CN113239598B - 一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法 - Google Patents

一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，步骤一、边界概化；步骤二、插值获得初始水头和底板标高；步骤三、确定源汇项；步骤四、进行含水层渗透系数系数分区；步骤五、建立了地下水流模型；步骤六、进行模型校准；步骤七、反演地下水流迹线；步骤八、在空间上识别地下水确切的污染源。本发明通过模拟软件的应用，可更具代表性的表征，与地下水污染源有关的地下水流的流动，利于针对性区域化研究地下水污染来源；本发明通过追踪地下水水流迹线，逆向研究存在地下水污染的地下水的流动迹线，可精准视化的进行溯源工作；通过地下流水迹线的划分与地面上污染源类型、土地类型以及地质条件等情景进行空间上的精准分析。

Description

一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法。
背景技术
地下水因其分布广泛的特点，被用于生活用水、农业灌溉、工业生产等。由于农业化肥施用，生活、工业废水的处理不当，导致硝酸盐进入地下水产生污染。地下水硝酸盐污染问题，已经为许多国家和地区地下水的主要污染，受到广泛的关注，污染程度仍呈不断上升趋势。
地下水一旦污染，其治理代价非常大。尤其地下水硝酸盐污染，非常复杂，通过水文资料及调查数据，很难对地下水污染源排放位置进行溯源。因此，治理地下水硝酸盐污染，最根本的解决办法就是找到硝酸盐的污染来源，从根源上减少NO3 -向地下水的输送。所以查明NO3 -的污染来源、精准识别其污染的源头排放场地及时间是控制、治理地下水NO3 -污染的重要前提。
现有的，利用水质解析法对地下水化学特征进行分析，可以判断出当地地下水的水质情况，但无法精确的识别其污染来源。氮氧稳定同位素技术结合定量解析模型可以实现地下水硝酸盐的污染来源类别识别并计算出各污染源贡献比例，但同样无法实现地下水硝酸盐污染空间识别。
此外，地下水硝酸盐污染来源多样，迁移转化情况复杂，一旦受到污染，修复治理成本很高。因此，对硝酸盐污染源头进行防控非常重要，精准识别硝酸盐污染来源的种类及位置，将对地下水硝酸盐污染源控制和治理工作提供重要技术支持。
发明内容
本发明提供了一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，用以解决结合数值模拟追溯地下水中污染源、结合水流迹线和地面产生污染源的净空精准确定污染源产生点以及更加精确的表征不同时期和地质下污染源的变化过程等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，研究区包含山间盆地水文地质区，且区域内地下水补给来源包含有河流径流补给、大气降水、山前径流补给和灌溉回渗；
步骤一、根据研究区地质构造及地下水的流动特征，建立GMS地下水模型，首先进行研究区边界概化；研究区为山区和平原区交界地带接收山前地下水补给的，定义为定流量边界；边界分别为盆地地下水流入和流出边界的，定义为定水头边界；地表河定义为河流边界：
步骤二、分析已有水文地质剖面图及钻孔资料，结合地下水的开采利用现状及第四系岩性分布特点，根据浅层地下水贮存介质特征、含水空隙的类型，将含水岩层组在垂向上概化层数，根据已有地表高程等值线及高程点位数据，结合钻孔数据，插值获得初始水头和底板标高；
步骤三、确定源汇项，地下水来源包含接受降雨、山区侧向补给、河流补给；排泄方式为蒸发和人工开采；根据不同地质条件，对边界进行划分，根据地下水位数据，应用达西定律计算得到边界侧向流量数值；河流按实测水位设定水头取值及底板高程，并计算河流入渗系数；
步骤四、根据该区的水文地质条件和地形资料，结合钻孔数据和抽水试验数据，对研究区进行含水层渗透系数分区，根据岩层属性，垂向渗透系数通过水平渗透系数表示；
步骤五、根据研究区的水文、地质条件，进一步确定研究区地下水流服从达西定律，流态为三维稳定流，模拟区为非均质各向异性，进一步确定监测井位置；而后利用GMS地下水模拟软件中里的Modflow程序包建立了地下水流模型，采用有限差分的离散方法剖分网格；
步骤六、进行模型校准，选取N(N大于0)个水位观测数据导入模型进行校准，根据校核目标的填充颜色查看模型校正情况，当模型校正目标颜色条变小且为绿色时，认为模型各项参数调至最优；
步骤七、基于已建好的MODFLOW水流模型进行质点追踪，应用MODPATH模块模拟反演地下水流迹线；通过在监测井释放示踪粒子，由污染位置反向示踪追溯到补给区后停止；通过随模型结果进行监测井地下水反演结果显示，划定地下水污染物来源范围；其中对于释放示踪粒子的监测井全部选取，或选取采样统计长期超标的重点污染监测井；
步骤八、结合同位素的污染源类型识别，通过卫星地图及现场探勘情况对监测井迹线示踪结果进行分析，进一步结合监测井位置以及周边土地类型、污染源有关的企业以及污染源形成时间，在空间上识别地下水确切的污染源为后续精准处理提供技术支撑。
进一步的，对于步骤一中，研究区地下水流流向主要为水平运动，在常温常压下运动符合达西定律；其中河床河堤进行过硬化处理，而河流参数主要为河床的水力传导系数。
进一步的，对于步骤三、侧向径流量可根据达西线性渗透定律计算，如下式所示
Q侧＝K·I·H·L·cosα
其中：Q侧——地下水侧向径流量(m3/d)；I——侧向边界地下水的水力梯度(无量纲)，通过地下水等水位线计算获得；H——含水层厚度(m)；L——计算断面长度(m)；α——地下水流向与计算断面法线夹角(°)。
对于步骤三中河流入渗根据在研究区内所进行的调查研究工作，结合勘察经验，根据计算河流入渗补给量式，河流入渗量通过河流程序包RIV处理计算.考结合河床河堤进行过硬化处理，而河流参数主要为河床的水力传导系数，由底积层的岩性、厚度及河床宽度、计算单元的河段长度决定，计算公式：
式中：K为河床土壤水力传导系数，单位m/d；L为河流映射长度，代表河流在模型中运算的有效长度，单位m；W为河流宽度，m；M为河床厚度，单位m。
进一步的，对于步骤五中，GMS地下水模拟软件建立时，计算采用Recharge和ET模块，表征研究区的地下水入渗补给量及蒸散发；研究区模型构建及相关参数输入后，将概念模型映射到Modflow模块中，解算器选择稳定性高、收敛性好的共轭梯度解算器PCG2，检查后运行。
进一步的，对于模型参数的选取时，研究区含水层介质主要为砂卵砾石，孔隙度取值为0.3；选取两次检测硝酸盐均超标监测井，对每口井设置示踪粒子且对1年、3年、5年和十年等不同时长进行模拟。
进一步的，Modpath粒子示踪模型模拟分析1年、3年、5年、10年等不同工况下，由污染位置反向示踪追溯到的补给区；追踪到的补给区范围随追踪时间往前而增加，由此定量分析结果，确定硝酸盐污染来源。
进一步的，对于步骤七中，结合模拟研究区硝酸盐浓度持续超标监测井的水流迹线，根据地下水补给来源于居民区、工厂和农村等建立的时间、位置和污染事件，可识别出硝酸盐污染来源空间位置。
进一步的，对于步骤五中，研究区的实际监测井和模拟监测井一一对应布置，在不同土地利用类型、地下水补给来源和重点污染源周边均匀布设监测井；其中实际监测井内设置有温度传感器和水位传感器，且温度传感器和水位传感器数据为不间断数据记录，且对应采样时间至少包含春夏时段和秋冬时段的两个时间段。
进一步的，通过实际监测井采样得出硝酸盐浓度，用以表征地下水的污染，硝酸盐浓度分布在时间上呈现出季节性和雨旱性差异；利用Arcgis软件，对硝酸盐浓度进行空间插值分析，不同土地利用类型下，地下水中硝酸盐高浓度地区不同，对硝酸盐超标点位进行分析，结合背景值确定硝酸盐长期超标的监测井点位用以步骤七中确定模拟释放示踪粒子的监测井。
进一步的，对于步骤八中，通过实际监测井中采样分析处地下水氮氧同位素特征分析污染源类型，并结合SIAR模型进行定量计算；引入其他元素的同位素特征值(如Cl)进行补充，使结果精度更高；通过建立动态更新的特征污染物δ15N、δ18O数据库进行精细化污染源识别，得到更具区域代表性的氮氧同位素定性分析结果及SIAR模型定量计算结果。
本发明的有益效果体现在：
1)本发明通过GMS地下水模拟软件的应用，结合研究区的地质、地下水补给区、污染源位置进行概化模拟，可更具代表性的表征，与地下水污染源有关的地下水流的流动，利于针对性区域化研究地下水污染来源；
2)本发明通过数值模拟方法追踪地下水水流迹线，逆向研究存在地下水污染的地下水的流动迹线，可精准视化的进行溯源工作；结合实际监测井的设立和同位素采样分析，可进一步对重点污染源进行分析；
3)本发明通过分季节和雨旱时期进行污染源的追溯，可进一步去除背景值对溯源工作的影响，其中通过温度传感器和水位传感器的设置，可针对不同温度和水位背景下进行精准分析；
4)本发明通过地下流水迹线的划分与地面上污染源类型、土地类型以及地质条件等情景进行空间上的精准分析，在基于污染源类型的基础上，对其空间位置进行定点识别。
此外，本申请结合氮氧同位素技术可判断硝酸盐污染来源的种类、计算出各污染物源的贡献比率，采用捕获污染物来源空间位置；将氮氧稳定同位素技术与数值模拟结合，一方面扩大了数值模拟在地下水硝酸盐源解析领域的研究，另一方面，在定性定量识别硝酸盐污染来源的基础上，从空间上追溯其污染的排放场地及时间，能够为地下水硝酸盐污染防治工作提供技术支持，为污染排放责任划分提供依据，具有理论意义和现实意义。有针对的为当地工业、生活、农业发展、地下水水资源开发提供指导，既保护了环境又节约了地下水水资源，为经济、环境的可持续发展打下坚实基础。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
图1是模型边界条件示意图；
图2是模型顶、底板赋值示意图；
图3是边界及河流系数；
图4是模型降雨入渗与蒸散发补给系数分区图；
图5是含水层渗透系数分区赋值图；
图6是研究区概念模型图；
图7是地下水流模型运行结果示意图；
图8是1年时长模拟结果示意图；
图9是1年时长模拟结果示意图；
图10是1年时长模拟结果示意图；
图11是1年时长模拟结果示意图；
图12是硝酸盐超标点位地下水补给区分析对比图。
具体实施方式
以北方某地区为例，研究区位于洋河流域，模拟区域面积约120km2。研究区地下水流流向主要为水平运动，在常温常压下运动符合达西定律。研究区属山间盆地水文地质区，洋河盆地内地下水的主要补给来源有洋河径流补给、大气降水、山前径流补给、灌溉回渗四种形式。据有关资料分析，大气降水垂直入渗补给其入渗量约占大气降水的15％左右。而盆缘山地的侧向补给，据区域水文地质普查报告估算，万全一带周边山区以潜流形式对平原地下水补给量达11.45m3/h。
结合图1至图12，进一步的说明应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，结合研究区属于山间盆地水文地质区，且区域内地下水补给来源包含有洋河河流径流补给、大气降水、山前径流补给和灌溉回渗。
步骤一、根据研究区地质构造及地下水的流动特征，建立GMS地下水模型，首先进行研究区边界概化；研究区为山区和平原区交界地带接收山前地下水补给的，定义为定流量边界；边界分别为盆地地下水流入和流出边界的，定义为定水头边界；地表河定义为河流边界。
本实施例中，根据当地地质构造及地下水的流动特征，建立GMS地下水模型，首先进行研究区边界概化。研究区南部和北部边界为山区和平原区交界地带，接收山前地下水补给，I、II、III、IV定义为定流量边界；东部和西部边界分别为盆地地下水流入和流出边界，V、VI定义为定水头边界；地表河流洋河定义为河流边界，模型范围及边界条件如图1所示。
步骤二、分析已有水文地质剖面图及钻孔资料，结合地下水的开采利用现状及第四系岩性分布特点，根据浅层地下水贮存介质特征、含水空隙的类型，将含水岩层组在垂向上概化层数，根据已有地表高程等值线及高程点位数据，结合钻孔数据，插值获得初始水头(top)和底板标高(bottom)，如图2所示。
步骤三、确定源汇项，地下水来源包含接受降雨、山区侧向补给、河流补给；排泄方式为蒸发和人工开采；根据不同地质条件，对边界进行划分，根据地下水位数据，应用达西定律计算得到边界侧向流量数值；河流按实测水位设定水头取值及底板高程，并计算河流入渗系数；
本实施例中，洋河河谷为盆地的径流～排泄区。盆地中地下水的排泄方式为蒸发、人工开采、基流排泄和泉水溢出。洋河自上游顺流而下，不断得到地下水、地表水的排泄补给，最后在响水铺峡谷排泄出区外，排泄口基岩裸露，岩层致密，具备潜流条件。结合宣化区浅层地下水主要接受降雨、山区侧向补给、河流补给；排泄方式为蒸发、人工开采，各要素处理如下：
A.侧向径流
侧向径流量主要为I、II、III、IV，可根据达西线性渗透定律计算，如式(6-2)所示
Q侧＝K·I·H·L·cosα
其中：Q侧——地下水侧向径流量(m3/d)；I——侧向边界地下水的水力梯度(无量纲)，通过地下水等水位线计算获得；H——含水层厚度(m)；L——计算断面长度(m)；α——地下水流向与计算断面法线夹角(°)。
B.河流入渗
根据在研究区内所进行的调查研究工作，结合勘察经验，根据计算河流入渗补给量式(6-1)，河流入渗量通过河流程序包RIV处理计算.考虑到洋河河床河堤进行过硬化处理，而河流参数主要为河床的水力传导系数，由底积层的岩性、厚度及河床宽度、计算单元的河段长度决定，计算公式：
式中：K为河床土壤水力传导系数，单位m/d；L为河流映射长度，代表河流在模型中运算的有效长度，单位m；W为河流宽度，m；M为河床厚度，单位m。
该模型定义南北部位定流量边界，根据不同地质条件，对边界进行划分，根据地下水位数据，应用达西定律计算得到边界侧向流量数值；东西部边界定义为定水头边界，定水头值根据实际测量分别取值600m、581m。河流按实测水位设定水头取值及底板高程，并计算河流入渗系数；如图3所示，将边界通过序号1、2、3、4、5、6和7，1、2、3和4代表为定流量边界，赋值分别为1193662.5m3/d、400750m3/d、458000m3/d和1019050m3/d，5和6是定水头边界赋值分别为600m3/d和581m3/d，河流为7，赋值为30(m2/d)/(m)。
C.降雨入渗、蒸散发、人工开采
降雨入渗是研究区浅层地下水主要补给来源之一，降雨入渗量受降雨、地形地貌及地下水埋深的影响。根据资料，研究区年均降雨量为350mm，降雨入渗量由西向东逐渐减少。
潜水蒸发、人工开采是研究区地下水排泄的主要途径。当地水文资料显示，研究区年均蒸发量为降雨量的5倍，呈由西向东减少趋势；2016-2018年，地下水人工开采量均值为1.288×108m3/年。采用模型计算时采用Recharge和ET模块，体现研究区的地下水入渗补给量及蒸散发，如图4所示。图中将整个研究区域分为1、2、3、4、5、6和7个分区，对每个分区进行赋值，其中七个区的降雨入渗均为0.02739726m/d、蒸发量从1至7依次对应，0.015972603m/d、0.013506489m/d、0.015575342m/d、0.011643836m/d、0.011178082m/d、0.010246575m/d和0.009315068m/d。
步骤四、根据该区的水文地质条件和地形资料，结合钻孔数据和抽水试验数据，对研究区进行含水层渗透系数分区，根据岩层属性，垂向渗透系数通过水平渗透系数表示。
本实施例中，根据岩层属性，垂向渗透系数设为水平渗透系数1/4，给水度、储水率、有效孔隙度等参数值取对应地层属性的经验值。研究区分区赋值如图5所示。
步骤五、根据研究区的水文、地质条件，进一步确定研究区地下水流服从达西定律，流态为三维稳定流，模拟区为非均质各向异性，进一步确定监测井位置；而后利用GMS地下水模拟软件(Groundwater Modeling System)中里的Modflow程序包建立了地下水流模型，采用有限差分的离散方法剖分网格。
其中，研究区的实际监测井和模拟监测井一一对应布置，在不同土地利用类型、地下水补给来源和重点污染源周边均匀布设监测井；其中实际监测井内设置有温度传感器和水位传感器，且温度传感器和水位传感器数据为不间断数据记录，且对应采样时间至少包含春夏时段和秋冬时段的两个时间段。
本实施例中，通过实际监测井采样得出硝酸盐浓度，用以表征地下水的污染，硝酸盐浓度分布在时间上呈现出季节性和雨旱性差异；利用Arcgis软件，对硝酸盐浓度进行空间插值分析，不同土地利用类型下，地下水中硝酸盐高浓度地区不同，对硝酸盐超标点位进行分析，结合背景值确定硝酸盐长期超标的监测井点位用以步骤七中确定模拟释放示踪粒子的监测井。
本实施例中，通过将含水层情况、径流情况、降雨蒸发、渗透系数赋值进概念模型，得到研究区的地层概念模型，如图6所示。
本实施例中，模拟范围选取东西方向为16.6km，南北方向为18.8km的区域进行模拟，模型网格最小为200m×190m，研究区剖分为133行，99列，1层，共13167个活动单元。研究区模型构建及相关参数输入后，将概念模型映射到Modflow模块中，解算器选择稳定性高、收敛性好的共轭梯度解算器PCG2，检查后运行。
根据上述水文地质概念模型，建立地下水流动的数学模型。基于质量守恒定律，本方法水流控制方程如下：
(1)偏微分方程
式中：h—水头(L)；Kxx、Kyy和Kzz—在x、y、z方向上的渗透系数，量纲为(L·T-1)；W—单位体积流量(T-1)，用以代表流进汇或来自源的水量；μs—含水层的贮水率(L-1)；t—时间(T)。
(2)边界条件
第一类边界(定水头边界)：
第二类边界(流量边界)：
第三类边界(混合边界)：
式中：K—含水层的渗透系数(L·T-1)；q(x,y,z)—边界处的流量(L3·T-1)；—边界法线方向的水力梯度，无量纲；h1—定水头边界处水头值(L)；h—所取水头边界处水头(L)；C＝K(L2·T-1)(A—过水断面面积，L—h和h0之间的距离)。Γ1、Γ2、Γ3分别代表1、2、3类边界。
步骤六、进行模型校准，选取N(N大于0)个水位观测数据导入模型进行校准，根据校核目标的填充颜色查看模型校正情况，当模型校正目标颜色条变小且为绿色时，认为模型各项参数调至最优。
将7个水位观测数据导入模型进行校准，根据校核目标的填充颜色查看模型校正情况，其中绿色为符合良好，红色为不符合，黄色为基本符合校准。当模型校正目标颜色条变小且为绿色时，可认为模型各项参数调至最优。在拟合效果图中校核目标的条形有5个点为绿色，2个点为黄色，未出现红色点位，说明观测值与计算值的差值在校核置信范围区间内模型拟合效果达到要求，水流模拟结果可靠，能较好地反映地下水情况。
通过对模型运行，对相关参数进行调整，不断的迭代计算，最终使拟合结果达到要求，地下水水流模拟结果可靠度高，得到能够较好的反映当地地下水水流情况的模型。由图7可见，模型运行结果模拟的地下水水流结果，主要受到研究区地形控制，地下水流向主要为由西向东，地下水水头在580-664m之间，与研究区地下水水流情况实际情况相符。
步骤七、基于已建好的MODFLOW水流模型进行质点追踪，应用MODPATH模块模拟反演地下水流迹线；通过在监测井释放示踪粒子，由污染位置反向示踪追溯到补给区后停止；通过随模型结果进行监测井地下水反演结果显示，划定地下水污染物来源范围；其中对于释放示踪粒子的监测井全部选取，或选取采样统计长期超标的重点污染监测井。
研究区含水层介质主要为砂卵砾石，孔隙度取值为0.3。选取两次检测硝酸盐均超标的6个检测井，分别为：P4、P14、P16、P18、P19该模型对每口井设置示踪粒子16个，分别对1年(365d)、3年(1095d)、5年(1825d)、10年(3650d)时长进行模拟，结果如图8至11所示。
由模拟结果可知，随着模拟时间增加，反演的地下水运移轨迹范围变大。通过随模型结果进行监测井地下水反演结果显示，365d工况下，地下水上游300m范围为地下水污染物来源范围；365d工况下，地下水上游300m范围为地下水污染物来源范围；1825d工况下，地下水上游1800m范围为地下水污染物来源范围；3650d工况下，地下水上游3500m范围为地下水污染物来源范围。
步骤八、结合同位素的污染源类型识别，通过卫星地图及现场探勘情况对监测井迹线示踪结果进行分析，进一步结合监测井位置以及周边土地类型、污染源有关的企业以及污染源形成时间，在空间上识别地下水确切的污染源为后续精准处理提供技术支撑。
对于步骤八中，通过实际监测井中采样分析处地下水氮氧同位素特征分析污染源类型，并结合SIAR模型进行定量计算；引入其他元素的同位素特征值(如Cl)进行补充，使结果精度更高；通过建立动态更新的特征污染物δ15N、δ18O数据库进行精细化污染源识别，得到更具区域代表性的氮氧同位素定性分析结果及SIAR模型定量计算结果。
本实施例中，Modpath模拟了研究区P4、P14、P16、P18、P19五个硝酸盐浓度持续超标监测井的水流迹线，示踪了监测井中地下水的来源，见图12。通过卫星地图及现场探勘情况对监测井迹线示踪结果进行分析。监测井P4、P19监测井位于农业用地，上游为农田及村庄，判断污染物来源于农业面源污染；P14、P16、P18监测井为建设用地，地下水流迹线显示，地下水上游地区为工厂及居民区。
分析地下水流反演迹线，检测井P4在1年、3年、5年时间工况下，补给区位于耕地，10年工况示踪的地下水流迹线到达山前补给区。由于耕地土壤较高的土壤水溶性有机氮会随着降雨、灌溉造成的水土流失进入包气带，在包气带发生硝化反应成为水体硝酸盐，输入地下水系统，同位素分析结果显示硝酸盐来源为土壤氮污染，确定P4监测井硝酸盐污染来源于北部耕地。
检测井P14位于宣钢厂东南部，地下水流反演迹线显示地下水补给区由北向南，在1年、3年、5年时间工况下，补给区位于宣钢厂内，10年工况示踪地下水补给区位于耕地，同位素监测显示确定污染来源为粪便及污水，确定P14监测井硝酸盐污染来源于宣化钢厂，长期受耕地产生的硝酸盐污染累计。
检测井P16位于宣钢场北部，Modpath模拟结果显示，在1年、3年、5年时间工况下，补给区位于居民区，10年工况示踪的地下水流迹线到达山前补给区。同位素分析表明污染来源为粪便及污水，确定P16监测井硝酸盐污染来源于北部居民区。
检测井P18位于冀东水泥厂西侧院内，同位素分析显示污染来源为无机化肥及工业废水。Modpath模拟结果显示，在1年、3年工况下，补给区位于宣化钢厂，5年、10年时间工况下，补给区位于耕地，确定P18污染来源为北部宣化钢厂，长期受到耕地产生的污染物累积。
监测井P19位于恒利养殖场附近村镇小路边，Modpath模拟结果显示，地下水流由南向北补给，在1年、3年、5年工况下，补给区位于附近工厂及乡村，10年时间工况下，补给区位于耕地，结合同位素分析显示硝酸盐污染来源于粪便及污水，确定P19地下水受到养殖场及南部居民区硝酸盐污染，长期受到耕地产生的污染物的累积。
综上所述，通过对研究区水文地质情况概化，建立能够真实反映研究区地下水流场情况的模型，基于模型实现硝酸盐污染来源的空间位置识别，得到以下结果：
(1)运用GMS软件，对研究区水文地质、补径排情况进行参数概化，构建研究区概念模型，将概念模型映射到Modflow模块中，运行并不断调整参数，通过检测井水位校正Modflow模型；基于合理可行的Modflow地下水流场模型，运行Modpath模块对监测井进行地下水流迹线反演模拟，示踪污染物随地下水运移迹线。
(2)Modpath粒子示踪模型模拟分析1年、3年、5年、10年工况下，由污染位置反向示踪追溯到的补给区。水流迹线反演结果表明：追踪到的补给区范围随追踪时间往前而增加；模拟了研究区硝酸盐浓度持续超标监测井P4、P14、P16、P18、P19的水流迹线，地下水补给来源于居民区、工厂、农村，可识别出硝酸盐污染来源空间位置，结合定性定量分析结果，确定硝酸盐污染来源。
(3)利用GMS模型，建立modflow粒子示踪模型示踪地下水流运移迹线，可视化强，可以直接判断监测井地下水补给区潜在污染源。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，研究区包含山间盆地水文地质区，且区域内地下水补给来源包含有河流径流补给、大气降水、山前径流补给和灌溉回渗；
步骤一、根据研究区地质构造及地下水的流动特征，建立GMS地下水模型，首先进行研究区边界概化；研究区为山区和平原区交界地带接收山前地下水补给的，定义为定流量边界；边界分别为盆地地下水流入和流出边界的，定义为定水头边界；地表河定义为河流边界：
步骤二、分析已有水文地质剖面图及钻孔资料，结合地下水的开采利用现状及第四系岩性分布特点，根据浅层地下水贮存介质特征、含水空隙的类型，将含水岩层组在垂向上概化层数，根据已有地表高程等值线及高程点位数据，结合钻孔数据，插值获得初始水头和底板标高；
步骤三、确定源汇项，地下水来源包含接受降雨、山区侧向补给、河流补给；排泄方式为蒸发和人工开采；根据不同地质条件，对边界进行划分，根据地下水位数据，应用达西定律计算得到边界侧向流量数值；河流按实测水位设定水头取值及底板高程，并计算河流入渗系数；
步骤四、根据该区的水文地质条件和地形资料，结合钻孔数据和抽水试验数据，对研究区进行含水层渗透系数分区，根据岩层属性，垂向渗透系数通过水平渗透系数表示；
步骤五、根据研究区的水文、地质条件，进一步确定研究区地下水流服从达西定律，流态为三维稳定流，模拟区为非均质各向异性，进一步确定监测井位置；而后利用GMS地下水模拟软件中里的Modflow程序包建立了地下水流模型，采用有限差分的离散方法剖分网格；
步骤六、进行模型校准，选取N个水位观测数据导入模型进行校准，其中N大于0；根据校核目标的填充颜色查看模型校正情况，当模型校正目标颜色条变小且为绿色时，认为模型各项参数调至最优；
步骤七、基于已建好的MODFLOW水流模型进行质点追踪，应用MODPATH模块模拟反演地下水流迹线；通过在监测井释放示踪粒子，由污染位置反向示踪追溯到补给区后停止；通过随模型结果进行监测井地下水反演结果显示，划定地下水污染物来源范围；其中对于释放示踪粒子的监测井全部选取，或选取采样统计长期超标的重点污染监测井；
步骤八、结合同位素的污染源类型识别，通过卫星地图及现场探勘情况对监测井迹线示踪结果进行分析，进一步结合监测井位置以及周边土地类型、污染源有关的企业以及污染源形成时间，在空间上识别地下水确切的污染源为后续精准处理提供技术支撑。
2.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于步骤一中，研究区地下水流流向主要为水平运动，在常温常压下运动符合达西定律；其中河床河堤进行过硬化处理，而河流参数主要为河床的水力传导系数。
3.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于步骤三、侧向径流量根据达西线性渗透定律计算，如下式所示，
Q侧＝K·I·H·L·cosα
其中：Q侧——地下水侧向径流量(m3/d)；I——侧向边界地下水的水力梯度，无量纲；通过地下水等水位线计算获得；H——含水层厚度(m)；L——计算断面长度(m)；α——地下水流向与计算断面法线夹角(°)；
对于步骤三中河流入渗根据在研究区内所进行的调查研究工作，结合勘察经验，根据计算河流入渗补给量式，河流入渗量通过河流程序包RIV处理计算.考结合河床河堤进行过硬化处理，而河流参数主要为河床的水力传导系数，由底积层的岩性、厚度及河床宽度、计算单元的河段长度决定，计算公式：
式中：K为河床土壤水力传导系数，单位m/d；L为河流映射长度，代表河流在模型中运算的有效长度，单位m；W为河流宽度，m；M为河床厚度，单位m。
4.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于步骤五中，GMS地下水模拟软件建立时，计算采用Recharge和ET模块，表征研究区的地下水入渗补给量及蒸散发；研究区模型构建及相关参数输入后，将概念模型映射到Modflow模块中，解算器选择稳定性高、收敛性好的共轭梯度解算器PCG2，检查后运行。
5.如权利要求4所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于模型参数的选取时，研究区含水层介质主要为砂卵砾石，孔隙度取值为0.3；选取两次检测硝酸盐均超标监测井，对每口井设置示踪粒子且对1年、3年、5年和十年不同时长进行模拟。
6.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，Modpath粒子示踪模型模拟分析1年、3年、5年、10年不同工况下，由污染位置反向示踪追溯到的补给区；追踪到的补给区范围随追踪时间往前而增加，由此定量分析结果，确定硝酸盐污染来源。
7.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于步骤七中，结合模拟研究区硝酸盐浓度持续超标监测井的水流迹线，根据地下水补给来源于居民区、工厂和农村建立的时间、位置和污染事件，识别出硝酸盐污染来源空间位置。
8.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于步骤五中，研究区的实际监测井和模拟监测井一一对应布置，在不同土地利用类型、地下水补给来源和重点污染源周边均匀布设监测井；其中实际监测井内设置有温度传感器和水位传感器，且温度传感器和水位传感器数据为不间断数据记录，且对应采样时间至少包含春夏时段和秋冬时段的两个时间段。
9.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，通过实际监测井采样得出硝酸盐浓度，用以表征地下水的污染，硝酸盐浓度分布在时间上呈现出季节性和雨旱性差异；利用Arcgis软件，对硝酸盐浓度进行空间插值分析，不同土地利用类型下，地下水中硝酸盐高浓度地区不同，对硝酸盐超标点位进行分析，结合背景值确定硝酸盐长期超标的监测井点位用以步骤七中确定模拟释放示踪粒子的监测井。
10.如权利要求1所述的一种应用数值模拟的地下水污染源空间综合识别方法，其特征在于，对于步骤八中，通过实际监测井中采样分析处地下水氮氧同位素特征分析污染源类型，并结合SIAR模型进行定量计算；引入其他元素的同位素特征值进行补充，使结果精度更高；通过建立动态更新的特征污染物δ15N、δ18O数据库进行精细化污染源识别，得到更具区域代表性的氮氧同位素定性分析结果及SIAR模型定量计算结果。
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