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一种探究浅层咸水越流补给深层淡水的方法

摘要

现有的研究中,在咸水越流上,研究大多通过实测的观测井和地下水质监测的资料进行分析,推断深层地下会是否受到浅层咸水的影响以及咸淡界面是否下移。除此之外,许多学者通过室内实验,模拟在不同条件下土壤盐分的变化情况。而在数值模型上,多研究点源污染问题。本方法通过构建地下水流‑溶质运移耦合模型,将数值模拟应用到咸水越流问题上,在大尺度方向上探究浅层咸水越流补给深层淡水,研究浅层咸水溶质运移规律的基础上,找出了地下水中溶质变化的规律特征,预测了未来研究区的浅层咸水对水质的影响。为深层地下水的开发利用提出了合理的建议,为地下水咸水引起的其他有关环境地质问题提供理论支持。

著录项

  • 公开/公告号CN112507279A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2021-03-16

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 天津科技大学;

    申请/专利号CN202011531780.4

  • 发明设计人 李海明;谷心想;肖翰;

    申请日2020-12-17

  • 分类号G06F17/13(20060101);G06F30/20(20200101);G06F111/10(20200101);

  • 代理机构

  • 代理人

  • 地址 300457 天津市滨海新区经济技术开发区第十三大街19号天津科技大学

  • 入库时间 2023-06-19 10:16:30

说明书

1技术领域

天津平原地区绝大部分地下水是“上咸下淡”型,人们的生活、农业及工业用水长久以来都来自于深层地下水淡水,自1960年代以来,天津市的地下水开采量逐年增加,天津市已经形成了许多地下水降落漏斗。漏斗区域中的深层淡水已从顶托排泄,变为接收上层咸水越流补给。在地下水开采量大的降落漏斗区,由于存在大量废弃井和不合格井,深层地下水的原有平衡被破坏,盐水向下运动现象更加突出。在深层淡水被上层盐水补给的条件下,天津地区上层咸水体的底部边界可能整体向下移动,污染深层淡水的质量。近几十年来,诸如地下水开采和地表水蓄积等人类活动扰乱了地下水的自然演化过程,导致了深、浅层地下水环境,补给和排放方式以及地下水更新率等水文地质条件的变化。严重影响了该地区的环境和地下水资源的开发利用。同时也产生了许多的环境、生态等问题。由于开采量的增加,浅层咸水与深层淡水水位差也在不断增大,浅层咸水越流补给深层淡水的问题得到了水文地质界的关注。通过对天津市浅层咸水中溶质运移规律的研究,找出浅层咸水对深层淡水影响情况,有助于人们防范地下咸水带来的地下水质恶化等相关环境地质问题。目前咸水越流的研究大多通过长时间实际测得的观测井和地下水质监测的资料进行分析,推断深层地下会是否受到浅层咸水的影响以及咸淡界面是否下移。除此之外,许多学者通过室内实验,模拟在不同条件下土壤盐分的变化情况。

现有的研究中,许多学者多利用数值模型研究点源污染问题,本方法通过构建地下水流-溶质运移耦合模型,将数值模拟应用到咸水越流问题上,在大尺度方向上探究浅层咸水越流补给深层淡水问题,探究浅层咸水越流补给深层淡水。在研究天津市浅层盐水溶质运移规律的基础上,找出了地下水中溶质变化的规律特征,预测了未来研究区的浅层咸水对水质的影响。为深层地下水的开发利用提出了合理的建议,有助于人们预防地下水质量下降和地下水咸水引起的其他有关环境地质问题,有利于科学发展。

2背景技术

GMS中的MODFLOW和MT3D模块、国家统计局发布的水资源公报、气象资料、文献中的水文地质参数。

3发明内容

(1)收研究区域资料,包括天津市历年降水量和蒸发量资料、天津市水文地质图集、天津市历年地下水位动态监测资料、天津市深层地下水历年开采量资料、天津市历年水资源公报等相关水文地质资料。采用包括Word、Excel、ArcGis等软件对地下水位、降雨量等数据资料进行分析,确定各种水文地质参数,为接下来的地下水数值模型做准备。

(2)考虑到相邻含水层之间的水交换,地下水系统的出水量将随时间和空间而变化。由于实际地下水系统的非均质性,各种参数随空间而变化,因此地下水系统具有明显的非均质性,因此在垂直方向上参数和水平方向也不同。用以下的微分方程来描述地下水系统,

以上式中:Ω-渗流区域;μ-含水介质的给水度;n-边界面的法线方向;h-各含水层水位标高(m);ε-各含水层的源汇项(1/d);h

(3)根据研究的需要,数值模拟选用GMS软件包中的Modflow模块,首先确定模型的范围,概化含水层空间结构及边界条件,然后将处理的水文地质参数和源汇项数据输入到模型中,最后进行设备和验证。

(4)本次建立的地下水溶质运移模型是在H维水流影响下的H维弥散问题,水流主方向和坐标轴重合,溶液密度不变,存在局部平衡吸附和一级不可逆动力反应,溶解相和吸附相的速率相等。根据研究区地下水流场情况,本研究盐分运移模拟选择准三维地下水流场的对流-弥散方程和定解条件求解:

c(x,y,0)=c

以上式中:c为含水层的污染物浓度(ML

(5)溶质运移模拟选用GMS软件包中的MT3D模块。在研究区内建立合适数量的监测井,采集水样检测所要研究的离子,使用Arcgis软件,选取克里金插值法,描述所研究的水样离子含量的空间分布特征。据前期在研究区所做的水样监测数据和运用的Arcgis软件所做的离子浓度分布图,因此选取合适的离子作为溶质运移因子,通过离子浓度分布图对研究区进行离子浓度分区,作为溶质运移的初始浓度,在模型中输入溶质运移参数。

(6)建立了地下水流-溶质运移耦合模型后,分析研究区的历年降雨量和开采量,确定具有代表性的降雨量和开采量输入到模型中,预测在未来不同情景下盐分的运移特征,探究在不同情景下浅层咸水对深层的影响情况,分析浅层咸水在垂直方向上的运移特征、不同降雨量对于深层淡水的影响程度、不同开采量对于深层淡水的影响深度以及弱透水层的厚度对于深层淡水的影响状况。

4附图说明

5具体实施方式

基于天津市自然科学基金(19JCQNJC08400),天津滨海咸水下移和地下水咸化机理与演变机制研究,预测未来研究区浅层盐水对水质的影响,为深层地下水的开发利用提出合理的建议,有助于人们预防地下水质量下降和地下水咸水引起的其他有关环境地质问题,提供一定的理论支持。

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