地下水污染监测网优化及数值模拟研究

摘要

地下水污染受到中国政府的高度重视。地下水污染防治与管理的基础工作是地下水污染监测，而如何以最少的监测井和经费投入获取尽可能多的地下水污染信息，成为地下水污染监测网优化研究的关键，而非均质各向异性对地下水污染监测影响甚大。本文以我国东北下辽河平原浅层地下水为例，重点研究区域尺度地下水污染监测网优化方法、场地尺度平面二维非均质瞬态泄漏污染物监测以及地层特征尺度污染物在剖面二维非均质各向异性含水层中的迁移演化，从而为场地尺度监测井设计以及区域尺度监测网监测站位选址以及监测深度选择等提供依据。所取得的主要研究成果包括以下几个方面：
　　1．区域尺度（相似尺度：>105m）上，通过野外地质调查和室内研究相结合，利用水文地球化学分析和主成分分析相结合方法对下辽河平原区域地下水水质进行评估。下辽河平原地下水化学类型从补给区的高Ca+Mg型向排泄区的高Na+K型转变。地下水化学类型从补给区典型的Ca-HCO3向排泄区的Na-Cl型变化。影响下辽河平原地下水水质的5个主要自然和人为过程包括：（1）全新世海侵和混合作用；（2）地表水入渗；（3）多因子过程；（4）降雨及农业施肥污染；（5）地质氟富集。此外，结合遥感土地利用类型分类结果显示，平原范围内辽河两岸沉积差异对辽河两边植物分布及土地利用类型的影响十分明显。以旱地为主的农业区出现相对较高浓度的NO3–表明下辽河平原浅层地下水明显受农业活动的影响。
　　2.利用主成分分析和Stuyfzand水化学分类相结合方法研究全新世海侵对下辽河平原河口三角洲地下水影响。结果表明辽河三角洲地区复杂的地下水化学特征与全新世海侵、混合作用、矿物沉淀以及地表水入渗等因素有关。阳离子交换是辽河三角洲地区地下化学组成与演化的关键因子。主成分分析可以用来描述区域海岸带冲积含水层地下水化学组成的主要影响因子，而地下水淡化和咸化过程以及海岸带含水层中发生的全新世海侵则可以用Stuyfzand分类的BEX判别式来识别。
　　3.在完成下辽河平原区域地下水水质评估基础上，采用主成分分析和 Kriging方差减少分析法相结合提出了一套区域地下水污染监测网优化新方法并将其应用于下辽河平原区域浅层地下水污染监测网优化分析，结果表明该方法在优化过程中不仅考虑了监测井的站位优化而且还考虑了监测组分的优化。
　　4.场地尺度（相似尺度：（101-102）m）上，为了更好的充分利用有限监测井对水平二维非均质潜水含水层类似点源和线源污染场地瞬态泄漏污染物总质量进行监测估算，提出利用浸出面的方法进行污染监测及污染物排泄量估算。并通过数值模拟试验对所提方法进行验证，结果发现污染物排泄量的估算精度主要受监测面的距离、污染源宽度、非均质等级、相关长度以及速度连通性等的影响。
　　5．地层特征尺度（相似尺度：101m）上，为了更好的指导复杂非均质含水层中的污染监测、污染修复以及区域地下水监测井监测深度的选择，通过数值模拟方法模拟了反应迁移和非反应迁移模型条件下，污染羽状物在拥有不同倾角的各向异性和吸附特性的剖面二维非均质含水层中的迁移行为。结果发现污染羽状物的演化明显受含水层倾角变化的控制，主要表现在：污染羽状物的水平扩散同时受渗透系数的空间非均质性和各向异性的控制，污染羽状物的演化明显受倾斜程度的控制，吸附模型的延迟平均孔隙水流速度（v/R）控制着污染羽状物的纵向扩散。另外，靠近隔水边界的底部羽状物被阻滞于倾斜低渗透性透镜体和隔水边界之间的区域，主要是由于受到反射和折射作用的影响，尤其在紧邻底部隔水边界区域。

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第一章 绪论

1.1 地下水污染现状及研究意义

1.2 地下水污染监测网优化研究现状

1.3 非均质含水层中渗流和污染物迁移数值模拟研究现状

1.4 研究内容与技术路线

第二章 区域地下水污染监测网优化及非均质数值模拟方法

2.1 区域地下水污染监测网优化方法

2.2 描述含水层非均质性的随机模拟方法

2.3 地下水渗流与污染物运移数学模型

2.4 本章小结

第三章 下辽河平原区域地下水化学影响因素分析

3.1 研究区概况

3.2 地下水采样与分析方法

3.3 地下水化学的影响因素分析

3.4 本章小结

第四章 下辽河平原区域地下水污染监测网优化分析

4.1 地下水污染监测网优化方法的应用

4.2 地下水污染监测网优化分析

4.3 本章小结

第五章 场地尺度地下水污染监测数值模拟研究

5.1 数值模拟试验

5.2 污染物排泄量估计方法

5.3 结果和讨论

5.4 本章小结

第六章 地层特征尺度地下水污染物迁移数值模拟研究

6.1 地质情景设置及非均质参数的生成

6.2 地下水流和污染物迁移模拟

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

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