大沽河下游地区地下水氯离子时空变化特征与调控的数值模拟

论文摘要

海水入侵是沿海地区发生的普遍现象,是由于人类超量开采地下水,引起地下水位大幅度下降,破坏了原有的咸淡水之间的水动力平衡,导致海水侵入内陆淡水含水层的现象。青岛市大沽河流域自1976年开始,经历了连续几年的干旱,为缓解用水危机,在大沽河两岸大量开采地下水向市区供水,造成地下水位持续下降,引发了严重的海水入侵现象。为控制海水入侵,1998年在下游麻湾庄地区修建了地下截渗墙,在阻止海水向内陆的侵入的同时,也在截渗墙北侧残留了一定区域的咸水体,严重影响当地人民的生产和生活。本文以大沽河下游为研究区,面积为1283 km~2,在收集研究区的气象、水文、土壤和水文地质等资料基础上,结合对土壤含水量、地下水的野外监测,构建了研究区水文地质概念模型,进而建立了研究区二维非稳定地下水流和氯离子运移数学模型。利用GMS软件中的MODFLOW和MT3DMS模块对数学模型求解,以2017年3月至7月作为模型的识别期,2017年8月至2018年7月作为验证期,通过对观测值与计算值的拟合对模型进行了识别和验证,并以氯离子浓度250 mg/L作为咸淡水的界线,利用该模型模拟了多种预设情景下氯离子浓度变化与咸水体的分布情况。主要结论如下:(1)模型识别期内7个观测孔地下水位拟合结果的RMSE在0.09~0.31 m之间,验证期内RMSE在0.18~0.65 m,拟合效果较好。所建立的模型可以较好地再现含水层结构及地下水流系统特征,参数的设置合理。通过模型计算出识别期内大气降水补给量为5547万m~3,含水层储量增加924万m~3;验证期内补给量为13177万m~3,储量增加3967万m~3。(2)在验证后的水流模型基础上建立了氯离子运移数值模型,其识别期RMSE在7.2~13.06 mg/L之间,验证期RMSE在4.46~23.43 mg/L,说明所建立的氯离子运移模型是可靠的。现阶段研究区内咸水体的分布面积为195 km~2,约占研究区面积的15%。可以应用该模型开展不同情景下氯离子浓度的预测,以便为减少海(咸)水入侵面积,科学防治海(咸)水入侵提供理论依据。(3)建立了6个监测点在2017、2018年土壤含水量与深度、时间关系的二元三次回归方程,RMSE在0.037~0.065 cm~3/cm~3之间,所求回归方程可较好地反映出监测点土壤含水量随时间、空间的动态变化特征,各监测点之间、不同年份之间土壤含水量变化并不完全一致,大部分监测点土壤含水量随时间变化先减少、而后增加、最后再减少,随深度变化先增加后减少。将田间持水量与各监测点不同深度最小含水量进行了对比,除个别深度外,6个监测点土壤含水量最小值均大于田间持水量,大部分的水贮存于土壤中,没得到充分利用。为此计算了作物需水量,结合降雨信息,设计了节水灌溉方案,相比于传统灌溉模式,在模拟期末,地下水位上升了约0.2 m,约节水1773万m~3;氯离子浓度下降幅度较大,咸水体的面积为190.32km~2,与实测相比约减少了3%。(4)根据建立的氯离子运移数值模型对现状开采下、四种预设情景氯离子及咸水体的分布进行了调控。方案一对不同水文年氯离子的运移进行了模拟计算,丰水年、平水年和枯水年的咸水体分布面积分别为185.92、190.70和202.13 km~2;方案二以多年平均降雨量作为补给量、地下水保持现状开采、模型运行五年后氯离子浓度变化及咸水体分布,模拟期末地下水中氯离子含量明显降低,咸水体面积为165.29km~2,减少了约15%;方案三模拟了研究区内河流在雨季形成径流对地下水产生补给的情景,经计算,河流渗漏补给量约为972.65万m~3,咸水体面积为189.21 km~2,减少了3%;方案四为减少咸水体的面积,预测了连续抽取地下咸水的情景,共布设了47口抽水井,合计开采2719.25万m~3。在抽咸初期,效果并不明显,9个月后,咸水体面积仅减少了2 km~2,自第10个月后咸水体面积有了明显的减少,之后以大约10 km~2/月的速度减少,12个月后咸水体面积为164.09 km~2,取得了良好的效果。

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第一章绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 地下水问题的数值模拟

1.3 海（咸）水入侵研究

1.3.1 海水入侵概念及判别指标

1.3.2 国外海水入侵研究

1.3.3 国内海水入侵研究

1.4 主要研究内容及技术路线

第二章实验方法与材料

2.1 研究区概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 气候特征

2.1.3 水文条件

2.1.4 水文地质条件

2.2 地下水位-水质监测

2.2.1 地下水位监测

2.2.2 地下水质监测

2.3 土壤基本物理性质的测定

2.3.1 土壤粒径分析

2.3.2 土壤容重

2.3.3 土壤含水量

2.3.4 土壤其他物理性质

2.3.5 土壤含水量时空变化规律

2.4 GMS软件介绍

第三章大沽河下游地区地下水流-水质数值模型

3.1 研究区水文地质概念模型

3.1.1 研究区范围及边界条件概化

3.1.2 含水层内部结构

3.1.3 源汇项概化

3.1.4 水文地质参数分区

3.2 地下水流数值模型

3.2.1 数学模型的建立

3.2.2 数学模型的求解

3.2.3 水流模型的识别结果

3.2.4 水流模型的验证结果

3.3 地下水氯离子运移的数值模拟

3.3.1 氯离子运移数学模型

3.3.2 氯离子运移参数的选取

3.3.3 氯离子运移模型的识别

3.3.4 氯离子运移模型的验证

3.4 本章小结

第四章节水灌溉方案及咸水体调控

4.1 土壤含水量动态变化特征研究

4.1.1 监测点土地利用类型及土壤质地分析

4.1.2 土壤含水量回归方程的建立

4.1.3 土壤含水量时空分布等值线

4.2 研究区作物需水量研究

4.2.1 监测点不同深度田间持水量计算

4.2.2 冬小麦-夏玉米不同生育期需水量的计算

4.2.3 节水灌溉方案研究

4.3 节水灌溉模式下地下水水位及氯离子含量的预测

4.3.1 节水灌溉后地下水位的变化情况

4.3.2 节水灌溉后氯离子浓度的变化情况

4.4 本章小结

第五章不同预设情景下地下水氯离子运移的数值模拟

5.1 不同水文年氯离子运移的预测

5.2 多年平均降雨量时氯离子运移五年预测

5.3 河流渗漏补给作用下氯离子运移的预测

5.4 连续开采情况下氯离子运移的预测

5.5 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 不足与展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 辛祥

导师: 徐绍辉

关键词: 地下水,数值模拟,氯离子运移,大沽河下游地区

来源: 青岛大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学,地质学

单位: 青岛大学

基金: 国家重点研发计划项目(2016YFC0402807),国家自然科学基金项目(41571214)

分类号: P641.2;P731.2

DOI: 10.27262/d.cnki.gqdau.2019.000756

总页数: 81

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