遵义市岩溶水地下水流和污染物运移数值模拟研究

地下水数值模拟技术已成为评估人类活动对地下水质和量的影响、评价地下水资源、预测地下水污染发展趋势等的最主要的方法和手段。喀斯特含水层由于含水介质和地下水流场的非均质性和各向异性，对其进行地下水流的数值模拟一直是水文地质学界的难题。 遵义市地处我国西南喀斯特发育区，为贵州省第二大工业城市，属重度缺水地区，地下水资源的开发利用极大缓解了区内的缺水危机。但长期以来，由于对地下水资源的开发利用缺乏合理的统筹规划和强有力的管理，引发了一些环境地质问题，如地下水降落漏斗、岩溶塌陷、地下水质恶化等。因此选择遵义市进行地下水流和污染物运移数值模拟研究具有理论和实际意义。 通过ArcGIS平台建立了研究区的水文地质信息数据库，对研究区地下水的水位动态以及水化学特征做了简单分析。概要总结和阐述了高桥－河溪坝块段的自然地理、地质概况和水文地质条件，建立了水文地质概念模型；在水文地质概念模型的基础上，利用Groundwater Vistas软件建立了枯水期和丰水期的二维非均质各向异性稳定流模型，三维有限差分地下水流模拟程序MODFLOW用于模拟地下水水流，三维溶质运移模块MT3DMS用于模拟污染物在对流弥散情况下的迁移。根据分析和模拟结果可以得出如下几点结论： 1、基岩裂隙水水位峰值滞后大气降水峰值2～3个月，属渐峰型动态；岩溶水水位、地下河出口和泉流量变化步调与降水强度一致，对降水响应敏感。 2、对NH4+、NO3-、NO2-、SO42-、Mn五种组分含量进行了时空分析，结果表明地下水污染物的含量可能受人为活动输入物质的不均匀性和降雨等各方面因素控制，各组分每年的污染面积不一致，没有明显的规律性；受污染的一般是岩溶水，尤其是在石灰岩溶洞、地下河强烈发育而三废排放量大的居民集中地区面积较大。 3、为了有效地进行地下水资源管理，论文对高桥－河溪坝岩溶含水系统进行了一定的概化，将岩溶含水介质近似作为等价多孔介质（Equivalent Porous Media, EPM）模型来进行研究，采用MODFLOW的六个子程序模拟含水层系统的源汇项：降水子程序包RCH模拟降水入渗量、井流子程序包WEL模拟抽水量、通用水头子程序包GHB模拟侧向补给/排泄量、排水沟渠子程序包DRN模拟地下河出口流量、河流子程序包RIV模拟河流与地下水的交换量和已知水头边界子程序包CHD。从水位观测点和地下水位等势面两者结合来校正模型，结果表明能够达到相应国家标准规定的要求。因此EPM模型是可以适用于我国西南喀斯特地区的地下水流模拟的。 4、通过稳定流模型识别了枯水期和丰水期的渗透系数。在高桥和茅草铺附近渗透系数较高，枯水期介于100～400 m/d，而丰水期在高桥最高可达到3220m/d；其余单元渗透系数低于100 m/d，大多数小于10m/d。总体来说，由于丰水期含水层的饱水度大，渗透系数要高于枯水期。 5、通过地下水均衡计算，确定了各补给项和排泄项的水量。枯水期最重要的补给来源是研究区东北角的侧向补给量，占总补给量的70％，人工开采是最大的排泄项；丰水期最重要的补给源是西部的已知水头边界，占总补给量的49％，东北角的侧向补给量是第二补给源，占39％，地下河出口是最主要的排泄方式，达到排泄总量的74％。 6、对水文地质参数和源汇项敏感度分析的结果表明，不管是枯水期还是丰水期，对研究区水位影响最大的是渗透系数，外部源汇项中则是抽水量对地下水流形态的影响最大。 7、研究区岩溶地下水流速很大，污染物的运移是一个对流占绝对优势的问题，弥散的作用则相对很小。通过在茅草铺地区假设污染源，用MT3DMS程序模拟了地下水污染物在时间和空间上的迁移特征。结果发现：污染羽的形状和扩散方位主要受地下水流场的控制，而污染物的浓度与水量多少相关。