基于Visual Modflow的昆明盆地北部孔隙水入湖通量及其氮、磷负荷数值模拟

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近年来湖泊富营养化问题已引起广泛关注,湖泊富营养化及其引发的蓝绿藻“水华”暴发问题是世界湖泊面临的最大问题。在昆明市的经济发展中起着重要作用的滇池也面临着同样的问题。由于人类活动的影响,孔隙水受到严重的污染,通过地下水进入湖泊的营养负荷显得越来越重要,特别是对湖泊水体的富营养化起到了促进作用。湖泊富营养化的主要原因是过量氮、磷的汇入。根据这一机理,以往湖泊富营养化的治理中主要采取的是“控外源”和“减内源”的措施,但是湖泊富营养化问题还是没有从根本上得到减轻,为控制环境,寻找滇池退化机理,更好的了解营养物质通过地下水渗入湖泊的规律,找出湖泊富营养化产生的原因,本文从昆明盆地北部孔隙水入手(因为孔隙水埋藏浅,受污染程度高)来探讨其入湖水量及其所携带的N、P营养负荷对湖泊水体富营养化的贡献,为滇池流域地下水入湖量及其所携带的氮、磷营养负荷量的确定提供科学的依据。本文综合国内外相关内容的调查研究,利用国内外比较流行的Visual Modflow软件模拟了昆明盆地北部孔隙水入湖通量及其氮、磷负荷量。通过研究,得出如下结论:1)根据盆地内孔隙水水位监测点历年实测资料情况,结合地下水水位变化的动态特征及其影响条件,将研究区内地下水年内变化动态特征划分为以下三种类型:降雨型、开采型和灌溉型。从盆地边缘向中心,地下水水位动态变化减小。近20年来研究区西部、北部地下水水位表现出缓慢抬升的过程。而研究区东部边缘和南部呈贡附近地下水依然受开采影响,水位呈下降趋势。由于土地利用的巨大变化,使得研究区.90年代以来进入一个相对丰水期,并且降雨量的增加是昆明盆地北部孔隙水水位整体抬升的根本原因。2)模拟昆明盆地北部的地下水流时,应用了国际上广泛使用并得到普遍认可的Visual Modflow(可视化地下水流动模型)。模型在平面上离散为52×44的正方形网格(小均衡域),每个网格的大小为500×500m~2;垂向上的离散根据研究区地层岩性、水文地质结构、钻孔剖面等并进行了详细的分析,将模拟区离散为五层:第一层为壤土层,厚1.5m:第二层为粉砂质粘土层,厚7.5m;第三层为粉砂土层,厚3m;第四层为砂砾石土层,厚5m;第五层为弱透水的粘土层,认为是相对隔水层,底边界为非水平边界。含水层厚度变化为3—17m。为了减小模型的复杂性,本次研究不考虑流域内河流等地表水体对地下水的影响(经过概化后MODFLOW软件本身可以进行模拟),主要考虑长期的地下水位变化动态及降雨对地下水的影响。此次模型将湖泊看成是含水层的一部分,将湖泊所在区域的含水层设置为具有高渗透率的单元格,而且将湖泊所在区域设置为定水头边界条件,即将湖泊的水位作为已知的边界条件输入到模型中。边界条件用水位控制,模拟区的外边界用观测井的历年监测资料的月平均水位资料作为边界条件,滇池的水位则采用历年月平均水位资料,初始条件采用1984年1月的水位。3)本文尝试性的对昆明盆地北部地下水的入湖量进行了定量计算,首次给出昆明盆地北部地下水入湖量在6.5×10~6—6.9×10~6m~3/a之间,其与地表径流量6.65亿m~3/a相比,是地表径流量的0.98%—1.04%;其所携带的氮、磷入湖量的范围分别在27.13t—406.26t/a、1.84t—10.04t/a,其与地表径流所携带的氮、磷量14155t/a、1486t/a相比,地下水所携带的氮、磷入湖量分别是地表径流所携带的氮、磷入湖量的0.2%—2.8%、0.12%—0.67%。此项研究填补了昆明盆地北部研究中入湖量定量研究的空白,丰富了昆明盆地北部地下水研究的内容和方法,为滇池流域地下水中营养盐入湖通量的确定提供了科学依据。4)地下水流场分析结果:昆明盆地北部地下水的补排关系比较简单,在本模型中,降水是影响地下水流场的主要因素,在不同的季节,地下水等水位线总会向湖或者是向岸上移动,这种移动主要是受研究区降水影响的结果。降水量是随时间的变化而变化的,因而研究区的地下水等水位线也是随时间呈动态移动的。具体来说,降水量的增加将引起地下水水位的相应的升高。地下水等水位线将向湖移动;反之,则向岸上移动。5)模型模拟中地下水的主要补给量为大气降水,降水量的年变化总的趋势是上升的。而地下水及其N、P营养负荷的入湖量则呈下降的趋势,就其原因,主要是因为模拟区处于昆明市所在地,最近13年土地利用发生了很大的变化,建设用地、林草地和园地在增加;耕地、未利用土地在减少。再加上近年来昆明市由于地下管网和水泥路面的完善,降水入渗补给地下水的量也因此而减少。因此,地下水进入湖泊的量也随之减少。
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