1、第四章第四章 地下水环境影地下水环境影响预测响预测济南大学济南大学 王维平王维平 教授教授Stu_13953162318内容概要内容概要 概述概述 评价等级的划分评价等级的划分 地下水环境影响分析评价地下水环境影响分析评价 地下水环境影响预测评价地下水环境影响预测评价 三维地下水运动与污染物运移模拟三维地下水运动与污染物运移模拟软件系统（软件系统（FEFLOW）及案例演示）及案例演示 概述概述 地下水环境影响评价工作从地下水环境影响评价工作从内容内容上大致可分为两类：上大致可分为两类：一是注重建设工程对一是注重建设工程对地下水水质地下水水质及其及其介介质环境质环境的影响评价；的影响评价；二是与
2、地下水有关的二是与地下水有关的非污染性非污染性环境影响环境影响评价评价概述 地下水环境影响评价工作从地下水环境影响评价工作从时间时间上大致上大致可分为两个阶段：可分为两个阶段：早期的环评工作，更注重评价污废水下早期的环评工作，更注重评价污废水下渗进入含水层，对地下水造成污染的可渗进入含水层，对地下水造成污染的可能性；能性；近年来除了上述工作外，同时注重了建近年来除了上述工作外，同时注重了建设工程造成的非污染性的生态环境影响。设工程造成的非污染性的生态环境影响。内容概要内容概要 概述概述 评价等级的划分评价等级的划分 地下水环境影响分析评价地下水环境影响分析评价 地下水环境影响预测评价地下水环境
3、影响预测评价 三维地下水运动与污染物运移模拟三维地下水运动与污染物运移模拟软件系统（软件系统（FEFLOW）及案例演示）及案例演示 评价等级的划分评价等级的划分 工程特点工程特点 环境特点环境特点 国家及当地政府颁布的有关法律、规定及标准国家及当地政府颁布的有关法律、规定及标准 所处地理位置所处地理位置按照按照环境影响评价技术导则环境影响评价技术导则要求，地下要求，地下水环境影响评价可划分为三个工作等级；等水环境影响评价可划分为三个工作等级；等级的划分应以下列因素作为确定的依据：级的划分应以下列因素作为确定的依据：评价等级划分的依据评价等级划分的依据 对于一级评价，需掌握区域和当地较详细的对于
4、一级评价，需掌握区域和当地较详细的地址和水文地质资料等，选用较复杂的模式地址和水文地质资料等，选用较复杂的模式评价地下水的水质和水量评价地下水的水质和水量 对于二级评价，需掌握附近地区的水文地质对于二级评价，需掌握附近地区的水文地质资料等，利用比较复杂的模式进行评价。主资料等，利用比较复杂的模式进行评价。主要以评价水质为主，有条件下也可对水量进要以评价水质为主，有条件下也可对水量进行评估行评估 三级评价只需利用现有资料，一般说明地下三级评价只需利用现有资料，一般说明地下水分布情况，选用简单模式粗略评价水质好水分布情况，选用简单模式粗略评价水质好坏。不能定量评价时，可只给出定性分析。坏。不能定量
5、评价时，可只给出定性分析。对不同等级评价的基本要求内容概要内容概要 概述概述 评价等级的划分评价等级的划分 地下水环境影响分析评价地下水环境影响分析评价 地下水环境影响预测评价地下水环境影响预测评价 三维地下水运动与污染物运移模拟三维地下水运动与污染物运移模拟软件系统（软件系统（FEFLOW）及案例演示）及案例演示 评价工作的目的评价工作的目的 分析可能的污染方式和途径分析可能的污染方式和途径 提出有效的污染防治措施提出有效的污染防治措施1.分析评价的原则与思路 地质环境条件分析地质环境条件分析是地下水环境影响分是地下水环境影响分析和预测评价的基础，也是定性评价地析和预测评价的基础，也是定性评
6、价地下水环境影响的基本方法。下水环境影响的基本方法。由于短期内很难通过模型定量地分析模由于短期内很难通过模型定量地分析模拟建设工程对地下水的影响过程，评价拟建设工程对地下水的影响过程，评价其影响结果是十分困难的，目前尚无成其影响结果是十分困难的，目前尚无成熟的评价模式和方法，也无统一的技术熟的评价模式和方法，也无统一的技术导则可循。导则可循。在实际中，多对产生污染的在实际中，多对产生污染的可能性可能性、污染污染途径及可能的影响程度途径及可能的影响程度进行总体分析，进进行总体分析，进而提出防止污染物渗入地下的保护措施。而提出防止污染物渗入地下的保护措施。此做法基于：此做法基于：u定量评价过于复杂
7、定量评价过于复杂u评价工作目的是控制污染，保护地下水环境评价工作目的是控制污染，保护地下水环境u地下水环境一旦受到污染，将很难治理恢复地下水环境一旦受到污染，将很难治理恢复u地下水是一种宝贵的资源，不管其环境容量地下水是一种宝贵的资源，不管其环境容量如何，均不允许有污染物进入而产生人为污如何，均不允许有污染物进入而产生人为污染。染。2.地质环境条件分析的 基本内容 环境影响评价工作，从环境影响评价工作，从水文地水文地质条件方面质条件方面必须阐述明确下列必须阐述明确下列问题：问题：地表岩性情况地表岩性情况 地下水类型地下水类型 含水层的基本情况含水层的基本情况 地下水的补给、径流、排泄条件地下水
8、的补给、径流、排泄条件 水质概况水质概况 地下水的开发利用地下水的开发利用 定性评价地质环境条件的敏感性及地定性评价地质环境条件的敏感性及地下水资源的重要性下水资源的重要性3.3.分析评价的方法和步骤分析评价的方法和步骤 分析建设工程所在地段是否处于敏感地区分析建设工程所在地段是否处于敏感地区和地下水环境条件的敏感地段，分析地下和地下水环境条件的敏感地段，分析地下水的环境质量和用途，宏观确定水的环境质量和用途，宏观确定建设项目建设项目选址的可行性选址的可行性；分析建设工程所在区域的分析建设工程所在区域的地形地貌地形地貌、地质地质构造构造、水文地质单元水文地质单元，建立区域地下水补、，建立区域地
9、下水补、径、排概念，以此分析地下水可能的污染径、排概念，以此分析地下水可能的污染方式、途径、影响范围和污染发展方向；方式、途径、影响范围和污染发展方向；分析建设工程所在地的分析建设工程所在地的包气带类型包气带类型、岩性岩性结构结构、渗透性能渗透性能等，分析污染物可能的等，分析污染物可能的污污染途径染途径及形成及形成污染的难易程度污染的难易程度；综合分析过程所在地的综合分析过程所在地的环境水文地质条件环境水文地质条件，地下水的环境功能地下水的环境功能，就其敏感性、重要性，就其敏感性、重要性作出结论。作出结论。4.4.分析评价工作中需注意分析评价工作中需注意 的其他问题的其他问题 某些组分的超标，
10、并不直接意味着建设项某些组分的超标，并不直接意味着建设项目的污染，应了解本地区的目的污染，应了解本地区的地下水化学背地下水化学背景景；注意调查了解建设项目所在地的注意调查了解建设项目所在地的矿产分布矿产分布情况情况；建设项目特征污染物是一种污染物指示剂，建设项目特征污染物是一种污染物指示剂，应作为分析评价的重点。应作为分析评价的重点。内容概要内容概要 概述概述 评价等级的划分评价等级的划分 地下水环境影响分析评价地下水环境影响分析评价 地下水环境影响预测评价地下水环境影响预测评价 三维地下水运动与污染物运移模拟三维地下水运动与污染物运移模拟软件系统（软件系统（FEFLOW）及案例演示）及案例演
11、示 地下水环境影响预测评价地下水环境影响预测评价 溶质在地下水中运移的弥散理论溶质在地下水中运移的弥散理论 溶质运移方程溶质运移方程 初始条件和边界条件初始条件和边界条件 溶质运移方程的求解方法及其应用溶质运移方程的求解方法及其应用溶质在地下水中运移的溶质在地下水中运移的弥散理论弥散理论 溶质在地下水中运移的数学模型是以溶质在地下水中运移的数学模型是以水动水动力弥散理论力弥散理论为基础的。为基础的。水动力弥散理论主要研究水动力弥散理论主要研究多孔介质中溶质多孔介质中溶质运移的机理运移的机理。定量定量地描述可溶混流体彼此地描述可溶混流体彼此之间相互驱替的过程，以及溶质溶度在实之间相互驱替的过程，
12、以及溶质溶度在实践和空间上的变化规律践和空间上的变化规律 水动力弥散是大量的单个溶质质点通过孔水动力弥散是大量的单个溶质质点通过孔隙的实际运移与发生在孔隙中的各种物理隙的实际运移与发生在孔隙中的各种物理和化学现象的宏观反应。和化学现象的宏观反应。造成弥散现象的主要原因是造成弥散现象的主要原因是机械弥散机械弥散和和分分子扩散子扩散这两种物质运移过程这两种物质运移过程同时作用的结同时作用的结果。果。当溶质在多孔介质中流动时，当溶质在多孔介质中流动时，机械弥散机械弥散和和分子扩散分子扩散以不可分割的形式共同起作用，以不可分割的形式共同起作用，两者的综合结果成为两者的综合结果成为水动力弥散水动力弥散。
13、机械弥散和分子扩散机械弥散和分子扩散 当当流速较大流速较大时，时，机械弥散机械弥散在水动力弥在水动力弥散中散中起主要作用起主要作用，这是常见的情况；，这是常见的情况；当当流速较小流速较小时，时，分子扩散分子扩散作用在水动作用在水动力弥散中起的地位力弥散中起的地位变得更重要变得更重要；机械弥散和分子扩散都会使溶质既在机械弥散和分子扩散都会使溶质既在平均流速方向扩散又沿垂直于平均流平均流速方向扩散又沿垂直于平均流速的方向扩散。速的方向扩散。前者称为前者称为纵向弥散纵向弥散后者成为后者成为横向弥散横向弥散溶质运移方程 溶质在自由溶液中的扩散服从溶质在自由溶液中的扩散服从Fick定律定律。该定律表明：
14、单位时间通过单位面积的溶该定律表明：单位时间通过单位面积的溶质的质量与该面积上的浓度梯度成正比，质的质量与该面积上的浓度梯度成正比，即：即：式中：式中：Ja-溶质在自由溶液中的扩散通量溶质在自由溶液中的扩散通量 Da-溶质在自由液体中的扩散系数溶质在自由液体中的扩散系数 gradC-溶质在溶液中的溶度梯度溶质在溶液中的溶度梯度gradCDJaa溶质运移方程溶质运移方程 理论与实验研究证明，在多孔介质中，理论与实验研究证明，在多孔介质中，溶溶质的扩散质的扩散也可用也可用Fick定律定律表示。考虑到固表示。考虑到固体颗粒的存在，溶质在多孔介质中的扩散体颗粒的存在，溶质在多孔介质中的扩散通量可以表示
15、为：通量可以表示为：式中：式中：JD-溶质在溶质中的扩散通量溶质在溶质中的扩散通量 -土壤体积含水率土壤体积含水率 Dd-溶质在多孔介质中的扩散系数溶质在多孔介质中的扩散系数gradCDJdD 根据质量守恒原理，在均值各项同性非饱和介质根据质量守恒原理，在均值各项同性非饱和介质中，溶质运移的基本方程为：中，溶质运移的基本方程为：l上式左端项表示单位体积多孔介质中溶质质量随时间的上式左端项表示单位体积多孔介质中溶质质量随时间的变化率变化率 右端第一项为右端第一项为弥散项弥散项 右端第二项为右端第二项为对流项对流项 第三项为第三项为源汇项源汇项 上述方程为上述方程为水动力弥散方程水动力弥散方程，也
16、称，也称对流弥散方程对流弥散方程水动力弥散方程水动力弥散方程IvCdivDgradCdivtC初始条件和边界条件初始条件和边界条件 要确定研究区域内的浓度分布要确定研究区域内的浓度分布C，还需，还需具备以下条件具备以下条件：空间区域空间区域 和时间区域和时间区域0,T；给出研究区域内的所有给出研究区域内的所有水流运动参数水流运动参数和和溶质运移参数溶质运移参数;定解条件定解条件，包括，包括初始条件初始条件和和边界条件边界条件 初始条件是指在初始时刻初始条件是指在初始时刻t=0时研究区时研究区域域 内各点上的浓度分布内各点上的浓度分布 边界条件通常是指在研究区域的边界边界条件通常是指在研究区域的
17、边界线上溶质浓度或浓度通量的变化情况线上溶质浓度或浓度通量的变化情况若在边界处若在边界处 ，溶质浓度已知，溶质浓度已知为为 ，则边界条件为已知，则边界条件为已知浓度边浓度边界界或或类边界类边界，可表示为，可表示为：1),(tyxf),(,0),(,0yxtyxCtyxC?1),(),(),(yxtyxftyxC?若在边界若在边界 处，处，已知浓度梯度已知浓度梯度，称为，称为类边界类边界，即：即：q-已知含水，已知含水，ni是方向余弦是方向余弦若给定边界若给定边界 上的浓度及梯度，称为上的浓度及梯度，称为混合边界混合边界或或称为称为类边界类边界，即：，即：g-已知函数。左侧第一项为弥散通量，第二
18、项已知函数。左侧第一项为弥散通量，第二项为对流通量。为对流通量。22),(),(yxtyxqnXCDijij3),(),(yxtyxgnCVXCDiijij3溶质运移方程的求解方法及其应用 实际工作中常采用实际工作中常采用有限差分有限差分或或有限单元有限单元等等数值解法解决地下水污染问题。溶质运移数值解法解决地下水污染问题。溶质运移问题的基本思路是：问题的基本思路是：把连续的问题把连续的问题离散化离散化 把把相应线性方程组的解相应线性方程组的解作为原问题的近似作为原问题的近似解解上述方法的优点：上述方法的优点：易于处理非均质问题和具有复杂边界形状易于处理非均质问题和具有复杂边界形状的问题。的问
19、题。定量预测评价工作的主要困难：定量预测评价工作的主要困难：必须详细勘察地质、水文地质条件，取得必须详细勘察地质、水文地质条件，取得大量的相关信息和参数，因此需投入大量大量的相关信息和参数，因此需投入大量的勘察、试验工作，花费的勘察、试验工作，花费大量的勘察试验大量的勘察试验费用。费用。内容概要内容概要 概述概述 评价等级的划分评价等级的划分 地下水环境影响分析评价地下水环境影响分析评价 地下水环境影响预测评价地下水环境影响预测评价 三维地下水运动与污染物运移模拟三维地下水运动与污染物运移模拟软件系统（软件系统（FEFLOW）及案例演示）及案例演示 三维地下水运动与污染物运移模拟三维地下水运动
20、与污染物运移模拟软件系统（软件系统（FEFLOWFEFLOW）及案例演示）及案例演示FEFLOW简介简介主要功能及应用领域主要功能及应用领域解决问题的技术条件解决问题的技术条件软件界面介绍软件界面介绍案例演示案例演示FeflowFeflow简介简介 Feflow(Finite Element subsurface FLOW system)Feflow软件由德国软件由德国WASY公司开发，公司开发，是模拟是模拟水流水流、污染物及热量污染物及热量在孔隙介在孔隙介质中质中饱和流饱和流及及非饱和流非饱和流状态下运移的状态下运移的最直观的软件之一。最直观的软件之一。主要功能及应用领域主要功能及应用领域水
21、溶质运移、热流传递水溶质运移、热流传递对流、扩散运移对流、扩散运移平衡吸附平衡吸附衰变、降解衰变、降解多溶质、化学反应溶质运移多溶质、化学反应溶质运移变密度溶质、热流运移变密度溶质、热流运移模拟溶质运移、热流传递模拟溶质运移、热流传递主要功能主要功能地理信息系统、计算机辅助设计系统的数地理信息系统、计算机辅助设计系统的数据交换接口据交换接口结果可视化、分析工具结果可视化、分析工具 三维可视化、动画视频三维可视化、动画视频 定坐标及坐标转换软件定坐标及坐标转换软件 作图软件作图软件 参数拟合参数拟合外部程序接口（外部程序接口（IFM）应用领域应用领域地下水资源管理地下水资源管理地下水环境及污染控
22、制地下水环境及污染控制地下水工程地下水工程地下核工程地下核工程采矿采矿应用领域应用领域地热开发、地下冷却地热开发、地下冷却地下存储工程地下存储工程新材料开发（干燥、隔离新材料开发（干燥、隔离 、膨化）、膨化）农业（灌溉、排水、盐碱化）农业（灌溉、排水、盐碱化）其它与地下水有关的应用，其它与地下水有关的应用，比如海水入侵比如海水入侵解决问题的技术条件解决问题的技术条件 确定模型区域确定模型区域 准备所需数据准备所需数据地形图（高程、土地使用情况、河流等）地形图（高程、土地使用情况、河流等）地质资料地质资料水文及气候方面数据水文及气候方面数据地下水开采及补给状况地下水开采及补给状况地下水地下水/河
23、流的相关观测数据河流的相关观测数据污染物数据污染物数据采用模型是采用模型是2D还是还是3D？模型律定、验证模型律定、验证模型的修改及纠正主要基于模型的修改及纠正主要基于 观测井的观测值观测井的观测值 水平衡分析水平衡分析 已知的地下水等值线已知的地下水等值线比较计算值与观测值比较计算值与观测值模型类型（分类）模型类型（分类）FEFLOWFEFLOW用户界面的结构用户界面的结构Advancing Front法法 优点优点:速度快，生成的三角形极为规整速度快，生成的三角形极为规整 缺点：缺点：生成网格时不能考虑附加点、线几何生成网格时不能考虑附加点、线几何特征特征l 优点优点:速度极快，能考虑几何
24、形态极为复杂速度极快，能考虑几何形态极为复杂的多边形，包括点、线等附加条件。的多边形，包括点、线等附加条件。l 缺点：缺点：生成的三角形内角略大于生成的三角形内角略大于180度，过分度，过分考虑各种几何形态的一致性。考虑各种几何形态的一致性。Tmesh 法法案例演示案例演示案例演示案例演示 案例案例：当渗透系数为当渗透系数为2010-4m/s；当渗透系数为当渗透系数为1010-4m/s 污染物运移过程污染物运移过程 运行结果比较运行结果比较 模型概化模型概化设置模型区域设置模型区域网格剖分网格剖分-网格生成选项网格生成选项网格剖分网格剖分-生成单元格数量生成单元格数量网格剖分网格剖分问题分类问
25、题分类流初始条件流初始条件-水头水头流初始条件流初始条件-井井流物质流物质-导水系数导水系数流物质流物质-源汇项源汇项物质边界物质边界问题汇总问题汇总运运 行行运行结果运行结果运行结果运行结果3D图图水头等值线图水头等值线图抽水井抽水井a、b浓度变化浓度变化渗透系数为渗透系数为2010-4m/s抽水井抽水井a a、b b周围流线分布周围流线分布渗透系数为渗透系数为2010-4m/s预算分析预算分析污染物分布污染物分布渗透系数为渗透系数为2010-4m/s渗透系数为渗透系数为1010-4m/s抽水井抽水井a a、b b浓度的变化浓度的变化渗透系数为渗透系数为2010-4m/s渗透系数为渗透系数为1010-4m/s渗透系数为渗透系数为2010-4m/s渗透系数为渗透系数为1010-4m/s剖面的浓度剖面的浓度剖面的浓度剖面的浓度渗透系数为渗透系数为2010-4m/s渗透系数为渗透系数为1010-4m/s
