5.1.2具体划分步骤
(1)收集划分区水源地的基础材料,确定地下水水源地保护区的类型、规模及水文地质特征;
(2)应用原则及地下水水源地划分技术规范中经验公式计算出水源地保护区各级保护区半径。
5.1.3存在的问题
经验法是以井中水质为保护区划定的利用正确性的判断标准,以多年实践的实用分区界宽参数为基础的划分方法。该法具有较强的主观性,划分结果粗略,与实际地质条件脱离较大,常出现划定区域保护区强度过高或过低的现象,尤其对于复杂的水源地问题不能满足需要。
5.2数值模型法
模型计算法是通过利用岩土过滤机理的研究成果,根据研究区的区域地质、地貌、气象水文、介质空间结构、地下水位的连续性、边界与环境的输入输出以及其他水文地质条件,建立研究区的水文地质概念模型,进而建立数学模型,借助数学模拟软件,推算出保护区的范围,在我国这种方法尚处于研究阶段,实际应用于主要在国外,他们应用Visual MODFLOW,GMS,FEFLOW,等专业软件进行计算。
5.2.1理论基础
数值法的理论基础是地下水流动的数学模型、质点示跟踪模型和溶质运移模型。
(1)地下水流动的数学模型(MODFLOW、FEFLOW 等)—利用有限差分法或有限元法对研究区进行地下水数值模拟,建立地下水流动,在此基础上利用预测的源汇项对地下水流场进行预测。
(2)质点跟踪模型(MODPATH 等)—根据有限差分法,利用向前或向后示踪计算出流线分布和任意时间水质点的移动位置,用向后示踪法确定一个水源地的地下水补给源和补给通道,计算出从地下水补给区渗流至研究区所经历的时间[6]。
(3)溶质运移模型(MT3D 等)—将有限差分法、基于Eulerian-Lagrangian
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的粒子跟踪法和高阶有限体积TVD法三种常用的也运移求解技术结合起来,对地下水水源地水质的污染物迁移规律进行数值模拟,根据实际需要模拟和预报地下水水质变化,解决海水入侵等问题。
5.2.2具体划分步骤
根据已建立的地下水溶质迁移数学模型可对影响地下水水源地水质的污染规律进行数值建模,具体步骤为:
(1)建立研究区的水文地质概念模型:根据划分区的水文地质条件确定模拟区边界(模拟区的顶部、底部边界和周围边界)、计算目标的层内部结构及水利特征、模拟区的开采量、模拟时间及模拟的初始条件[7]。
(2)建立数学模型:根据水文地质概念模型对该区水文地质参数进行分区、对模拟区和模拟时间进行离散、确定汇源项。
(3)模型识别与验证:A.模型识别:选择汇源项较少的时段进行模型识别,利用数学模型,采用“反复试探”法拟合。B.模型验证:选出几个时段,将计算与实际观测值进行比较,对比点、剖面或整个区域的等水位线的拟合程度,一般要求曲线拟合的相对误差小于时段水位边幅的5%。
(4)用MODPATH 划分水源地保护区:运用识别后的数值模型,按划分保护区的时间标准运行预测地下水流场,同时结合MODPATH的质点示踪,划分地下水水源地的保护区。
例如:根据水文地质概念模型,假设本区地下水流动的模拟模型可化为非均质、各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流地下水流数学模型,用如下微积分方程的定解问题描述: ?控制方程
Ss?h???h????h????h???Ky???Ky???Kz??qs ???t?x??x??y??y??z??z?式中:
Ss—给水度?L?1?; h—水位?L?;
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Kx,Ky,Kz—分别为x,y,z方向上的渗透系数?LT?1? t—时间?T? qs—源汇项?T?1? ?初始条件:
h(x,y,z,t)=ho(x,y,z) (x,y,z)?? t=o 式中:
ho(x,y,z) —已知水位分布; Ω—模型模拟区域。 ?边界问题: 第一类边界:
h(x,y,z,t)|?1?h(x,y,z,t) (x,y,z)??1,t?o
式中:
?1—一类边界;
h(x,y,z,t)—一类边界上的已知水位函数 第二类边界:
k?h?n|?2?q(x,y,z)
(x,y,z)??2
式中:
?2—二类边界;
K—三维空间上的渗透系数张量; n—边界?2的外法线方向;
q(x,y,z,)—二类边界上已知流量函数。 第三类边界:
(k(h?z)?h?n)|?3?q(x,y,z)
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式中:
?—系数;
K—三维空间上的渗透系数张量; n—边界?3的外法线方向;
q(x,y,z,)—二类边界上已知流量函数。
采用加拿大WHI开发的有限差分法数值模拟软件Visual MODFLOW 求解数学模型。
5.2.3存在的问题
数值法是借助数学模型,利用实验数据,推出保护区的理论模型,再用此法对水源地保护区划分时,所需的条件较多、应用复杂、工作量较大,要求技术水平高。而且在建立概念模型的过程中需要先作出许多假设,而实际地质问题比假设问题复杂的多,实际情况与假设情况之间的差距影响了结果的可靠性。特别对于复杂的水文地质条件的水源地,由于概化而产生的误差将会很大,以此划分的保护区与实际的出入也会很大。故在国际上划分水源地保护区时,多采用经验法。
5.3两种方法的比较
经验法是数值模型法之前普遍采用的水源地保护区的划分方法,经过十几年的发展,已经十分成熟。该法具有很强的宏观性和主观性,有时甚至脱离实际地质环境条件,往往得出粗略的划分区域。
数值模型法可以解决多种地下水流的问题,如流线示踪,溶质运移,土壤水分的蒸发升腾,特别是近几年来,将MODFLOW于溶质运移模型软件结合起来,还可以用来解决诸多如海水入渗等地下水密度发生变化的问题,因此,能够很好地反映污染物的迁移规律,在此基础上较准确地划分水源地保护区,但是该法应用复杂水文地质条件的水源地,由于概化而产生的误差将会很大,以此划分的保护区与实际情况的出入也会很大。
由此可见,采用任何单一的方法都会不可避免地带来偏差,为了是误差尽量减小,应将以上两种方法结合起来解决实际问题。因为数值模型可以很好地反映出污染物迁移的规律,而经验法具有对区域条件控制的优势,使得道调参时不至
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于脱离实际。所以,两者的结合运用是一种有效地划分方法。具体做法是在数值模型之前应先用经验法粗略的确定范围,然后进行数值模型,对已划定的区域进行校正。当然,对于水文地质条件特别复杂的地区,由于概化时容易产生较大误差,数值模型法就没有优势,用经验法来划,反而更加接近实际情况。
6.案例分析:陕县地下水水源地保护区划分
6.1自然地理条件
6.1.1地理位置及经济概况
陕县位于河南省西部,西接灵宝,东联渑池,南依崤山与洛宁县毗邻,北临黄河与山西省平陆县隔河相望,处于东经110°01′–111°44′,北纬34°24′–34°51′之间。距三门峡市12公里,境域东西长62.25公里,南北宽48.8公里,总面积1763平方公里,陇海铁路、连霍高速、310国道横贯东西,三门峡黄河大桥、209国道联通山西省。处于晋、陕、豫三省交汇处,位置优越,交通十分便利。
陕县共13个乡(镇),分别是大营镇、原店镇、观音堂镇、西张村镇、张汴乡、张湾乡、菜园乡、张茅乡、王家后乡、硖石乡、西李村乡、宫前乡、店子乡。258个行政村,总人口34.83万人,其中非农业人口5.61万人,农业人口29.22万人。2011年,全县地区生产总值1273294万元,其中,第一产业151503万元,第二产业721903万元,第三产业399888万元。
6.1.2地形地貌
陕县地处豫西地台区的华熊上元拗褶带上,是华北地台的组成部分,又在秦岭纬向构造带的延支—崤山和黄河地埑之间,陕县在地质结构体系上还属“祁连山、吕清山、贺兰山”字形构造的前弧,又接中条山向东北偏转的地段,县境西部的温塘断裂和华山北麓断裂在延伸方向上又交会符合,因而地形结构复杂[12]。
陕县境内山峦重叠,沟壑纵横,丘陵起伏,塬川并存,地势南高北低,东峻西坦,呈东南向西北倾斜状,大体特征为“南山、东岭、西塬川、六山、三岭、一分平”。境内地形主要为山区、丘陵、平原和水域。
山区分为中山和低山,中山主要分布于县境南部,该区主要包括店子乡全部
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