MODFLOW模拟技术在水源地保护区划分中的应用

张子涵

(山东农业大学，山东 泰安 271018)

水是最重要的资源，人类的一切活动都离不开水的支撑。虽然目前我国已经成为全球第二大经济体，但这是在“高能耗、高污染、高排放”基础上实现的。据统计，我国超过90%的城市水域污染严重，每年因水污染造成的经济损失高达2400亿元。因此在保证各行业正常运行的前提下，必须做好水源地划分和保护工作，而目前应用较为广泛的是MODFLOW模拟技术。

1 模拟区域概况

本文所选择的模拟区域位于某市机场附近，划定模拟区域尺寸为：长×宽=2km×2km，模拟层数为3层，从上至下依次为：浅砂层(砂砾含水层)、黏土半透水层、深砂层(砂砾含水层)(模型示意图如图1所示)。模拟场的污染源为飞机燃料补充区，保护区为城市供水水源地，2者中间分布有一个半透水地层。

图1 模拟区域水文地质模型(单位：m)

2 地下水源保护区划分方法

目前，主要依据水文地质条件来划定地下水源保护区范围，需要掌握的资料包括含水层特性、地下水通道、污染物的迁移等。根据国内外的经验和标准，将地下水保护区分为3级：一级保护区、二级保护区和准保护区[1]。

(1)一级保护区。地下水保护区的主要划定依据时地下水运动规律，当然这些规律时通过当地水文地质条件推断出来的。相关规范规定：按照地面的细菌和污染物渗透到地下水源所用时间在60d以内的区域统一划定为地下水源一级保护区。该区域是保证地下水安全的最敏感地带，如果该区域被污染，则容易造成大范围地区缺水问题，该区域能暂时保证用水安全。

(2)二级保护区。在一级保护区以外的一定范围内，将其称为二级保护区，一般地下水水源的补给区均分布于该区域，所以其重要性也很大。污染源通过二级保护区进入的一级保护区，会在中途的被土壤及水分子的吸附作用稀释很大一部分，因为对保护水源地安全意义重大。相关规范规定：二级保护区地下水运移时间范围一般设定为10a，在这个范围内的区域统称为二级保护区[2]。

(3)准保护区。在二级保护区以外的一定范围内设置准保护区，其主要作用是防止污染物过快进入二级保护区，主要保护对象为集水区，范围内采空层地下水流入采空井群。相关规范规定：将污染物在地下水中移动25a的范围作为准保护区域范围[3]。

3 MODFLOW模拟技术的应用分析

MODFLOW是美国地质调查局在20世纪80年代开发的一种用于地下水流数值模拟的三维有限元分析软件，采用模块化原理，可模拟的地下水流场和不同时间水力截流区来划分水源保护区。在此规定：污染物向水源中心移动100d和1000d的捕获区分别设为一级保护区和二级保护区，二级保护区外的地下水补给区设为准保护区。

3.1 模拟区域边界及水文地质参数的确定

3.1.1模拟区域边界确定

(1)上部含水层。模拟区的上部含水层为潜水含水层，均值各向同性。南部有河流，设计南北边界均为给定水头边界，其中南部边界给定水头6m，北部边界给定水头5.2m。上部含水层的东西部均为流量边界[4]。

(2)下部含水层。模拟区的下部含水层为承压含水层；均值各向同性；南北为给定水头边界，其中南部边界给定水头为18m，北部边界给定水头为16.5m；东西部方向为给定流量边界抽水井P1和P2，取水量分别为400、550m3/d。

3.1.2模拟区域水文地质参数确定

将模拟区剖分为900个有效单元格，每个单元格尺寸为30m×30m,垂向上为3层。根据水文地质概念模型，设计第一层为砂岩，第二层为泥岩，第三层为砂岩。其中水文地质初始参数取值见表1，最终确定的溶质运移模型参数见表2[5]。

表1 区域水文地质参数取值表 单位：m/d

表2 溶质运移模型参数表

3.1.3建立溶质运移模型

(1)调用MODPATH，在燃料堆放地中投入示踪剂。进行初始化设置，定义溶质运移的单位。

(2)对溶质运移基本程序进行设置，包括：溶质运移模拟描述、运移程序包选择、定义组分、溶质运移问题描述、模拟期、输出控制、初始浓度、孔隙度等的定义或输出[6]。

(3)在MAP模块中建立溶质运移概念模型，包括：纵向弥散度、孔隙度、补给浓度赋值。其中体积密度为1700kg/m3，补给浓度为500.0mg/L。

(4)在3D模块中对于对流弥散程序包进行设置。定义横向弥散度与纵向弥散度的比值，垂向弥散度与纵向弥散度的比值。

(5)将概念模型导入MT3DMS中，模拟运行与结果查看。

3.2 模型运行及结果分析

3.2.1燃料堆放区污染物运移情况分析

模拟区域附近机场的燃料堆放区是本项目模拟的主要污染源，水动力场是带动污染物迁移的主要动力。污染物位于模拟区的正北方，而水动力场时由北向南分布，因此污染物的运动方向也是逐步向南扩散。在此选取100、1000、7300d三个时间段对污染物扩散区域进行模拟[7]。

3.2.2模拟结果分析

图2—3展示了模型运行100、1000、7300d三个不同时段下地下水中污染物的迁移扩散情况。从图中可知：①污染物的迁移方向逐步由北向东南部扩散，污染源逐步扩大。其中1000d的范围是100d的1.29倍左右，7300d的范围是100d的3.26倍左右，见表3；②在地下水稀释作用下，随着污染物扩散范围越广，最高浓度逐步降低[8]。

表3 机场燃料堆放区污染物运移结果

图2 第100d(上)和1000d(下)污染物运移情况

图3 第7300d污染物运移情况

3.2.3模拟区水源地保护区划分

在此参考《饮用水水源保护区划分技术规划》，并综合我国多地区相似情况的均值，确定水源地一、二级保护区的降解时间分别为100、1000d[9]。

本项目利用“示踪粒子跟踪法”确定了该模拟区域地下水运动迁移情景，并以此确定相关地下水保护区域，如图4所示[10]，本项目划定的各保护区划分面积见表4。

表4 水源地保护区划分结果

图4 示踪粒子100、1000d运移轨迹图

4 结语

水源地保护区的划分对于保证当地地下水水质安全有着重要意义，MODFLOW模拟技术可以在宏观上给出污染源在一定时间内的扩散范围，作为理论参考值。MODFLOW模拟技术的应用步骤文章已经详细阐述，其中建立模型是首要步骤，应当紧密结合当地实际情况。但在此需要特别说明：由于当前模拟技术是根据事先给定的限定条件进行演示，因此缺少水文地质条件在实际情况中复杂性和动态性，并不能完全将模拟结果作为最终参考对象。本项目区模拟得到了各级保护区面积，在实际中还需要修定，但遵循的原则是宁可范围扩大，也要避免缩小。