基于数值模拟的地下水脆弱性研究 ——以新疆焉耆县为例

论文摘要

地下水脆弱性反映地下水系统对外界影响的敏感程度。目前地下水脆弱性方法主要有迭置指数法、模糊数学方法、统计法、过程数学模拟方法等。其中,迭置指数法因模型简单、成本低、数据易获取等优点,在全世界范围内得到广泛的应用,但迭置指数法属经验性方法,以定性分析为主,定量化为辅,具有很强的主观性。目前多数研究都是在温和气候地区进行,干旱气候下地下水形成条件及系统结构功能完全不同于其他气候区,影响地下水脆弱性的因素与温和气候区也有所不同,在生态更为脆弱的干旱区进行地下水脆弱性研究具有重要意义。通过分析研究新疆干旱性气候特点、农业活动、地下水形成、分布、埋藏和补给条件等,遵循迭置指数法评价指标体系构建原则,构建适合于干旱地区特征的地下水脆弱性评价指标体系,将潜水蒸发、地下水系统服务功能、土壤盐渍化等纳入到脆弱性指标体系中,采用熵权法克服评价过程中权重确定的主观性,最终确定研究区的地下水脆弱性。为验证脆弱性评价结果正确与否,选取实测地下水水质资料对评价结果进行一致性检验。过程数学模拟方法是采用基于物理模型建立的水流运动和污染物溶质运移模型对污染物的运移进行模拟,是对地下水污染过程的真实刻画,属于定量化研究方法,不存在主观性,勿需对地下水脆弱性进行分类。过程数学模拟方法只需考虑某一个或多个主要过程即可,如果考虑所有与污染物运移相关的过程,工作量庞大,成本较高,不容易实现。本研究以潜水面为界,将污染物的运移过程分为两部分：包气带的溶质运移和饱和带的溶质运移。包气带采用HYDRUS-1D模型,假定地表—污染物及其浓度,根据实测资料和拟合参数,对包气带水分运移和溶质运移进行模拟,实时计算包气带和饱和带之间的水分交换量、污染物浓度等。将包气带模拟结果以源汇项的方式赋给饱和带模型,进行地下水流模拟和溶质运移模拟。饱和带模型采用PMWIN软件。将包气带模型和饱和带模型耦合起来对地下水脆弱性进行了综合评价。过程数学模拟方法可以得出污染物的时空分布规律,具有时间依赖性。本次研究主要得到如下结论：（1）由迭置指数法得出的脆弱性评价结果表明,研究区约92%的面积分布于中等到高等脆弱性区域,说明焉耆县地下水整体防护条件很差。低脆弱性区主要分布于焉耆良种场的西北部、七个星镇、四十里城子的西部地区,在开都河北岸也有零星分布；中等脆弱性区主要分布于开都河北岸大部分地区、四十里城子、查汗采开乡、七个星镇的部分地区；高脆弱性区主要分布于开都河南岸的开都河冲积平原区下游区。（2）通过将焉耆县实测水质资料对迭置指数法得出的脆弱性评价结果进行对比分析发现,地下水总溶解性固体与脆弱性分区图有较好的一致性,说明研究区内对地下水质量影响最大的是盐害。（3）通过用数值模拟方法模拟污染物在包气带介质和饱和带介质中运移结果表明,在模拟时段内,已污染的潜水携带污染物补给微承压含水层,但不会污染浅层承压水和深层承压水。在开都河北岸北大渠乡和五号渠乡的西北方向污染物浓度最大,在开都河北岸附近地下水呈现低矿化度;污染物浓度为3～10g/L的地下水主要分布于粉土覆盖条件下。在焉耆县的西南地区地下水为淡水。由10年的模拟结果图对比分析发现,矿化度为1～3g/L、3～10 g/L的范围在逐年增大,小于1g/L的地下水的范围在不断缩小。在4年时,开都河北岸几乎没有淡水的存在,对整个研究区来说,淡水只存在山前地带；从第7年开始,在开都河南岸开始出现矿化度为大于10g/L的地下水,并且随着时间推移,范围不断扩大。（4）将两种方法得出的结果进行对比,结合研究区的实际情况进行分析发现迭置指数法在实践应用中仍然存在一定的局限性,同时也说明数值模拟方法具有普遍适用性。（5）本次研究提出了地下水脆弱性评价方法应该根据研究尺度、数据的数量和质量、研究目地来进行选取。对于小区域研究尺度和承压含水层,建议采用数值模拟方法；对于大区域研究尺度和浅层含水层,多采用其他评价方法；如果研究区条件满足数值模拟方法对数据质量和数量的要求,应尽量采用数值模拟方法；对于水源地保护,争取采用数值模拟方法精确的确定地下水脆弱性。（6）根据地下水脆弱性评价结果,结合干旱区地下水脆弱性的主要影响因素,提出焉耆县地下水污染防治对策。诸如改变灌溉方式、适当地增加浅层地下水的开采量、完善排水措施、配套盐碱地改良措施、科学施肥、合理使用农药、在饮用水水源地及其周围设置防护带、建立非点源污染监测网络等。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究目的及意义
• §1.2 地下水脆弱性评价
• 1.2.1 地下水脆弱性概念
• 1.2.2 地下水脆弱性影响因素
• 1.2.3 地下水脆弱性评价方法
• 1.2.4 地下水脆弱性编图
• 1.2.5 地下水脆弱性评价结果的检验
• §1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• §1.4 主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 主要采用的技术路线
• 第二章 研究区概况
• §2.1 自然地理与经济概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 气候特征
• 2.1.4 水文
• 2.1.5 社会经济概况
• §2.2 区域地质及水文地质条件
• 2.2.1 区域地质条件
• 2.2.2 地下水赋存条件与分布规律
• 2.2.3 地下水补给、径流及排泄条件
• 2.2.4 地下水水化学特征
• 2.2.5 地下水动态
• 第三章 地下水脆弱性评价指标体系确定
• §3.1 地下水脆弱性影响因素及影响机理分析
• 3.1.1 固有脆弱性影响因素
• 3.1.2 特殊脆弱性影响因素
• §3.2 地下水脆弱性指标体系的构建原则
• §3.3 焉耆县地下水脆弱性指标体系的构建
• 第四章 基于FLD-ASQIRE模型的焉耆县地下水脆弱性评价
• §4.1 DRASTIC模型简介
• §4.2 焉耆县地下水脆弱性评价
• §4.3 焉耆县地下水脆弱性评价指标体系权重的确定
• §4.4 焉耆县地下水脆弱性评价
• 4.4.1 地下水脆弱性指数
• 4.4.2 焉耆县地下水脆弱性评价结果分析
• 4.4.3 焉耆县地下水脆弱性与实测水质资料的对比分析
• 第五章 基于数值模拟的焉耆县地下水脆弱性评价
• §5.1 包气带模型
• 5.1.1 HYDRUS-1D简介
• 5.1.2 概念模型的建立
• 5.1.3 数学模型的建立
• 5.1.4 时空离散
• 5.1.5 模型参数
• 5.1.6 HYDRUS-1D模拟
• §5.2 饱和带模型
• 5.2.1 PMWIN简介
• 5.2.2 模拟范围
• 5.2.3 概念模型
• 5.2.4 数学模型
• 5.2.5 数值模型
• 5.2.6 模拟结果
• 5.2.7 评价结果与迭置指数法的评价结果的对比分析
• 5.2.8 地下水脆弱性评价方法的选取原则
• 5.2.9 地下水污染防治对策
• 第六章 结论与建议
• §6.1 结论
• §6.2 存在的问题及建议
• 致谢
• 参考文献