摘要：本文運(yùn)用GMS軟件，以巨淀湖濕地及其周邊區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，建立了地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，并進(jìn)行模擬預(yù)測。結(jié)果表明：研究區(qū)地下水位觀測資料與水流模型的模擬水位擬合結(jié)果較好。硝酸鹽污染質(zhì)主要集中在研究區(qū)南部區(qū)域，典型污染質(zhì)遷移中以橢圓傘狀由污染源處向研究區(qū)中部擴(kuò)散遷移，在漏斗區(qū)產(chǎn)生聚集。污染質(zhì)運(yùn)移中不同濃度區(qū)間確定的影響范圍隨時(shí)間推移增加的速率在減小，到一定時(shí)間趨于穩(wěn)定。該研究為濕地生態(tài)系統(tǒng)的污染防治提供依據(jù)，為黃河流域濕地的保護(hù)修復(fù)提供了范例。

關(guān)鍵詞：地下水；硝酸鹽；溶質(zhì)運(yùn)移；GMS

中圖分類號(hào)：P641.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2025.03.002

0引言

地下水是全球淡水資源中重要的組成部分，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要水源［1］。近年來，隨著工業(yè)化發(fā)展迅猛，大量地下水受到污染［23］。其中工業(yè)廢物、農(nóng)業(yè)污染物、大量的肥料致使硝酸鹽造成地下水污染［48］，成為地下水中的主要污染物之一［9］。硝酸鹽的污染導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化，進(jìn)而影響城市環(huán)境［1011］，嚴(yán)重影響地下飲用水安全，會(huì)危害人體健康［12］，亟需引起重視。

眾多學(xué)者應(yīng)用GMS軟件建立地下水流數(shù)值模型，分析了地下水流場變化特征，模擬污染物在地下水中的遷移規(guī)律。齊歡等［13］利用GMS軟件建立趵突泉泉域的地下水流數(shù)值模型，探究了玉符河人工補(bǔ)源對趵突泉泉域的影響。萬平強(qiáng)等［14］對某磷礦開采區(qū)域地下水建立水文地質(zhì)模型，建立了沉淀池防滲措施無法正常工作情況下研究區(qū)地下水中總磷運(yùn)移模型，對防止磷礦開采區(qū)下游地下水總磷超標(biāo)有重要意義。李明等［15］通過建立地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，分析了不確定性因素補(bǔ)給量、含水層滲透系數(shù)和抽水量對污染場地地下水中砷運(yùn)移的影響。王鴻等［16］采用GMS軟件建立了地下水?dāng)?shù)值模擬模型，展示研究區(qū)的地層結(jié)構(gòu)與地下水分布情況。趙亞輝等［17］模擬分析遺留場地地下氨氮污染物的遷移規(guī)律，對抽水方案起到明顯的優(yōu)化效果。楊加明等［18］通過GMS軟件建立氨氮污染物的溶質(zhì)運(yùn)移模型，并預(yù)測氨氮的物理位置特征及遷移規(guī)律，得出對流作用對氨氮的運(yùn)移起決定性作用。高孟寧等［19］基于GMS軟件的MODFLOW和MT3DMS模塊模擬分析污染物中模擬預(yù)測因子在各種工況條件下運(yùn)移路徑、影響范圍及濃度分布情況，預(yù)測其引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。喻佳等［20］利用GMS中的FEMWATER模塊對研究區(qū)域進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，說明了建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)行對飽和—非飽和帶地下水環(huán)境的影響。

本文以巨淀湖濕地及其周邊地區(qū)為研究區(qū)域，以硝酸鹽為模擬對象，運(yùn)用GMS軟件建立三維地質(zhì)模型，并在此基礎(chǔ)上搭建了溶質(zhì)運(yùn)移模型。全面分析了巨淀湖濕地污染現(xiàn)狀，預(yù)測了一定年限內(nèi)污染物的運(yùn)移規(guī)律。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于魯西北平原區(qū)東部，地勢西南高、東北低，呈扇狀向海微傾，地勢低平。區(qū)域地面坡降約為1/8 000（圖1）。多年平均降水量591.9 mm，年降水量分布不均。工作區(qū)均為堆積平原區(qū)，根據(jù)堆積物成因類型分為山前沖洪積平原和濱海海積平原。西南部主要由河流洪積、沖積而成，東北部過渡為濱海平原，微向萊州灣傾斜，東北部海岸、潮間帶主要為緩慢淤進(jìn)或沖積的粉砂、淤泥質(zhì)海岸。區(qū)域大地構(gòu)造單元處于華北板塊（Ⅰ）、華北坳陷（Ⅱ）、濟(jì)陽坳陷（Ⅲ）、東營凸陷（Ⅳ）之廣饒凸起及牛頭鎮(zhèn)凹陷（Ⅴ）處。凹陷單元以北斷南超的箕狀構(gòu)造形態(tài)出現(xiàn)，并且上部層位常逐層超覆下部層位，反映坳陷形成以來，沉降盆地面積逐漸擴(kuò)大，沉積了巨厚的新近系及第四系。

研究區(qū)被巨厚沉積層覆蓋，地下水均為松散巖類孔隙水，根據(jù)含水層埋藏深度及時(shí)代的不同，可劃分為第四系松散巖類孔隙水和新近系松散巖類孔隙水兩大類。區(qū)域上均被第四系覆蓋，受沉積環(huán)境、古地理、古氣候、地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，含水層在垂向上的巖性、分布形態(tài)和發(fā)育程度存在著差異，導(dǎo)致地下水儲(chǔ)存條件、水力性質(zhì)、水化學(xué)條件、富水性及地下水動(dòng)態(tài)等水文地質(zhì)要素發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)含水層的巖性組合、分布、埋藏深度、水質(zhì)和地下水開發(fā)利用狀況，又將含水層細(xì)分為淺層、中深層松散巖類孔隙水。

地下水水位動(dòng)態(tài)的變化主要受大氣降水和開采量2個(gè)因素的影響，水源地地下水位動(dòng)態(tài)受開采量影響比較明顯。根據(jù)含水巖層的巖性、巖性組合及其富水性等特點(diǎn)，地下水垂直方向上由淺到深分為潛水—淺層微承壓水、中深層承壓水、深層承壓水。

研究區(qū)地表巖性以粉質(zhì)黏土為主（圖2）。地下發(fā)育有粉砂質(zhì)巖層孔隙水含水層，含水層顆粒由南向北逐漸變細(xì)，厚度逐漸增厚，因此將含水層概化為非均質(zhì)各向異性含水層。根據(jù)巖性、含水層埋藏條件和地下水賦存條件，將潛水和微承壓水統(tǒng)一概化為淺層含水層組，半承壓和承壓水概化為深層含水層組，潛水和承壓含水層中間分布著弱透水的粉土層，上下含水層以越流的形式發(fā)生微弱的水力聯(lián)系。

2地下水流場數(shù)值模擬

2.1數(shù)學(xué)模型

2.2基本參數(shù)及邊界條件

利用不同鉆孔抽水試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果，通過大量的數(shù)據(jù)處理求得滲透系數(shù)K，研究區(qū)滲透系數(shù)取值范圍為1～295 m/d，按照不同的城區(qū)分布和含水層巖性劃分。富水性較差，含水層顆粒較細(xì)的地區(qū)，K值較小；富水性較好，含水層顆粒較粗的地區(qū)，K值較大。湖區(qū)周圍沉積層松散，滲透系數(shù)最大。滲透系數(shù)分區(qū)情況和取值情況如圖3和表1所示，其中含水層垂向滲透系數(shù)是水平方向的1/10。研究區(qū)的給水度取值范圍為0.12～0.25，取值情況如表1所示。

根據(jù)對研究區(qū)水文地質(zhì)條件的分析，將東邊界和北邊界設(shè)置為流入邊界，將西邊界和南邊界設(shè)置為流出邊界。模擬上邊界為淺層含水層自由水面，通過該邊界，潛水與外界發(fā)生水量的垂向交換，如接受灌溉入滲補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給等。本次模型的底部邊界為第四系松散層底界，處理為隔水邊界。

2.3模型的識(shí)別與驗(yàn)證

應(yīng)用Groundwater Modeling System（GMS）軟件中的Solid模塊、Modflow模塊、MT3DMS模塊，開展了復(fù)雜的地下水流動(dòng)及溶質(zhì)運(yùn)移模擬。Solid模塊主要用于地下水系統(tǒng)的三維地質(zhì)建模。Modflow基于有限差分法求解控制方程，具有程序結(jié)構(gòu)模塊化、離散方法簡單化的特點(diǎn)，可處理層缺失和復(fù)雜的邊界條件。MT3DMS是用于模擬地下水系統(tǒng)中溶質(zhì)運(yùn)移的模塊，它基于對流—彌散方程，能夠模擬多種溶質(zhì)在地下水中的遷移和轉(zhuǎn)化過程。首先利用Solid模塊建立了研究區(qū)三維地質(zhì)概念模型（圖4），然后將其轉(zhuǎn)化為MODFLOW模型。

研究區(qū)內(nèi)共設(shè)6個(gè)長期監(jiān)測井，其中淺層地下水監(jiān)測井4個(gè)，深層地下水監(jiān)測井2個(gè)，其位置分別如圖5所示。選擇2023年2—8月為模型的識(shí)別驗(yàn)證階段（圖6）。不同時(shí)間下模擬水位在實(shí)測水位的擬合較好，模擬水位在實(shí)測水位存在誤差，但在合理范圍內(nèi)。本次構(gòu)建的水流模型擬合較好，參數(shù)分區(qū)和參數(shù)值的選取能較真實(shí)地反映實(shí)際的水文地質(zhì)條件，因而模型識(shí)別取得了較好的結(jié)果。水位擬合良好，計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，這說明識(shí)別期所建立的數(shù)值模型能夠反映研究區(qū)的地下水流場的實(shí)際情況，模型流場可以正確反映實(shí)際地下水流態(tài)，達(dá)到模擬要求。

2.4結(jié)果分析

根據(jù)GMS地下水流場數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果，檢驗(yàn)期內(nèi)均衡量校核結(jié)果如表2所示，數(shù)值模型流入總量為547 987.83 m3/d，流出總量為547 988.10 m3/d，誤差為0.000 048%，可以忽略不計(jì)，符合地下水均衡的原則。

選取2023年6月的統(tǒng)測結(jié)果為初始流場、2023年為模擬校準(zhǔn)期（選定該時(shí)間段主要是因?yàn)橛羞@一段時(shí)間的長序列數(shù)據(jù)來為模型進(jìn)行校準(zhǔn)）、2023—2030年為模擬預(yù)測期，圖7展示了以上3個(gè)階段的流場分布，其中預(yù)測期分別展示了2025年和2030年的流場變化趨勢。

3地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型

影響地下水污染質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的因素復(fù)雜，地下水?dāng)?shù)值模擬可綜合水文地質(zhì)和工農(nóng)業(yè)、生活污染等方面的數(shù)據(jù)，直接建立其相互間的聯(lián)系，使得人們能夠定量分析和預(yù)測含水層中各污染質(zhì)濃度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。因此選用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Modflow建立地下水流和MT3DMS溶質(zhì)運(yùn)移耦合模型［21］。

通過建立地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型，分析預(yù)測硝酸鹽污染的模擬值以及2025年、2030年、2035年以及2040年地下水硝酸鹽污染變化，模擬結(jié)果見圖8。

如圖8所示，研究區(qū)地下水中硝酸鹽污染質(zhì)整體遷移方向是從以研究區(qū)西南部臺(tái)頭鎮(zhèn)和東南部紀(jì)家橋子村、牛頭四村附近為中心污染源沿著地下水流方向擴(kuò)散運(yùn)移的，最終逐步在地下水漏斗區(qū)處進(jìn)行匯聚。從圖中可以看出研究區(qū)西南部臺(tái)頭鎮(zhèn)為中心的污染源其源濃度逐漸降低，這可能是由于在該區(qū)域內(nèi)地下水水位梯度變小，導(dǎo)致污染源向鎮(zhèn)內(nèi)（即研究區(qū)往西方向）移動(dòng)。從圖8a中可以看出，污染已從污染源向研究區(qū)北部不斷擴(kuò)散。經(jīng)過多年的污染擴(kuò)散，在2040年（圖8d），以紀(jì)家橋子村、牛頭四村附近為中心污染源其污染物已經(jīng)在研究區(qū)內(nèi)擴(kuò)散開來，污染物呈現(xiàn)往研究區(qū)中部進(jìn)一步擴(kuò)散現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況的原因是：研究區(qū)中部處在降落漏斗處，而其東南和西南2個(gè)污染源硝酸鹽濃度最高，污染質(zhì)會(huì)隨著地下水的運(yùn)移而擴(kuò)散，這也表現(xiàn)了地下水硝酸鹽在降落漏斗處不斷匯聚。硝酸鹽基本影響范圍為臺(tái)頭鎮(zhèn)、東南部紀(jì)家橋子村、牛頭四村附近區(qū)域，集中在巨淀湖湖區(qū)南部區(qū)域。

4結(jié)論

（1）本研究在充分調(diào)研巨淀湖湖區(qū)及其周邊區(qū)域地質(zhì)背景、水文地質(zhì)信息以及前期其他研究成果的基礎(chǔ)上，通過GMS地下水環(huán)境模擬軟件中的Modflow模塊計(jì)算分析了巨淀湖湖區(qū)地下水動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

（2）利用GMS軟件建立了巨淀湖湖區(qū)及其周邊區(qū)域的含水層實(shí)體三維可視化模型。通過GMS中Solid→Modflow命令得到地下水水流數(shù)值模型，水流數(shù)值模擬擬合結(jié)果較好。研究區(qū)地下水存在明顯漏斗區(qū)，其位置主要為巨淀湖湖區(qū)所處位置，隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)范圍擴(kuò)大，漏斗降落梯度變小，漏斗中心處地下水水位變高的趨勢，漏斗區(qū)整體向西南方向產(chǎn)生遷移趨勢。利用GMS軟件MT3DMS模塊，建立了巨淀湖湖區(qū)及其周邊區(qū)域的典型污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬模型。

（3）對研究區(qū)進(jìn)行污染質(zhì)地下運(yùn)移及空間演化分析，發(fā)現(xiàn)硝酸鹽典型污染質(zhì)遷移中以橢圓傘狀由污染源處向研究區(qū)中部擴(kuò)散遷移，分析結(jié)果是根據(jù)地下水運(yùn)移規(guī)律，在漏斗區(qū)產(chǎn)生聚集。從污染質(zhì)遷移非均勻推進(jìn)和污染源附近，污染暈外緣呈有鋸齒狀，反映了污染質(zhì)在地下水中遷移為由非連續(xù)的點(diǎn)向點(diǎn)遷移，不斷逐漸運(yùn)移擴(kuò)散至面狀，不斷形成面狀的污染點(diǎn)又成為新的擴(kuò)散源，繼續(xù)受地下水對流彌散向地下水縱向和橫向遷移。污染質(zhì)運(yùn)移中不同濃度區(qū)間確定的影響范圍隨時(shí)間推移增加的速率在減小，到一定時(shí)間趨于穩(wěn)定，髙濃度區(qū)間確定的污染范圍通常運(yùn)移數(shù)年在地下水水動(dòng)力作用下達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)，低濃度區(qū)間確定的影響范圍則隨地下水運(yùn)移會(huì)不斷擴(kuò)大，其增長速率逐漸減小。

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Pollutants in Groundwater Based on GMS

FENG Keyin WEI Maojie JIA Chao ZHANG Bo ZHAO Yunqing WANG Jinxiao LV Peilu

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center， Shandong Ji'nan 250014，China; 2.Yellow River Delta Land Use Safety Field Scientific Observation and Research Station of the Ministry of Natural Resources， Shandong Ji'nan 250014，China;3. Institute of Marine Science and Technology， Shandong University， Shandong Qingdao 266237，China；4.No.801 Hydrogeological and Engineering Geological Institute of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Shandong Ji'nan 250014，China）

Abstract： In this paper， by using GMS software， taking Judian Lake Wetland and its surrounding areas as the study area， a groundwater flow and solute transport model has been established， and simulation prediction has been conducted. It is showed that the groundwater level observation data in the study area and the simulated water level of the water flow model have good fitting results. Nitrate pollutants are mainly concentrated in the southern part in the study area. In the typical migration of pollutants， they diffuse and migrate from the pollution source to the middle of the study area in an elliptical umbrella shape， and gather in the funnel area. The rate of increase of the influence range determined by different concentration intervals in the migration of pollutants is decreasing over time and tends to be stable after a certain period of time. This study will provide a basis for the pollution prevention and control work of the wetland ecosystem. It will also provide a model for the protection and restoration of wetlands in the Yellow River Basin.

Key words： Groundwater; Nitrate; solute transport; GMS