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1、第四章地下水環(huán)境影響預測 濟南大學王維平教授Stu wangwp 13953162318 內(nèi)容概要 概述評價等級的劃分地下水環(huán)境影響分析評價地下水環(huán)境影響預測評價三維地下水運動與污染物運移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 概述 地下水環(huán)境影響評價工作從內(nèi)容上大致可分為兩類 一是注重建設工程對地下水水質(zhì)及其介質(zhì)環(huán)境的影響評價 二是與地下水有關的非污染性環(huán)境影響評價 概述 地下水環(huán)境影響評價工作從時間上大致可分為兩個階段 早期的環(huán)評工作 更注重評價污廢水下滲進入含水層 對地下水造成污染的可能性 近年來除了上述工作外 同時注重了建設工程造成的非污染性的生態(tài)環(huán)境影響 內(nèi)容概要 概述評價等級的劃分
2、地下水環(huán)境影響分析評價地下水環(huán)境影響預測評價三維地下水運動與污染物運移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 評價等級的劃分 工程特點環(huán)境特點國家及當?shù)卣C布的有關法律 規(guī)定及標準所處地理位置 按照 環(huán)境影響評價技術導則 要求 地下水環(huán)境影響評價可劃分為三個工作等級 等級的劃分應以下列因素作為確定的依據(jù) 評價等級劃分的依據(jù) 對于一級評價 需掌握區(qū)域和當?shù)剌^詳細的地址和水文地質(zhì)資料等 選用較復雜的模式評價地下水的水質(zhì)和水量對于二級評價 需掌握附近地區(qū)的水文地質(zhì)資料等 利用比較復雜的模式進行評價 主要以評價水質(zhì)為主 有條件下也可對水量進行評估三級評價只需利用現(xiàn)有資料 一般說明地下水分布情況 選用
3、簡單模式粗略評價水質(zhì)好壞 不能定量評價時 可只給出定性分析 對不同等級評價的基本要求 內(nèi)容概要 概述評價等級的劃分地下水環(huán)境影響分析評價地下水環(huán)境影響預測評價三維地下水運動與污染物運移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 評價工作的目的 分析可能的污染方式和途徑提出有效的污染防治措施 1 分析評價的原則與思路 地質(zhì)環(huán)境條件分析是地下水環(huán)境影響分析和預測評價的基礎 也是定性評價地下水環(huán)境影響的基本方法 由于短期內(nèi)很難通過模型定量地分析模擬建設工程對地下水的影響過程 評價其影響結果是十分困難的 目前尚無成熟的評價模式和方法 也無統(tǒng)一的技術導則可循 在實際中 多對產(chǎn)生污染的可能性 污染途徑及可能的
4、影響程度進行總體分析 進而提出防止污染物滲入地下的保護措施 此做法基于 定量評價過于復雜評價工作目的是控制污染 保護地下水環(huán)境地下水環(huán)境一旦受到污染 將很難治理恢復地下水是一種寶貴的資源 不管其環(huán)境容量如何 均不允許有污染物進入而產(chǎn)生人為污染 2 地質(zhì)環(huán)境條件分析的基本內(nèi)容 環(huán)境影響評價工作 從水文地質(zhì)條件方面必須闡述明確下列問題 地表巖性情況地下水類型含水層的基本情況 地下水的補給 徑流 排泄條件水質(zhì)概況地下水的開發(fā)利用定性評價地質(zhì)環(huán)境條件的敏感性及地下水資源的重要性 3 分析評價的方法和步驟 分析建設工程所在地段是否處于敏感地區(qū)和地下水環(huán)境條件的敏感地段 分析地下水的環(huán)境質(zhì)量和用途 宏觀確
5、定建設項目選址的可行性 分析建設工程所在區(qū)域的地形地貌 地質(zhì)構造 水文地質(zhì)單元 建立區(qū)域地下水補 徑 排概念 以此分析地下水可能的污染方式 途徑 影響范圍和污染發(fā)展方向 分析建設工程所在地的包氣帶類型 巖性結構 滲透性能等 分析污染物可能的污染途徑及形成污染的難易程度 綜合分析過程所在地的環(huán)境水文地質(zhì)條件 地下水的環(huán)境功能 就其敏感性 重要性作出結論 4 分析評價工作中需注意的其他問題 某些組分的超標 并不直接意味著建設項目的污染 應了解本地區(qū)的地下水化學背景 注意調(diào)查了解建設項目所在地的礦產(chǎn)分布情況 建設項目特征污染物是一種污染物指示劑 應作為分析評價的重點 內(nèi)容概要 概述評價等級的劃分地下
6、水環(huán)境影響分析評價地下水環(huán)境影響預測評價三維地下水運動與污染物運移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 地下水環(huán)境影響預測評價 溶質(zhì)在地下水中運移的彌散理論溶質(zhì)運移方程初始條件和邊界條件溶質(zhì)運移方程的求解方法及其應用 溶質(zhì)在地下水中運移的彌散理論 溶質(zhì)在地下水中運移的數(shù)學模型是以水動力彌散理論為基礎的 水動力彌散理論主要研究多孔介質(zhì)中溶質(zhì)運移的機理 定量地描述可溶混流體彼此之間相互驅替的過程 以及溶質(zhì)溶度在實踐和空間上的變化規(guī)律 水動力彌散是大量的單個溶質(zhì)質(zhì)點通過孔隙的實際運移與發(fā)生在孔隙中的各種物理和化學現(xiàn)象的宏觀反應 造成彌散現(xiàn)象的主要原因是機械彌散和分子擴散這兩種物質(zhì)運移過程同時作用的
7、結果 當溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中流動時 機械彌散和分子擴散以不可分割的形式共同起作用 兩者的綜合結果成為水動力彌散 機械彌散和分子擴散 當流速較大時 機械彌散在水動力彌散中起主要作用 這是常見的情況 當流速較小時 分子擴散作用在水動力彌散中起的地位變得更重要 機械彌散和分子擴散都會使溶質(zhì)既在平均流速方向擴散又沿垂直于平均流速的方向擴散 前者稱為縱向彌散后者成為橫向彌散 溶質(zhì)運移方程 溶質(zhì)在自由溶液中的擴散服從Fick定律 該定律表明 單位時間通過單位面積的溶質(zhì)的質(zhì)量與該面積上的濃度梯度成正比 即 式中 Ja 溶質(zhì)在自由溶液中的擴散通量Da 溶質(zhì)在自由液體中的擴散系數(shù)gradC 溶質(zhì)在溶液中的溶度梯度
8、溶質(zhì)運移方程 理論與實驗研究證明 在多孔介質(zhì)中 溶質(zhì)的擴散也可用Fick定律表示 考慮到固體顆粒的存在 溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的擴散通量可以表示為 式中 JD 溶質(zhì)在溶質(zhì)中的擴散通量 土壤體積含水率Dd 溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的擴散系數(shù) 根據(jù)質(zhì)量守恒原理 在均值各項同性非飽和介質(zhì)中 溶質(zhì)運移的基本方程為 上式左端項表示單位體積多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量隨時間的變化率右端第一項為彌散項右端第二項為對流項第三項為源匯項上述方程為水動力彌散方程 也稱對流彌散方程 水動力彌散方程 初始條件和邊界條件 要確定研究區(qū)域內(nèi)的濃度分布C 還需具備以下條件 空間區(qū)域和時間區(qū)域 0 T 給出研究區(qū)域內(nèi)的所有水流運動參數(shù)和溶質(zhì)運移參數(shù)
9、 定解條件 包括初始條件和邊界條件 初始條件是指在初始時刻t 0時研究區(qū)域內(nèi)各點上的濃度分布邊界條件通常是指在研究區(qū)域的邊界線上溶質(zhì)濃度或濃度通量的變化情況若在邊界處 溶質(zhì)濃度已知為 則邊界條件為已知濃度邊界或 類邊界 可表示為 若在邊界處 已知濃度梯度 稱為 類邊界 即 q 已知含水 ni是方向余弦若給定邊界上的濃度及梯度 稱為混合邊界或稱為 類邊界 即 g 已知函數(shù) 左側第一項為彌散通量 第二項為對流通量 溶質(zhì)運移方程的求解方法及其應用 實際工作中常采用有限差分或有限單元等數(shù)值解法解決地下水污染問題 溶質(zhì)運移問題的基本思路是 把連續(xù)的問題離散化把相應線性方程組的解作為原問題的近似解 上述方
10、法的優(yōu)點 易于處理非均質(zhì)問題和具有復雜邊界形狀的問題 定量預測評價工作的主要困難 必須詳細勘察地質(zhì) 水文地質(zhì)條件 取得大量的相關信息和參數(shù) 因此需投入大量的勘察 試驗工作 花費大量的勘察試驗費用 內(nèi)容概要 概述評價等級的劃分地下水環(huán)境影響分析評價地下水環(huán)境影響預測評價三維地下水運動與污染物運移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 三維地下水運動與污染物運移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 FEFLOW簡介主要功能及應用領域解決問題的技術條件軟件界面介紹案例演示 Feflow簡介 Feflow FiniteElementsubsurfaceFLOWsystem Feflow軟件由德國WA
11、SY公司開發(fā) 是模擬水流 污染物及熱量在孔隙介質(zhì)中飽和流及非飽和流狀態(tài)下運移的最直觀的軟件之一 主要功能及應用領域 水溶質(zhì)運移 熱流傳遞對流 擴散運移平衡吸附衰變 降解多溶質(zhì) 化學反應溶質(zhì)運移變密度溶質(zhì) 熱流運移 模擬溶質(zhì)運移 熱流傳遞 主要功能 地理信息系統(tǒng) 計算機輔助設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口結果可視化 分析工具三維可視化 動畫視頻定坐標及坐標轉換軟件作圖軟件參數(shù)擬合外部程序接口 IFM 應用領域 地下水資源管理地下水環(huán)境及污染控制地下水工程地下核工程采礦 應用領域 地熱開發(fā) 地下冷卻地下存儲工程新材料開發(fā) 干燥 隔離 膨化 農(nóng)業(yè) 灌溉 排水 鹽堿化 其它與地下水有關的應用 比如海水入侵 解決
12、問題的技術條件 確定模型區(qū)域準備所需數(shù)據(jù)地形圖 高程 土地使用情況 河流等 地質(zhì)資料水文及氣候方面數(shù)據(jù)地下水開采及補給狀況地下水 河流的相關觀測數(shù)據(jù)污染物數(shù)據(jù) 采用模型是2D還是3D 模型律定 驗證 模型的修改及糾正主要基于觀測井的觀測值水平衡分析已知的地下水等值線比較計算值與觀測值 模型類型 分類 FEFLOW用戶界面的結構 AdvancingFront法 優(yōu)點 速度快 生成的三角形極為規(guī)整缺點 生成網(wǎng)格時不能考慮附加點 線幾何特征 優(yōu)點 速度極快 能考慮幾何形態(tài)極為復雜的多邊形 包括點 線等附加條件 缺點 生成的三角形內(nèi)角略大于180度 過分考慮各種幾何形態(tài)的一致性 Tmesh法 案例演示
13、 案例演示 案例 當滲透系數(shù)為20 10 4m s 當滲透系數(shù)為10 10 4m s污染物運移過程運行結果比較 模型概化 設置模型區(qū)域 網(wǎng)格剖分 網(wǎng)格生成選項 網(wǎng)格剖分 生成單元格數(shù)量 網(wǎng)格剖分 問題分類 流初始條件 水頭 流初始條件 井 流物質(zhì) 導水系數(shù) 流物質(zhì) 源匯項 物質(zhì)邊界 問題匯總 運行 運行結果 運行結果3D圖 水頭等值線圖 抽水井a(chǎn) b濃度變化 滲透系數(shù)為20 10 4m s 抽水井a(chǎn) b周圍流線分布 滲透系數(shù)為20 10 4m s 預算分析 污染物分布 滲透系數(shù)為20 10 4m s 滲透系數(shù)為10 10 4m s 抽水井a(chǎn) b濃度的變化 滲透系數(shù)為20 10 4m s 滲透系數(shù)為10 10 4m s 滲透系數(shù)為20 10 4m s 滲透系數(shù)為10 10 4m s 剖面的濃度 剖面的濃度 滲透系數(shù)為20 10 4m s 滲透系數(shù)為10 10 4m s 謝謝
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