大沽河流域地下水时空演变特征及数值模拟

论文摘要

地下水由于其分布广泛、变化稳定、水质优良、易于开发利用等特性,已成为人类生产、生活的重要供水水源。而地下水化学成分是地下水与区域地质环境长期相互作用的产物,涵盖了不同尺度的水化学环境信息。地下水化学成分及其赋存形式作为反映地下水循环路径和地下水流动特征的重要参数,已成为揭示地下水水质演化及其形成作用的内在依据。大沽河流域地下水是青岛市重要的饮用水供水水源,区内地表水资源相对匮乏,河谷平原区的工、农业用水及居民生活用水以开采地下水为主。随着新型城镇化的快速发展和新旧动能转化工程的逐步推进,需求增加、水质恶化、资源短缺已成为制约该流域发展的瓶颈因素。近年来,由于大沽河流域大气降水量较少,开采量相对较大,地下水位持续下降,局部出现降落漏斗,地下水动力场及水化学场均发生了不同程度的改变。因此,如何从成因机理上探究地下水动力场与水化学场的动态演变特征,并在此基础上提出合理的地下水资源配置方案,已成为大沽河流域地下水可持续利用过程中亟待解决的问题。本文从地下水动力学及水文地球化学的角度出发,对大沽河流域地下水时空演变特征进行了系统分析。文中根据区内地下水位动态演变规律分析了地下水动力场的时空演变特征,并结合氢氧稳定同位素信息,识别了流域内地下水的补给来源及循环规律;利用描述性统计、相关性分析、Piper三线图、Gibbs图解法、离子比例系数等方法,结合水文地球化学模拟手段,探讨了大沽河流域地下水化学场的时空演变特征及其主要控制因素,揭示了区内地下水主要化学成分的形成机制。同时,根据区内大气降水入渗、农业回灌、人工开采和潜水蒸发等过程特征,基于FEFLOW软件构建了二维非稳定流地下水数值模型,进行了长时间序列的地下水流数值模拟,进而估算了大气降水入渗补给浅层地下水的量。研究主要得到以下几个结论:（1）大沽河流域地下水动态变化类型多为降水渗入-开采径流型,地下水位年际变化基本符合“枯降丰升”的原则;同一水文年中,水位变化与大气降水季节分配相对应,具有明显的季节性特征;地下水δD与δ18O沿斜率为2.9的蒸发线(δD=2.9δ18O-29.9‰)分布,说明其在接受补给之前或补给过程中,受到一定程度蒸发作用的影响,从而引起氢氧同位素的富集。（2）大沽河流域61%的地下水属于极硬的淡水,其余39%的地下水属于极硬的半咸水。地下水优势阳离子为Ca2+、优势阴离子为HCO3-,地下水主要离子的年际变化基本符合“枯升丰降”的原则,但区域差异较为明显;自2001-2017年,区内地下水化学类型发生了由CaMg-SO4Cl、CaMg-HCO3Cl型向CaMg-SO4Cl、CaNa-HCO3Cl、NaCa-ClHCO3型再向NaCa-HCO3Cl、NaCa-ClSO4、CaMg-NO3SO4、CaNa-HCO3NO3混合型水的转变,地下水化学类型复杂多样;岩石风化作用是区内地下水化学组分的主要控制因素,萤石、石膏、硬石膏及岩盐的平均饱和指数（SI）皆<0,说明其在与地下水的接触过程中不断溶解,仍处于非饱和状态。而方解石、白云石和文石的平均饱和指数（SI）均>0,围岩矿物处于过饱和状态,具有沉淀趋势;区内发生的溶解-沉淀反应及阳离子交换反应,使得沿程岩盐、石膏等矿物不断溶解,Na+、Cl-与SO42-含量不断升高,Ca2+及HCO3-的浓度不断降低;而农业活动中氮肥的过度施用、粪便及生活污水等人为来源的输入是造成区内NO3-浓度普遍超标的主要原因。（3）在大沽河流域地下水数值模型的识别期,地下水位模拟值与实测值绝对误差<0.5 m的监测井数占79.49%,平均均方根误差（RMSE）为0.29 m,R2介于0.25-0.94之间,平均值为0.64;验证期绝对误差<0.5 m的监测井数占89.74%,RMSE在0.06-0.85 m之间,平均值为0.19 m,R2介于0.40-0.96,平均值为0.75;中上游地区地下水流场等值线模拟值与实测值基本重叠,流场的分布状态基本上能够反映大沽河流域的实际情况;在长时间序列（2001-2014年）地下水流数值模拟过程中,地下水总补给量为3.20×109m3,总排泄量为3.11×109m3,潜水含水层为正均衡,年均地下水均衡差为0.05×108m3;经FEFLOW计算,流域多年平均大气降水净补给量为2.62×108m3。其中,枯水期1-5月、10-12月及丰水期6-9月的大气降水净补给量分别为1.51×107m3、6.10×104m3和2.47×108m3,丰水期的大气降水净补给量占全年的94%。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的及意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 地下水数值模拟的研究进展
•     1.2.2 地下水化学场演化的研究进展
•   1.3 研究内容与技术路线
• 第二章 材料与方法
•   2.1 研究区概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 水文气象
•     2.1.4 土壤与土地利用类型
•     2.1.5 水文地质条件
•     2.1.6 水资源利用情况
•   2.2 数据来源
•     2.2.1 氢氧稳定同位素的数据
•     2.2.2 地下水主要化学成分的相关数据
•     2.2.3 地下水流数值模拟的相关数据
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 水文地球化学的反向模拟
•     2.3.2 地下水流的数值模拟
• 第三章 大沽河流域地下水动力场的时空演变特征
•   3.1 地下水动力场的时空演变特征
•     3.1.1 地下水位年际变化特征
•     3.1.2 地下水位年内变化特征
•     3.1.3 地下水位区域动态变化特征
•   3.2 大气降水入渗补给浅层地下水的过程分析
•     3.2.1 大气降水氢氧同位素特征
•     3.2.2 地下水氢氧同位素特征
•     3.2.3 大气降水与地下水的关系
•   3.3 本章小结
• 第四章 大沽河流域地下水化学场的时空演变特征
•   4.1 地下水主要化学成分的时空演变特征
•   4.2 地下水主要化学成分的相关性分析
•   4.3 地下水化学类型的时空演变特征
•   4.4 地下水化学成分的形成作用
•     4.4.1 自然因素的影响
•     4.4.2 人为因素的影响
•   4.5 地下水水质评价
•     4.5.1 饮用水质评价
•     4.5.2 灌溉水质评价
•   4.6 水文地球化学模拟
•     4.6.1 水文地球化学反向模拟路径的选取
•     4.6.2 可能矿物相的确定
•     4.6.3 饱和指数的计算
•     4.6.4 不同路径的水文地球化学反向模拟
•   4.7 本章小结
• 第五章 大沽河流域地下水流的数值模拟
•   5.1 水文地质概念模型
•     5.1.1 含水层结构的概化
•     5.1.2 边界条件的概化
•   5.2 地下水二维非稳定流数学模型
•   5.3 空间离散与时间离散
•   5.4 水文地质参数分区与初值确定
•     5.4.1 渗透系数（K）与给水度（μ）
•     5.4.2 降雨入渗系数（α）
•   5.5 源汇项的计算与处理
•     5.5.1 大气降水入渗补给量
•     5.5.2 农业回灌补给量
•     5.5.3 人工开采排泄量
•     5.5.4 潜水蒸发量
•   5.6 模型的识别与验证
•     5.6.1 模型的识别
•     5.6.2 模型的验证
•   5.7 长时间序列地下水二维非稳定流的数值模拟
•   5.8 大气降水入渗浅层地下水补给量的估算
•   5.9 本章小结
• 第六章 结果与讨论
•   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: 尹子悦

导师: 徐绍辉

关键词: 地下水,水化学,数值模拟,时空演变,大沽河流域

来源: 青岛大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 青岛大学

基金: 国家重点研发计划项目子课题:黄渤海沿海典型地区土壤水,地下水流耦合模拟及调控研究(2016YFC0402807-01),国家自然科学基金面上项目:区域层状土壤入渗机理及浅层地下水补给研究(41571214)

分类号: P641

DOI: 10.27262/d.cnki.gqdau.2019.000717

总页数: 80

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