宁夏石嘴山地区地下水水质模拟与变化趋势分析

摘要

石嘴山市是宁夏回族自治区的第二大地级城市,因贺兰山脉与黄河交汇之处“山石突出如嘴”获名。得黄河之利,土地肥沃,农业发展迅速,林牧渔产业和旅游业优势突出。石嘴山市地处西北干旱半干旱地区,是宁夏降雨量最少、蒸发最强烈的地区,资源型缺水是制约石嘴山市经济发展的羁绊。与此同时,石嘴山还面临着地下水超采、水质污染、土壤盐渍化、生态环境恶化等问题。所以,进行石嘴山地区地下水水质模拟与变化趋势分析的研究有着至关重要的作用。本文在详细查明研究区水文气象条件、地质、水文地质条件、水环境现状的基础上,建立了研究区地下水三维非稳定流数值模型和溶质运移模型,在三维非稳定流数值模型识别与验证相对理想的前提下,以氯离子为例,进行地下水溶质运移模拟,并对研究区地下水在现状开采条件及设计的扩大开采条件下的氯离子浓度变化趋势做了预测和分析,指出了研究区地下水的水质变化趋势,提出了防治地下水环境问题的措施和建议,为研究区地下水资源的可持续开发利用与保护提供了科学依据。经过研究,得到如下主要成果与认识:
　　(1)研究区地下水类型主要为松散岩类孔隙水,按含水结构可划分为单一潜水区和多层结构区。依据地下水位动态监测资料,主要论述了潜水和第一承压水的水位动态特征,指出潜水受自然因素和人为因素影响较大,其水位动态变化相对复杂,而第一承压水主要表现为开采型和径流型的水位动态特征。
　　(2)研究区潜水沿北东方向水平径流,在冲积、冲洪积平原,主要接受引黄灌溉渠系及农田灌溉渗漏的补给,通过蒸发蒸腾、排水沟排水等形式排泄,在北部扇前洼地处,地下水交替更新能力减弱;而承压水则主要接受侧向径流补给,以人工开采、越流等形式排泄,地下水以垂直运动为主。通过地下水均衡计算和分析,研究区内地下水基本处于均衡状态。
　　(3)研究区地下水TDS的变化主要受地下水补给水源水化学性质、水岩作用、混合作用、蒸发浓缩作用以及区域内盐渍化土壤的影响。潜水受平原区农田灌溉的影响,地下水位埋深变小,加剧了浅层地下水的蒸发浓缩和积盐过程;而较深层的承压水在充足的水源补给、循环和更新过程中,保持了低TDS的水质特征。
　　(4)利用VisualMODFLOW软件建立了研究区地下水三维非稳定流数值模型和溶质运移模型,并以氯离子为目标溶质,进行了地下水溶质运移模拟,预测和分析了不同开采方案下氯离子的浓度变化及趋势。得出在现状开采条件下,随着模拟时间的延长,潜水中氯离子浓度场基本保持稳定,局部区域出现了氯离子的富集,浓度最大值约8000mg/L,氯离子的富集加剧着区域土壤盐渍化的发生和发展。而承压水中氯离子的250mg/L等浓度界面基本保持在研究区东北部的地下水排泄区,大部分地区氯离子未达到标准限值,水质尚好。在现状开采条件下,潜水和承压水的水位基本稳定,平均最大水位降速约0.03m/a。
　　(5)在承压水水源地扩大开采的条件下,模拟研究了地下水中氯离子浓度场的分布及变化趋势,同时预测了相应模拟时段内区域地下水水位降落变化情况。随着开采年限的延长,潜水中氯离子超标范围相对缓减,但局部地区氯离子浓度增长较快。同时,随着承压水集中开采量的增大,氯离子浓度较大的潜水在水动力场的推动作用下入侵了深层承压水,使得承压水中氯离子浓度在开采中心有所增大,超标范围有扩大的趋势。模型运行50年后,模拟的氯离子超标区域平面面积在10-36km2范围内。通过水质模拟结果知:在蒸发浓缩作用、农田灌溉入渗、地表径流、引黄灌溉渠系渗漏的稀释作用以及地下水动力场演化的综合作用下,潜水中氯离子浓度在大部分地域呈减小趋势,局部区域有氯离子的富集。而在承压水扩大开采条件下,潜水中氯离子的浓度变化不大,但区域氯离子富集现象依然存在。在潜水氯离子浓度较大的大武口地区,因为承压水的持续大量开采,导致承压水与潜水之间的水位差变大,破坏了原有的水力平衡,上部潜水在巨大的压力差下穿过弱透水层向下运移,深层承压水接受上部潜水的越流补给,加剧了氯离子浓度较大的潜水下移,较深层承压水被咸化。此外,通过对比分析不同设计开采方案下的模拟结果得出,在井群密度和井间距相同时,单井开采量越大,被咸化的承压水范围也越大;在同一扩大开采强度下,井群布设越密集,井间距越小,被咸化的承压水范围也越大。这充分说明了在集中式水源地取水设计工作中,井群密度、井间距、单井开采量的科学合理设置是十分重要的,需要兼顾地下水化学成分、水质和区域水位降深的变化,以保证地下水的可持续开发利用与保护。

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第一章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.3 研究内容及技术路线

第二章 自然地理地质与社会经济概况

2.1 地理位置

2.2 地形地貌

2.3 气象水文

2.4 基础地质概况

2.5 社会经济概况

第三章 地下水系统及其特征

3.1 含水层结构

3.2 地下水的补径排特征

3.3 地下水位动态特征

3.4 地下水化学特征

第四章 地下水均衡分析

4.1 均衡区与均衡期

4.2 地下水均衡计算

第五章 地下水三维非稳定流数值模拟

5.1 水文地质概念模型

5.2 三维非稳定流数学模型

5.3 三维几何模型

5.4 三维水文地质模型

5.5 模型的求解、识别与验证

5.6 模拟均衡结果分析

第六章 地下水溶质运移模拟

6.1 水质概念模型

6.2 水质数学模型

6.3 MT3DMS溶质运移模型

6.4 氯离子浓度预测

结论与建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢