為過水斷面的面積,m2。

由研究區內巖性出露的條件及地下水位的關系看出,與該區內的孔隙水具有水力聯系的基巖裂隙水主要是西部胡家壩、莊家坡、龍王廟,北部沙壩及東部青陽村、大關廟等地。據此計算出了側向補給總量為2 096.83 m3/d。

(2) 排泄項

因主要的含水層是承壓水且上覆土層具有隔水性質,故模型中不考慮蒸發排泄。研究區的孔隙水主要通過周圍地勢較低的河流、泉及少量的民井排泄。

(3) 水文地質參數

滲透系數是反應巖土滲透性的重要指標,也是建立流場模型及溶質運移模型必備的參數,因研究區內出露的巖性較多較復雜,因此按照鉆孔抽水試驗、地層巖性及地形地貌等因素劃分滲透系數分區,盆地內的第四系覆蓋層厚度變化較大,展現出中間厚、邊緣薄的特點,且沿著沖積扇,卵礫石層與粘土層交替沉積,且厚度不一,因此盆地內不同區域的滲透系數存在差異,呈現為非均質性。本次將研究區孔隙水含水層劃分為27個子區域,在建立模型時,對不同的區域進行賦值,以達到模型的準確性,其參數分區平面圖見圖7,分區表見表1。

表1 滲透系數分區表

圖7 滲透系數分區圖

根據保山的地質勘察資料及實際工程經驗,研究區的平均孔隙度設定為0.28。

(4) 彌散度

根據研究區做的彌散試驗,結合研究區的研究面積,本次模擬的孔隙水含水層縱向彌散度為0.82 m,橫向彌散度為0.19 m。

4 地下水溶質運移模型

4.1 模型建立

對于利用GMS建立污染物的溶質運移模型,諸多學者也有許多研究,劉娟等[14]對某市巖溶地下水污染進行研究,運用FEFLOW 軟件對擬建好的數學研究模型求解,探究研究區內流場的特征,在水流模型的基礎上進行溶質運移模擬,模擬了地下水中四氯化碳污染羽的濃度場,并預測了未來濃度場的變化;于翠翠[15]運用地下水模擬軟件 GMS 對山東濟南明水泉域地下水流場進行了數值模擬,對泉域巖溶地下水資源總量和地下水可采量進行了評價,并對泉水動態水位進行預測;顏萍[16]利用GMS對保山某尾礦庫的地下水污染物進行污染預測,針對得到的預測結果,提出治理污染的措施。

該地區內的氨氮的污染來源主要是禽畜糞便、農業過度使用含氮化肥以及工業污水的隨意排放造成的,上述污染源通過上部地層的孔隙經降雨淋濾進入到研究區內的含水層中,最終沿地下水流向方向遷移。本次工作研究的重點是僅考慮地下水的對流及彌散作用運用GMS專業模擬軟件中的MT3D模塊結合上述建立的流場數值模型建立研究區內的溶質運移模型,探究預測特征因子在1 000 d、3 000 d、5 000 d后氨氮的地理位置以及中心濃度的運移方向。根據水動力彌散理論,研究區內地下水溶質運移控制方程如下:

(4)

式中,C為地下水中污染物濃度,mg/l;n為孔隙度;Dij為水動力彌散系數,m;vi為地下水滲流速度,m/d;qs為源匯到含水層內單位體積的流量;Cs為源匯項中污染物濃度;Rn為化學反應項。

初始條件和邊界條件為:

C(x,y,z,t)|t=0=C0(x,y,z)∈Ω

(5)

C(x,y,z,t)|Γ1=CI(x,y,z) (x,y,z)∈Γ1∈Ω

(6)

式中,C0為地下水污染物初始濃度,mg/l;Ω為模擬區域;CI為邊界污染物濃度,mg/l;Γ1為濃度邊界。

因條件限制,該模型中僅考慮了地下水的對流作用及彌散作用,故模型不考慮污染物的質量衰減的因素。利用GMS軟件模擬預測研究區內氨氮的運移規律。

4.2 模擬預測及結論

根據研究區采集到的地下水中氨氮濃度的檢測結果,利用克里金插值方進行插值計算,可知氨氮在研究區內的現狀污染情況,以及現狀條件下氨氮的實際遷移距離見圖8。結合研究區內氨氮的污染原因,依據數據資料分析可計算出每天地下水中有0.001 35 mg/l的氨氮進入,這里將氨氮的單天滲入量作為模擬的初始源強,模擬預測氨氮在1 000 d、3 000 d、5 000 d后高濃度地區的位置、濃度變化以及遷移距離,參見附圖9(a、b、c)。

圖8 氨氮污染現狀及實際遷移距離圖

圖9(b) 氨氮遷移 3 000 d濃度變化及理論距離圖

圖9(c) 氨氮遷移5 000 d濃度變化及理論距離圖

由上述模擬預測圖表明,僅考慮對流及彌散作用時,模擬的3個時間段內氨氮的理論遷移距離與實際遷移距離相比有明顯的變化。以上述計算出單日氨氮進入地下水的含量作為源強,對比氨氮現狀污染的遷移距離,1 000 d后,東側部分的的氨氮向盆地中心處的東河運移了14.9 m,而西側向盆地中心處的東河運移25.7 m;3 000 d后,東側部分的氨氮向東河運移了49.7 m,西側向東河運移80.5 m;5 000 d后,東側部分的氨氮向東河運移了85.7 m,西側向東河運移了136.3 m。由此可以看出模擬預測的3個時間段內,氨氮兩側的濃度均向盆地中心的東河移動,并且理論遷移的距離與時間呈現正相關性。由前述可知,東河是盆地內的低洼地區,研究區內地下水最終排泄到東河內,根據模擬結果也可以看出(表2),氨氮都是沿著地下水流方向遷移的,并且時間越長,最高濃度在緩慢變小。利用氨氮實際運移距離與理論運移距離的比值可以看出,西側的比值比東側的大,說明西側的氨氮更易沿水流方向向東河遷移。

表2 氨氮污染實際遷移距離與理論遷移距離統計表

根據上述模擬得到氨氮運移的理論距離,繪制研究時間與污染物遷移距離的關系圖見圖10,根據關系圖來分析東西向污染物遷移的變化,為了時間與探究出二者的關系,將得到的遷移距離與時間進行散點擬合分析得到式(7)、式(8)。

圖10 氨氮不同時間與理論運移距離關系圖

S東=1×10-7t2+0.016 7t-1.69

(7)

S西=2×10-7t2+0.026 5t-0.78

(8)

由上述得到擬合的關系式看出,氨氮的理論遷移距離與時間并不是簡單的正相關性,而是呈現開口向上的二次函數形式,且不同東西方向的相關系數R2分別為0.994和0.992,說明擬合效果特別好,但二次項的系數很小,表明氨氮雖然沿著地下水流向運移,但運移速度很慢。

5 結論

(1) 由氨氮在不同方向運移的距離可知,西側的遷移距離明顯要比東側遷移的距離大,說明西側的氨氮更易沿水流方向遷移,并且西側的水力梯度明顯高于東側的。

(2) 研究區內的氨氮污染物是沿著地下水流方向向東河遷移的,說明氨氮的運移主要是由對流作用控制的,隨著時間的變化,西側遷移的理論距離明顯高于東側的,對流作用控制氨氮運移的影響越大。

(3) 氨氮的遷移距離與時間呈現二次函數關系,但二次項的系數很小,說明氨氮在地下水水中是緩慢移動的。

(4) 根據模擬得到的結果,時間越長,東河流域的水質越易受到氨氮的污染,因此要提出合理的治理措施,否則會對居住在東河流域的居民生活有很大的影響。