羊莊盆地地下水硝酸鹽污染數值模擬研究

付曉剛 唐仲華 劉彬濤 藺林林 卜華 閆佰忠 張永禮

摘要：羊莊盆地地下水資源豐富，近年來盆地內地下水硝酸鹽污染呈加重趨勢。基于Visual Modflow軟件建立了盆地地下水水流與溶質運移數學模型，對羊莊斷塊地下水硝酸鹽的遷移與擴散進行了數值模擬，預測了5a和10 a后硝酸鹽在地下水中的分布狀況以及濃度變化趨勢。結果表明：在預測時段，地下水中硝酸鹽濃度呈明顯上升趨勢，模擬區硝酸鹽濃度較高的地區主要分布在轆轆井區域，在地下水動力場的影響下，硝酸鹽高濃度區域主要向西南方向擴展。氮肥的過量施用和盆地內養殖場糞便的隨意堆放是地下水硝酸鹽濃度持續增高的主要原因。

關鍵詞：數值模擬：Visual Modflow：硝酸鹽污染：羊莊盆地

中圖分類號：P641.8

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.020

羊莊盆地是滕州市乃至棗莊市地下水資源最為豐富的優質飲用水源區[1]，是滕州市和棗莊市新城區的城市供水水源地，地下水資源的開發為當地經濟發展和人民生活水平提高做出了重要貢獻，但是受人類活動影響，羊莊盆地地下水中硝酸鹽污染呈加劇趨勢。含硝酸鹽的水源對人體危害較大，可導致高鐵蛋白癥[2]，因此從供水安全角度出發，對羊莊盆地硝酸鹽的動態變化規律及影響因素進行全面分析研究顯得十分迫切。

影響地下水硝酸鹽動態變化的因素復雜，地下水數值模擬可綜合水文地質和T農業、生活污染等方面的數據，直接建立其相互間的聯系，使得人們能夠定量分析和預測含水層中硝酸鹽濃度的動態變化規律[3]。因此選用地下水數值模擬軟件Visual Modflow建立地下水流和溶質運移耦合模型[4]，對羊莊盆地地下水中硝酸鹽的遷移與擴散進行數值模擬，預測含水層中硝酸鹽濃度的變化，并對其主要影響因素進行系統分析，以期為地下水硝酸鹽污染控制提供依據。

1 研究區概況

羊莊盆地是大型山間構造盆地，地形總體上東北高、西南低，高程為50～ 600 m[1]。盆地四周較封閉，出口狹窄，以巖溶網絡為介質，具有輸水導水能力和一定調蓄功能，存在基本統一的水動力場，屬于典型的封閉式泉排型巖溶水系統。羊莊盆地由辛召斷塊、山亭斷塊和羊莊斷塊3個水文地質子單元組成[1，5-6]，受地形、地貌和地層巖性制約，盆地3個子單元間的水文地質條件差異較大。辛召斷塊、山亭斷塊2個子單元位于盆地中上游，多為基巖裸露的低山、丘陵、山間盆地等，地勢高，地形起伏大，地下水資源較為貧乏[1]。位于盆地下游的羊莊斷塊子單元，斷裂構造較多，巖溶發育程度高，富水性強，是整個盆地巖溶地下水循環徑流和富集儲存的主要場所，也是羊莊盆地水文地質單元的主體部分。

由于羊莊盆地內水質取樣點集中在羊莊斷塊，且盆地內的主要水源地集中在該斷塊，因此根據盆地地下水監測點位、主要污染源以及主要水源地分布情況，最終確定研究范圍為羊莊斷塊水文地質子單元。該子單元具有明確的邊界條件和完善的地下水補、徑、排、蓄條件，是一個相對獨立、較為完整的地下水子系統。大氣降水是該斷塊地下水的主要補給來源，總體徑流方向為由東北向西南，最終通過人工開采排泄。新薛河河谷穿越了整個羊莊斷塊，河水與地下水存在密切的互補互排關系[5，7]。

2 水文地質概念模型

為了建立地下水流及溶質運移數學模型，對實際水文地質條件進行概化，建立水文地質概念模型。根據實際水文地質條件和研究需要，將含水系統概化為非均質各向同性的二維非穩定流[8]。模擬范圍為羊莊斷塊水文地質子單元，總面積約134 km2，其邊界條件：西南及南部邊界為地表與地下水分水嶺相重合的隔水邊界：西部邊界中段和北段為化石溝隔水斷裂帶及地下水分水嶺組成的零流量邊界，南段為通過新薛河和第四系孔隙含水層向盆地外排泄的給定流量邊界[9]：東北和北部為以曹王墓斷裂為界的側向徑流補給邊界[9]；上邊界主要接受大氣降水、灌溉人滲補給以及新薛河補給和排泄：根據鉆孔資料統計，含水層大多集中在埋深220 m以上，其下巖溶發育微弱，因此將220 m埋深的巖層概化為隔水底板，即下邊界。

溶質運移模型主要考慮研究區農業施肥和養殖場污水及糞便淋濾水人滲引起的地下水硝酸鹽污染，因此將研究區的養殖場處理為污染點源。另外，由于農業生產施肥會導致地下水面源污染，因此在模型中根據已有農田分布情況，處理為凈補給溶質濃度。在溶質運移模型中，研究區北邊界處理為補給濃度邊界，東、西、南邊界均處理為零通量邊界。此次評價中蒸發濃度按0計算[10]。

3 數學模型始濃度；г1為給定濃度邊界；f（x，y，t）為г1邊界上的硝酸鹽濃度。

4 數值模擬

4.1 地下水流模型

利用Visual Modflow軟件進行地下水流數值模擬計算。選擇2013年5月26日至2016年9月26日的水位觀測資料對模型進行率定。水流模型經過多次運行、反復調整參數，最終使得觀測孔處計算水位和實測水位達到了最佳擬合[11]，見圖1。

最終研究區降水人滲補給系數劃分為6個分區，巖溶含水層滲透系數劃分為15個分區，分區情況見圖2、圖3，研究區1～6分區的大氣降水人滲補給系數分別為0.195、0.139、0.188、0.206、0.192、0.100，巖溶含水層水文地質參數見表1。

4.2 溶質運移模型

4.2.1 彌散系數的確定

水動力彌散系數是進行溶質運移計算的最重要參數。為了準確確定含水層的彌散系數，在羊莊盆地進行了地下水彌散試驗。試驗將七鉬酸銨作為示蹤劑，投源孔選擇曹王墓斷裂附近的莊里30號孔，投入七鉬酸銨75 kg。在下游南塘、侯莊、羊莊水源地布置了3眼觀測孔進行鉬酸根離子監測。彌散試驗投源井和觀測井位置見圖4。

試驗采用逐點求參法求取水動力彌散系數。取各觀測孔鉬酸根離子峰值時刻t1和各觀測孔鉬酸根離子檢出時刻t2及其對應的濃度C1、C2，利用下式計算縱橫向水動力彌散系數。式中：D_L為縱向彌散系數：t1為時刻1，即各觀測孔鉬酸根離子峰值時刻；t2為時刻2，即各觀測孔鉬酸根離子檢出時刻：x為觀測孔到投源孔的距離；C1為時刻tl時鉬酸根離子含量：C2為時刻t2時鉬酸根離子含量：u為地下水實際流速。

根據各觀測孔中示蹤劑濃度隨時間變化的監測數據，繪制各觀測孔示蹤劑濃度C與監測時間t的關系曲線，見圖5。地下水彌散系數計算參數見表2，地下水彌散度計算結果見表3。

4.2.2 模型硝酸鹽污染源強確定

研究區畜禽養殖場較多，大多分布在盆地周邊灰巖裸露丘陵地區，主要養殖豬、雞、鴨。這些養殖場污水、糞便就地排放、堆積，均未采取防滲措施，污水及糞便淋濾水人滲導致地下水出現明顯的點狀、帶狀硝酸鹽污染。從水樣分析來看，以往及現在較大的養殖場分布地段或其附近下游一帶，地下水均出現了明顯的硝酸鹽超標現象，養殖場規模越大、就地排泄物越多、持續時間越長，超標越嚴重。根據多年地下水污染源調查資料，取滲濾液硝酸鹽濃度的多年平均值60.0mg/L。鑒于畜禽養殖場常年污染地下水，因此將養殖場概化為連續補給的給定濃度點狀補給源賦值于模型中。

據調查，研究區農田主要種植小麥和玉米，化肥主要施用尿素和復合肥，施用量為1 500～1 800 k～（ hm2.a），土壤中硝酸根離子在30 mg/L左右。模型計算中將其向地下水輸送的硝酸鹽濃度設定為30.0 mg/L，按耕地分布范圍以面狀補給的形式賦值于溶質運移模型中。

4.2.3 溶質運移模型的識別

依據研究區已有實測水質數據，模擬期選2013年10月到2015年10月，其中以2014年10月硝酸鹽實測濃度場識別模型，以2015年10月硝酸鹽濃度場驗證模型。經過多次參數調整，最終使模型硝酸鹽計算濃度等值線與實測濃度等值線達到最佳擬合狀態，見圖6、圖7。最終確定的彌散度分區見圖8，彌散度共分為3個區，1～3區取值分別為34.2、12.3、5.6 m。

從圖6和圖7可以看出，研究區東南部硝酸鹽含量較高，并且呈放射狀向四周逐步遷移擴散。計算與實測硝酸鹽濃度等值線的整體擬合程度良好，說明溶質運移模型中的參數取值是正確的，所建立的模型能較真實預測研究區地下水中硝酸鹽濃度場的變化規律[12]。

5 研究區地下水硝酸鹽演化趨勢預測

用識別驗證后的模型，現狀各源匯項不變的情況下，預測5a及10 a后的硝酸鹽濃度等值線，見圖9～圖11。預測結果表明：在預測時段，地下水中硝酸鹽濃度呈明顯上升趨勢，模擬區硝酸鹽濃度較高的地區主要分布在轆轆井區域，在地下水動力場影響下，硝酸鹽高濃度區域主要向西南方向擴展。

6 結語

基于Visual Modflow軟件建立了地下水流與溶質運移數值模型，對羊莊斷塊地下水硝酸鹽的遷移與擴散進行了數值模擬，預測了10 a后硝酸鹽在地下水中的分布狀況以及濃度變化趨勢。

由硝酸鹽濃度預測結果可知，若不采取措施，羊莊盆地地下水中硝酸鹽濃度將呈增大趨勢，這主要是當地農民對氮肥的過量施用和盆地內養殖場糞便隨意堆放造成的。因此建議采取必要的措施控制農業施肥的面狀污染源，并對以往養殖場發生過污染的場地進行土壤和地下水污染修復，以削減殘留污染物對地下水可能造成的二次污染。根據預測結果可知，轆轆井區域地下水中的硝酸鹽長期存在濃度較高的現象，主要原因是該處以往建有多個規模較大的養殖場，雖然這些對地下水產生污染的養殖場已于2010年前后被清理拆除，但當時未進行必要的土壤修復，而完全靠含水層自身凈化修復需要一個很長的時間過程。為此，建議在地下水受到明顯污染的地區，盡快采用人工修復方式降低污染組分的含量。

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