地下水补给影响下的河流水质模糊模拟

摘 要：基于河流水环境系统的模糊性、不精确性，采用三角模糊数描述和表征沿岸地下水水文地质参数，建立了计算地下水补给量和补给强度的模糊模型。在将水质模型参数定义为三角模糊数的基础上，构建了考虑地下水补给影响的一维稳态河流水质模糊模拟模型。作为案例，将上述模型应用于淮河流域某支流水质模拟研究。采用-截集技术，计算得到各控制断面模糊数形式的污染物浓度值，并与确定性模型计算结果进行比较。实例研究表明，以三角模糊数原理模拟和表征考虑地下水补给影响的河流水体污染物浓度变化规律，理论上可行，计算结果可信，较好地弥补了传统确定性模型的不足。     

地下水补给对河流污染物浓度衰减过程的影响

在许多河流的上游或者在河流的枯水季节,地下水的补给作用对河流水质有着重要影响.用以忽略弥散的一维水质模型为基础的、考虑地下水补给影响的新的水质模型解析解,讨论其在地下水与河流之间无水量交换和河段起始段面上游没有来水两个特定条件下的数理意义和论证该解析解的正确性.通过对比新解析解和不考虑地下水补给的经典解,讨论点源与线源之间的内在联系和本质区别,论证新解析解不是经典解的简单迭加.利用新解析解,定量研究了地下水补给强度对河流污染物浓度沿河衰减过程的影响规律.以安徽省境内颍河为例,利用实测数据研究地下水补给对河流污染物浓度的影响程度;研究表明,在枯水季节,忽略地下水补给的作用,将导致水质模型计算误差的理论值达到9.3%.     

地下水补给对河流水质浓度衰减过程的影响

在河流上游或者枯水季节,地下水的补给作用对河流水质有着重要影响。对以忽略弥散的一维水质模型为基础、考虑地下水补给影响的新解析解,讨论其在两个特定条件下的数理意义。通过对比新解和不考虑地下水补给的经典解,讨论点源与线源之间的内在联系和本质区别,论证新解不是经典解的简单迭加;利用新解,定量研究了地下水补给强度对河流水质浓度沿河衰减过程的影响规律。以安徽省境内颍河为例,利用实测数据研究地下水补给对河流水质浓度的影响程度;研究表明,在枯水季节,忽略地下水补给的作用,将导致水质模型计算误差的理论值达到9.3%。     

地下水补给对河流水质扩散影响的数值模拟

为能够实时、量化研究地下水补给对河流水质扩散的影响,论文以某平原河流为研究对象,在地下水线源补给假定的基础上,通过基流分割方法对河流总流量进行了分割,借用MIKE11 AD对流扩散模块,分别建立了不考虑地下水补给作用的传统数值模型和加入分割后流量的新数值模型。通过分析河道沿程各点时间上的水质浓度变化过程,量化研究了两模型的差异及其产生原因。结果表明:在上游各点,两模型浓度曲线增长过程吻合度较高,但最终稳定值存在3%的差异;在下游各点,新模型浓度快速衰减,两模型浓度稀释差异巨大,可达到1000倍。由此得出结论,是否将河流流量进行分割研究对于河流水质扩散结果影响较大,这种影响会随地下水的沿程补给长度增加而快速变大。     

基于三角模糊数理论的河流水环境容量计算

基于河流水环境系统的不确定性,将水环境系统参数定义为三角模糊数,通过将常规的确定性模型参量用三角模糊数表示,建立了河流水环境容量计算的三角模糊数模型。根据该模型,可以计算得到河流水环境容量的三角模糊数值。结合渭河关中段实例研究表明,基于三角模糊数理论计算河流水环境容量,理论上可行,计算结果可信。     

纳污河补排关系变化时污染物迁移规律研究

多环芳烃是危害较大的一种水体污染物,以菲为特征污染物,利用纳污河流和地下水系统模拟装置,对其在河流与地下水补排关系变化时的迁移过程进行了研究,以探索纳污河流与地下水间多环芳烃的迁移变化规律。采用Sufer软件分析了菲在地层中的迁移变化情况,并计算了其迁移速度,结果表明:模拟纳污河水补给地下水时,菲迁移速度缓慢,污染物扩散范围小,水平迁移速度为1.33 cm/d;模拟清洁地下水向河流排泄时,菲的水平迁移速度为1.67 cm/d,并在河流附近发生了短暂富集。     

基于三角模糊数的地下水饮用水源地水环境健康风险评价

为客观反映水体污染物对人体健康的潜在危害,基于三角模糊数理论,构建了水环境健康风险评价模糊模型,对石嘴山市地下水饮用水源地水环境健康风险进行了评价,分析了不确定信息对评价结果的影响。结果表明:健康风险评价结果对参数的不确定性不敏感;污染物浓度的不确定性对评价结果影响较大,不考虑污染物浓度变化,以平均浓度表示水体水质状况会导致风险评价结果偏小。石嘴山市地下水饮用水源地非致癌污染物健康风险极低,而致癌总风险均低于且接近1.0×10~(-4)a~(-1),Cr为各水源地首要的环境健康风险管理控制指标。水环境健康风险由高到低依次排序为第二水源地第五水源地第四水源地第一水源地。     

基于多单元均衡法的地下水流与水质联合数值研究

针对地下渗流与污染物迁移数值模拟中计算程序复杂、效率偏低等不足,开展了地下水流与水质联合数值研究。首先基于多单元均衡法,建立了渗流与污染物迁移的联合模型,采用Matlab语言编制了联合程序,使之能够求解单一地下水渗流、初始流场稳定的地下水污染和初始流场不稳定的地下水污染等多种情况。然后计算了一维对流弥散问题,并与多种计算方法进行对比分析。最后对某地地下水污染物的扩散分布进行了模拟。结果表明:通过控制自定义特征数,实现了对不同水文地质特征问题的求解;采用上游加权法解决大Peclet数污染物迁移问题时,并无明显数值弥散现象,又能抑制数值解的振动;本程序具有较高的计算效率,并能够显著提高后处理的可视化程度。     

水环境风险评价的随机模拟与三角模糊数耦合模型

探讨了将三角模糊数理论用于描述和处理水环境风险评价系统中的随机性、模糊性,以及资料信息的不完整、不精确性等不确定性特征的具体实现途径。采用Monte Carlo方法模拟三角模糊数,把三角模糊数及其函数之间的运算转化为普通的实数之间的运算,建立了水环境风险评价的随机模拟与三角模糊数耦合模型(SS-TFN)。应用结果表明:SS-TFN通过Monte Carlo方法可得到水环境系统的质量状态变量的大量模拟序列,其计算结果比三角模糊数的截集技术的计算结果更简便、全面和合理;用SS-TFN通过调整水环境系统的质量状态变量的控制参数,可方便地获得水环境风险管理的对策方案。     

黄龙工业园水源地潜水水质评价与预报

采用模糊综合评判法对黄龙工业园水源地潜水水质现状进行了评价与分析,得知区域潜水水质差,属于Ⅴ类水。为了保证水源地的安全,在应用Visual MODFLOW软件对区域地下水进行水流模拟的基础上,采用地下水溶质运移模拟与加权平均法相结合的方法,预测了区内地表河流对水源地开采区潜水水质的影响,得知地表河流水质对潜水水质影响较大,须加强治理。     

松花江佳木斯市区段江水对地下水补给程度分析

采用MODFLOW软件,在佳木斯市区建立了地下水流模拟模型。在地下水开采井正常运行和全部关闭两种情况下,分别对现状年和设计典型年,运用所建模型求解松花江水对研究区地下水的补给量,分析补给程度,从一个侧面探讨江水污染对地下水水质的影响程度。计算结果表明:从求解的年内总量上,通过关闭开采井的方式能够抑制近1/4的江水侧渗补给;关闭开采井初期并不能迅速降低江水的侧渗补给量。     

滹沱河大型入渗试验地下水补给量计算

通过采用水均衡法计算了滹沱河入渗试验期间的河道入渗补给量,并求取了滹沱河水源地一带获得的河道入渗补给量。研究表明:试验期间河道入渗水量为1 482.75万m3,河道入渗补给地下水量为1 382.89万m3,河道渗漏补给系数为93%;滹沱河水源地接受的补给量为742.53万m3,水源地范围内的观测井最大水位上升幅度6.823m,地下水补给效果明显。     

乌兰木伦河流域地下水水化学同位素特征及补给关系

研究河水与地下水的水化学同位素特征及相互作用,对流域内水资源的保护与开发利用具有重要意义。以地处神府东胜煤田的黄河流域内的乌兰木伦河流域为研究对象,采用统计分析、Piper三线图和两端元模型分析流域降水、河水、地下水(矿井水、生活井水)的水化学特征、氢氧稳定同位素特征及其分布规律,探讨了流域内降水、河水与地下水的补给关系。水化学分析结果表明：河水的水化学类型为HCO₃-Na型和HCO₃+SO₄-Na型;矿井水的水化学类型为HCO₃-Na型、HCO₃+Cl-Na型和HCO₃+ SO₄-Na型;生活井水的水化学类型为HCO₃-Ca型,矿井水与河水联系较为密切。同位素分析结果表明：地下水受到大气降水和河水的共同补给,三者之间存在水力联系以及一定程度的水体转化。当地下水井深小于135 m时,大多数采样点河水对其补给贡献率为58.47%～80.94%;当地下水井深大于135 m时,河水对其补给贡献率为21.47%～58.69%。在地下水采样点距离河道8.8 km范围内,河水对地下水的补给贡献率超过45%,表明河水是地下水的重要补给来源之一;当地下水采样点距河道超过8.8 km时,河水对其补给贡献较弱。随着水井深度的增加、与河道距离的增大,河水对地下水的补给贡献率越来越小。该研究可为流域水资源管理与保护提供基础支撑。     

宁夏艾依河银川段河湖水与地下水水量转换研究

为了掌握艾依河在银川市段排泄两岸地下水或对两岸地下水的补给情况,选择具有代表性的河段,建设河道水位、两岸地下水位监测断面2处,试验监测不同时段河道水位与两岸地下水位的关系。试验监测结果分析表明:部分河段河道水位长期高于两岸地下水位,河道年补给两岸地下水量达到80.6万m3/km,抬高了河道两岸地下水位,造成河道两岸土壤盐渍化较重;部分河段河道水位低于两岸地下水位,河道承担地下水的排泄,年排泄地下水量2.558万m3/km。研究成果可为艾依河水量调度、两岸土壤盐渍化的防治提供技术支撑。     

An Integrating Approach for Conjunctive-Use Planning of Surface and Subsurface Water System

This study proposes an integrated approach to assess the performance of a conjunctive-use surface and subsurface water system. System dynamics serves as the main framework of the proposed conjunctive-use model, simulating the interaction between surface and subsurface water and the impact of various conjunctive-use alternatives on the system as a whole. This study assumes natural groundwater recharge as a water source to the system, and estimates its volume using geographic information system (GIS) tools, a groundwater simulation model (MODFLOW), and a parameter identification model (UCODE). This study assesses various conjunctive-use alternatives and analyzes the frequency of water shortage to illustrate how the recharge rate affects water supply reliability under the conjunctive-use framework. Simulation results indicate that conjunctive-use with artificial recharge indeed reduces the frequency of extreme water shortages. Results also reveal that artificial recharge is necessary to maintain groundwater conservation without overusing river flow. Although this study focuses on southern Taiwan, the proposed concepts and procedure are applicable to other areas with a similar conjunctive-use framework.     

Recharge Wells Site Selection for Artificial Groundwater Recharge in an Urban Area Using Fuzzy Logic Technique

In arid and semi-arid area, groundwater is the most important water resources. Surface runoff harvesting is the most important process in the artificial recharge of groundwater that should increase groundwater quality and quantity. Urban impervious area provides an appropriate surface to produce adequate amounts of runoff. Groundwater recharge via recharge wells is one of the successful direct sub-surface methods. As many cities around the world face issues of water scarcity due to a fast and unsustainable urbanization, identify the best locations of groundwater recharge wells is an interesting relevant topic, especially in the arid and semi-arid area. Selection of a suitable area for groundwater recharge could increase efficiency of the recharge wells. In this study, the best location of recharge wells was investigated in Urmia city located in the North-west of Iran using fuzzy logic technique. In this study, locations of the drainage channel junctions with adequate potential of surface runoff were determined using SWMM. Appropriate locations for recharge wells were determined based on different layers including distance to runoff harvesting points, distance to the production water wells and depth of groundwater table. Hydraulic condition (hydraulic conductivity and specific recharge) was also used separately. The input layers were prepared using geostatistical interpolation techniques in ArcGIS 9.3 software. Mamdani fuzzy inference system was applied to incorporate the fuzzified input layers. Finally, in each area, pixels with the highest value were proposed as suitable locations for recharge wells. Based on the results, the number of pixels with “High” priorities increased when the hydraulic conductivity was used to site selection. Comparing hydraulic conductivity layer and selected location of the recharge wells shows that the area with low hydraulic conductivity and the area closed to the production water wells has not suitable priority for recharge wells.     

太湖地区典型小流域地下水储量动态模拟与分析

对太湖地区典型小流域的近地表地质特征进行系统野外试验,分析近地表土层土壤和岩层结构特征,初步确定了含水层计算参数;采用三维地下水流数值模拟方法概化水文地质条件,识别与验证模型参数。结果表明:地表水补给地下水的量约是地下水补给地表水总量的2倍,山溪型小流域的地表地下水交互过程趋于单向交换,即河道水补给地下水。从含水层储水量变化看,除去蒸散发,通过地下通道流失的水量占据总水量的相当比重,且地下储水的减少量主要依赖降雨入渗进行补给。所建立的模型能够较好地反映研究区实际的水文地质条件,揭示地表水和地下水的交互量的变化过程,并定量研究流域水量平衡动态关系,可为变化环境下的地下水保护和滨湖区的地下水潜流计算研究提供预测分析依据。     

巧家县龙洞地下河岩溶水系统及其补给关系分析

基于云南省巧家县荞麦地河流域岩溶水文地质调查之上,主要对整个流域的一个岩溶水子系统即龙洞地下河岩溶水系统的地下水补给关系进行分析研究。首先通过其区域的水文地质特征及实地调查分析,确定其地表水渗漏为地下水补给重要来源,然后对该岩溶水系统的水样数据进行水化学分析,运用Auto CAD软件绘制Piper三线图,使用三线图示法分析该岩溶水系统地表水和地下水水化学特征,进一步验证区域内地表水和地下水的补给关系和联系。     

Cost-effective Approaches for Sustainable Groundwater Management in Alluvial Aquifer Systems

The consequences of unsustainable use of groundwater are becoming increasingly evident worldwide, particularly in developing nations. Groundwater management is a serious problem in many parts of the world. The prime concern is how to achieve groundwater sustainability. Artificial recharge techniques coupled with water harvesting hold a great promise for groundwater sustainability. The main intent of this paper is to highlight salient cost-effective and easy-to-use methods for augmenting groundwater resources in the alluvial hydrogeologic setting. Based on the intensive field investigation in a groundwater basin of Japan, three low-cost and easy-to-implement recharge techniques are suggested for alluvial aquifer systems, viz., augmentation of river flow, recharge through irrigation/drainage canals, and recharge from paddy fields. The source of recharge water for these recharge techniques is surface water supply. The efficacy of these methods or approaches has been demonstrated. It is emphasized that such cost-effective methods of groundwater recharge are key to sustainable groundwater management in both developing and developed countries. These methods must not be overlooked in the midst of sophisticated and highly expensive methods.