基于数值模拟的傍河水源地潜在污染水力调控优化技术

白洁　左锐　郭学茹　汪立娜　王金生

摘要：傍河饮用水源地污染控制技术是我国环境保护与饮水安全领域的研究热点。选取松花江流域佳木斯七水源大型水源地为研究区，综合分析其水文地质条件，应用数值模拟方法拟合研究区水动力学场及水化学场。在此基础上运用MGO模块的模型基础，采用全局寻优算法——遗传算法，分析不同抽水量及井位对七水源废醪池污染羽进行水力调控的效果，得出最优井位及抽水量。同时通过分析清除污染源和未清除污染源情况下，不同观测井中污染物浓度的变化趋势，探讨了水力调控优化控制技术对傍河水源地污染控制的有效性，为傍河水源地的安全供水提供技术保障。

关键词：地下水；数值模拟；傍河水源地；水力调控；优化控制

中图分类号：S311 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05008308

Optimal control technology of hydraulic regulation in water resource area along rivers based on numerical simulation

BAI Jie1，2，ZUO Rui1，2，GUO Xueru1，2，WANG Lina1，2 ，WANG Jinsheng1，2

（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；2.Engineering Research Center of Groundwater Pollution Control and Remediation，Ministry of Education，Beijing 100875，China）

Abstract：Pollution control technology of water resource area along rivers is a research hot topic in the field of environment protection and drinking water security in China.In accordance with historical data and hydrogeological conditions in the study area，the numerical simulation method and MGO module model were applied to the study area based on the regional groundwater flow field and initial concentration of groundwater pollution.By means of global optimization algorithmgenetic algorithm，the best exploitation quantity and location of pumping wells were optimized to control the contaminant plume in the research area.In the two basic conditions of eliminating pollution sources and controlling pollution sources，the variation trend of pollutants in different observation wells was analyzed and the effectiveness of the hydraulic control technology was explored in order to provide technical support for ensuring water safety in water resource area along rivers.

Key words：groundwater；numerical simulation；water resource area along rivers；hydraulic regulation；optimal control

在我国北方各大河流域周围如黄河流域、松花江流域等[12]，傍河水源地是主要的供水方式。水源地的供水保障及水质安全[34]，对保证区域社会经济的快速腾飞，生态环境的可持续发展等具有重要意义[56]。随着国家对松花江流域专项整治工程的全面启动和实施，作为松花江沿岸重要城市之一的佳木斯市，其地下水水源的保护将成为该地区当下的首要问题[7]。佳木斯市是松花江沿岸新兴的工业城[HJ1.98mm]市。城市供水以地下水为主[8]。近年来，由于长期不合理开采地下水，其潜水位不断下降，形成地下水降落漏斗，尤其是距松花江约100 m处的友谊糖厂废醪池严重污染七水源地下水，迫使七水源关闭[910]。

本文以佳木斯市第七水源废醪池为重点研究区，在初始水流和污染物浓度场的基础上，运用数值模拟的方法，着重进行水力调控优化控制研究，提出合理防治污染的调控方案，有效解决抽水井的优化问题，实现傍河水源地污染防控的目的。

1 研究区概况

佳木斯市位于完达山北麓，三江平原西侧，松花江下游。松花江流向北东向，把佳木斯市分为江南、江北两部分。区内地形呈南高北低之势。南部为浑圆状丘陵，最高点275 m，一般坡度20°。中南部为波状山前台地，台地前缘呈陡坎状与松花江冲积漫滩河谷平原相接，海拔标高85～120 m。北部为松花江冲积漫滩河谷平原，海拔标高75～83 m。

研究区为松散岩类孔隙潜水含水层，广泛分布于漫滩平原及支谷漫滩。含水层由中上更新统、全新统砂、砂砾石、卵石组成，其中没有连续隔水层。该含水层颗粒一般较粗，结构松散、孔隙发育、透水性强，含水丰富，渗透系数K=012～00442 cm/s。含水层厚度自北向南逐渐变薄，自西向东由厚变薄；北部沿江一带厚20～70 m，平原中部厚30～50 m；南部漫滩后缘及支沟厚8～18 m；西部黑通一带厚度45～53 m，中部区厚40 m。地下水位埋深一般为5～7 m。

研究区地下水补给、径流及排泄条件主要受地形地貌、气象、水文、地层岩性等因素的控制。大气降水为其主要补给来源，其次汛期江水、农田灌溉水及上游地下水也是第四系孔隙潜水的重要补给来源，而枯水期地下水补给江水，丰水期江水补给地下水。地下水位年变幅近江地带约2 m左右，随离江渐远地下水位年变幅减小。

2 研究区地下水流数值模拟

2.1 水文地质概念模型的建立

根据佳木斯地质及水文地质条件，明确在该研究区内进行地下水流数值模拟，查明研究区流场及污染现状，并开展地下水污染控制研究具有较强的代表性。加之距松花江约100 m处的糖厂废醪池严重污染地下水[11]，因此将七水源废醪池确定为重点研究区（图1），在重点研究区开展水力调控优化控制研究，对于地下水污染控制具有重要意义。

根据研究区地下水系统的特征，可以概化为一层非均质水平各向同性、稳定的地下水流系统；地下水流为平面二维流，并服从达西定律；上边界由大气降水入渗补给和蒸发排泄。

据研究区的水文地质条件可知，西边界和北边界为松花江，短期内松花江可作为第一类边界条件定水头边界；南边界为台地，可处理为第二类边界条件无渗流边界条件；东边界根据黑龙江省地质环境监测总站提供绘制的流场图，在竹板六队渔房长青街一[JP3]线有明显的地下水分水岭，因此选择竹板六队渔房长青街一线作为第二类边界条件；模型底边界选择为潜水含水层底板，作为无渗流边界条件；模型顶界面选择地表为大气常压力边界。水文地质概念模型见图2。

2.2 数值模型的建立

网格剖分及参数分区：模拟区范围东西长22 060 m，南北长14 852 m，面积1441 km2。因其地势平坦，地层连续且岩性简单，所以在平面上网格均匀剖分。友谊糖厂废醪池作为重点研究区，进行网格加密。全区共计2 350个单元，分为4个参数区，网格剖分及参数分区见图3，初始参数见表1。

参数率定：利用Visual MODFLOW软件，将初始水位、补给量、排泄量、初始水文地质参数等代入模型，计算地下水水位，并利用观测孔水位进行拟合，调节水文地质参数，使计算值与观测水位趋于一致， 长期观测孔的水位与计算值的对比见表2。

通过观测水位与计算水位的对比发现，水位误差绝对值约为05 m，说明模型可以较真实的反应研究区地下水实际情况。最终参数率定结果见表3。

2.3 模型检验

应用参数率定的结果建立模型，预测2009年地下水流场，将其与2009年实际地下水流场进行比对，模拟流场与实测流场的吻合程度较好（图4），说明模型能够较真实的反应研究区的地下水实际情况，含水层结构、边界条件概化、水文地质参数选取较合理。

3 水力调控优化控制技术研究

3.1 重点研究区溶质运移模型的建立

水力调控优化控制技术的关键是在已有污染羽，并且未对污染源进行清除的基础上，主要通过流场下游抽水井的布设及抽水，形成特定的捕获区，改变原有流场，从而达到控制污染的效果[11]。因此首先应该确定重点研究区的污染历史现状，在此基础上开展水力调控优化控制。

为了更加准确的对水源地进行水力调控优化控制，本文将水力调控范围定为七水源废醪池周围10 km2的区域。在此重点研究区范围内，将模型重新概化。

根据1994年-2008年七水源已有水质资料，目前七水源地下水污染物主要有铁、锰[15]和氨氮[16]。根据废醪池周边观测井2009年9月（丰水期）、2010年5月（平水期）以及2011年3月（枯水期）三个时期水样的测试结果，发现废醪池污水中氨氮的最大浓度为1 076.98 mg/L（Ⅲ类水的氨氮标准为≤0.2 mg/L），所以本次污染物运移模拟的典型污染物确定为氨氮。

佳木斯市给水工程始建于1936年，七水厂建于20世纪80年代[12]。因此溶质运移模型拟定以1 076.98 mg/L作为初始浓度，污染时间拟定为20年。模拟的污染羽见图5。可见在给定的参数和污染物浓度情况下，20年的时间已经有7号、8号、9号水源井中氨氮的浓度超过了Ⅲ类水的氨氮标准0.2 mg/L。说明污染浓度场作为本次水力调控的初始浓度场较为合理。

3.2 调控目标选择及约束条件设置

Modular Groundwater Optimize（简称MGO）是郑春苗和P.Patrick Wang编写的地下水模拟软件。它是由一个主程序，三个优化模块和完整的MODFLOW和MT3DMS程序组成。三个优化模块分别是遗传算法，模拟退火法和禁忌搜索法[18]。本文主要应用遗传算法来解决抽水井的井群优化问题。在调控目标选定的基础上，根据水力调控的概念，将本次水力调控系统优化设计的目标定位能控制污染羽向下游发展的最佳抽水井位及最小抽水量。目标函数写成如下形式：

3.3 备选抽水井及浓度观测井设置

遗传算法[18]（Genetic Algorithms，简称为GA），最先是由John Holland于1975年提出的。它作为一种发展较为成熟的全局优化算法，能够针对非连续变量问题进行寻优，能够避免陷入“局部最优点”而找出全局最优点或接近全局最优点，因此在抽水治理系统的优化设计中，遗传算法具有自身的优势。本次研究依据遗传算法理论，共设置了22口备选抽水井供其选择最佳抽水井位置。为了检验水力调控的效果，分布的污染羽的周围设置了5口浓度观测井[19]。备选井及观测井位置见图7。

3.4 研究区水力调控系统优化控制结果

（1）清除污染源情况。

在将最大允许井数分别设置为1、2、3，在已经建好的模型中运行MGO模块，确定出了最佳抽水井位置及最小的抽水量，结果见表4。

5口观测井中的浓度变化见图8。（a）浓度时间曲线图说明3号观测井中的浓度远远高于其他4口观测井中的浓度值，且其浓度变化呈先升后降的变化趋势；（b）曲线图说明2号井中的浓度远高于1号、4号和5号观测井，其浓度也呈现先升后降的趋势，由于2号，3号观测井处于选择出的最佳抽水井位的上游，因此可以推断，最佳抽水井位上游的区域，均有污染物浓度先升后降的变化趋势。（c）浓度时间变化曲线图说明1号观测井中污染物的浓度，随时间呈下降趋势，说明由于抽水井的抽水已经控制了1号观测井所在位置的污染物。4号观测井没有观察到污染物，说明污染羽没有继续向下游扩展；5号观测井没有观测到污染物说明污染羽没有向其他方向扩展。

通过设置在污染羽周围的粒子，可以追踪到污染羽处溶质的运移方向，见图9。同时通过粒子追踪可以发现，污染羽已经被抽水井控制。

（2）未清除污染源情况。

在未清除污染源的前提下，根据重点研究区范围，将最大允许井数分别设置为1、2、3，在已经建好的模型中运行MGO模块，寻找出最佳抽水井位置及最小的抽水量。计算结果见表5。

5口观测井中的浓度变化见图10。（a）浓度时间曲线图说明3号观测井中的浓度远远高于其他观测井中的浓度值，且其浓度有持续升高趋势；（b）曲线图说明2号井中的浓度远高于1号、4号和5号观测井，其浓度也呈现先升后降的趋势；（c）浓度时间变化曲线图说明1号观测井中污染物的浓度，随时间呈下降趋势，说明由于抽水井的抽水已经控制了1号观测井所在位置的污染物。4号观测井没有观察到污染物，说明污染羽没有继续向下游扩展；5号观测井没有观测到污染物说明污染羽没有向其他方向扩展。

（3）优化结果分析。

对比清除污染源与未清除污染源的情况下，同一观测井中的浓度（图11），可以发现，对于1号观测井，两种情况下的浓度没有变化；对于2号观测井，污染物浓度都呈现出先升高后降低的趋势，且在升高段，二者是重合的，在减小段，未清除污染源情况下，2号观测井中的浓度比清除污染源情况下2号观测井中的浓度降低的要慢；对于3号观测井，清除污染源情况下，呈现出先升高后降低的趋势，而未清除污染源情况下，污染物浓度呈现出持续升高的趋势；4号、5号观测井中未发现有污染物。

4 结论

本文根据研究区已有水质资料及水文地质条件，通过数值模拟的方法，运用MODFLOW软件建立了七水源废醪池的地下水污染运移模型，并验证了目前七水源附近降落漏斗不断扩大的趋势。在此基础上，运用MGO模块与集成的全局寻优算法——遗传算法（GA）的数学优化方法，最终确定了在抽水井数为3的情况下通过水力调控来控制污染羽的最佳井位及最小抽水量，而且通过不同情景下的水力调控方案，发现是否有污染源对于水力调控系统在不同限制井数的情况下的总抽水量差距不大。

本研究为废醪池的治理及七水源的保护提供了技术支持，同时也为地下水污染控制提供了实例。但是研究过程中未考虑废醪池中氨氮进入地下水的机理，及其氮元素本身和“三氮”转化在包气带及地下水中的迁移转化规律，因此还需要进一步考虑更多的影响因素，完善地下水污染物运移模型，从而取得更加准确的水力调控结果。

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