第四章地下水環(huán)境影響預(yù)測 濟(jì)南大學(xué)王維平教授Stu wangwp 13953162318 內(nèi)容概要 概述評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分地下水環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)地下水環(huán)境影響預(yù)測評(píng)價(jià)三維地下水運(yùn)動(dòng)與污染物運(yùn)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(píng)價(jià)工作從內(nèi)容上大致可分為兩類 一是注重建設(shè)工程對(duì)地下水水質(zhì)及其介質(zhì)環(huán)境的影響評(píng)價(jià) 二是與地下水有關(guān)的非污染性環(huán)境影響評(píng)價(jià) 概述 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作從時(shí)間上大致可分為兩個(gè)階段 早期的環(huán)評(píng)工作 更注重評(píng)價(jià)污廢水下滲進(jìn)入含水層 對(duì)地下水造成污染的可能性 近年來除了上述工作外 同時(shí)注重了建設(shè)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(píng)價(jià)等級(jí)的劃分地下水環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)地下水環(huán)境影響預(yù)測評(píng)價(jià)三維地下水運(yùn)動(dòng)與污染物運(yùn)移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分 工程特點(diǎn)環(huán)境特點(diǎn)國家及當(dāng)?shù)卣C布的有關(guān)法律 規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)所處地理位置 按照 環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 要求 地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)可劃分為三個(gè)工作等級(jí) 等級(jí)的劃分應(yīng)以下列因素作為確定的依據(jù) 評(píng)價(jià)等級(jí)劃分的依據(jù) 對(duì)于一級(jí)評(píng)價(jià) 需掌握區(qū)域和當(dāng)?shù)剌^詳細(xì)的地址和水文地質(zhì)資料等 選用較復(fù)雜的模式評(píng)價(jià)地下水的水質(zhì)和水量對(duì)于二級(jí)評(píng)價(jià) 需掌握附近地區(qū)的水文地質(zhì)資料等 利用比較復(fù)雜的模式進(jìn)行評(píng)價(jià) 主要以評(píng)價(jià)水質(zhì)為主 有條件下也可對(duì)水量進(jìn)行評(píng)估三級(jí)評(píng)價(jià)只需利用現(xiàn)有資料 一般說明地下水分布情況 選用簡單模式粗略評(píng)價(jià)水質(zhì)好壞 不能定量評(píng)價(jià)時(shí) 可只給出定性分析 對(duì)不同等級(jí)評(píng)價(jià)的基本要求 內(nèi)容概要 概述評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分地下水環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)地下水環(huán)境影響預(yù)測評(píng)價(jià)三維地下水運(yùn)動(dòng)與污染物運(yùn)移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(yù)測評(píng)價(jià)的基礎(chǔ) 也是定性評(píng)價(jià)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(shè)工程對(duì)地下水的影響過程 評(píng)價(jià)其影響結(jié)果是十分困難的 目前尚無成熟的評(píng)價(jià)模式和方法 也無統(tǒng)一的技術(shù)導(dǎo)則可循 在實(shí)際中 多對(duì)產(chǎn)生污染的可能性 污染途徑及可能的影響程度進(jìn)行總體分析 進(jìn)而提出防止污染物滲入地下的保護(hù)措施 此做法基于 定量評(píng)價(jià)過于復(fù)雜評(píng)價(jià)工作目的是控制污染 保護(hù)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(fù)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(jìn)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(píng)價(jià)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(bǔ)給 徑流 排泄條件水質(zhì)概況地下水的開發(fā)利用定性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的方法和步驟 分析建設(shè)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 宏觀確定建設(shè)項(xiàng)目選址的可行性 分析建設(shè)工程所在區(qū)域的地形地貌 地質(zhì)構(gòu)造 水文地質(zhì)單元 建立區(qū)域地下水補(bǔ) 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(shè)工程所在地的包氣帶類型 巖性結(jié)構(gòu) 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(jié)論 4 分析評(píng)價(jià)工作中需注意的其他問題 某些組分的超標(biāo) 并不直接意味著建設(shè)項(xiàng)目的污染 應(yīng)了解本地區(qū)的地下水化學(xué)背景 注意調(diào)查了解建設(shè)項(xiàng)目所在地的礦產(chǎn)分布情況 建設(shè)項(xiàng)目特征污染物是一種污染物指示劑 應(yīng)作為分析評(píng)價(jià)的重點(diǎn) 內(nèi)容概要 概述評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分地下水環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)地下水環(huán)境影響預(yù)測評(píng)價(jià)三維地下水運(yùn)動(dòng)與污染物運(yùn)移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 地下水環(huán)境影響預(yù)測評(píng)價(jià) 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的彌散理論溶質(zhì)運(yùn)移方程初始條件和邊界條件溶質(zhì)運(yùn)移方程的求解方法及其應(yīng)用 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的彌散理論 溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型是以水動(dòng)力彌散理論為基礎(chǔ)的 水動(dòng)力彌散理論主要研究多孔介質(zhì)中溶質(zhì)運(yùn)移的機(jī)理 定量地描述可溶混流體彼此之間相互驅(qū)替的過程 以及溶質(zhì)溶度在實(shí)踐和空間上的變化規(guī)律 水動(dòng)力彌散是大量的單個(gè)溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)通過孔隙的實(shí)際運(yùn)移與發(fā)生在孔隙中的各種物理和化學(xué)現(xiàn)象的宏觀反應(yīng) 造成彌散現(xiàn)象的主要原因是機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散這兩種物質(zhì)運(yùn)移過程同時(shí)作用的結(jié)果 當(dāng)溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中流動(dòng)時(shí) 機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散以不可分割的形式共同起作用 兩者的綜合結(jié)果成為水動(dòng)力彌散 機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散 當(dāng)流速較大時(shí) 機(jī)械彌散在水動(dòng)力彌散中起主要作用 這是常見的情況 當(dāng)流速較小時(shí) 分子擴(kuò)散作用在水動(dòng)力彌散中起的地位變得更重要 機(jī)械彌散和分子擴(kuò)散都會(huì)使溶質(zhì)既在平均流速方向擴(kuò)散又沿垂直于平均流速的方向擴(kuò)散 前者稱為縱向彌散后者成為橫向彌散 溶質(zhì)運(yùn)移方程 溶質(zhì)在自由溶液中的擴(kuò)散服從Fick定律 該定律表明 單位時(shí)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(kuò)散通量Da 溶質(zhì)在自由液體中的擴(kuò)散系數(shù)gradC 溶質(zhì)在溶液中的溶度梯度 溶質(zhì)運(yùn)移方程 理論與實(shí)驗(yàn)研究證明 在多孔介質(zhì)中 溶質(zhì)的擴(kuò)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(kuò)散通量可以表示為 式中 JD 溶質(zhì)在溶質(zhì)中的擴(kuò)散通量 土壤體積含水率Dd 溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù) 根據(jù)質(zhì)量守恒原理 在均值各項(xiàng)同性非飽和介質(zhì)中 溶質(zhì)運(yùn)移的基本方程為 上式左端項(xiàng)表示單位體積多孔介質(zhì)中溶質(zhì)質(zhì)量隨時(shí)間的變化率右端第一項(xiàng)為彌散項(xiàng)右端第二項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)第三項(xiàng)為源匯項(xiàng)上述方程為水動(dòng)力彌散方程 也稱對(duì)流彌散方程 水動(dòng)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(shí)間區(qū)域 0 T 給出研究區(qū)域內(nèi)的所有水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù) 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(shí)刻t 0時(shí)研究區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)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(cè)第一項(xiàng)為彌散通量 第二項(xiàng)為對(duì)流通量 溶質(zhì)運(yùn)移方程的求解方法及其應(yīng)用 實(shí)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(yùn)移問題的基本思路是 把連續(xù)的問題離散化把相應(yīng)線性方程組的解作為原問題的近似解 上述方法的優(yōu)點(diǎn) 易于處理非均質(zhì)問題和具有復(fù)雜邊界形狀的問題 定量預(yù)測評(píng)價(jià)工作的主要困難 必須詳細(xì)勘察地質(zhì) 水文地質(zhì)條件 取得大量的相關(guān)信息和參數(shù) 因此需投入大量的勘察 試驗(yàn)工作 花費(fèi)大量的勘察試驗(yàn)費(fèi)用 內(nèi)容概要 概述評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分地下水環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)地下水環(huán)境影響預(yù)測評(píng)價(jià)三維地下水運(yùn)動(dòng)與污染物運(yùn)移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 三維地下水運(yùn)動(dòng)與污染物運(yùn)移模擬軟件系統(tǒng) FEFLOW 及案例演示 FEFLOW簡介主要功能及應(yīng)用領(lǐng)域解決問題的技術(shù)條件軟件界面介紹案例演示 Feflow簡介 Feflow FiniteElementsubsurfaceFLOWsystem Feflow軟件由德國WASY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(yùn)移的最直觀的軟件之一 主要功能及應(yīng)用領(lǐng)域 水溶質(zhì)運(yùn)移 熱流傳遞對(duì)流 擴(kuò)散運(yùn)移平衡吸附衰變 降解多溶質(zhì) 化學(xué)反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移變密度溶質(zhì) 熱流運(yùn)移 模擬溶質(zhì)運(yùn)移 熱流傳遞 主要功能 地理信息系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口結(jié)果可視化 分析工具三維可視化 動(dòng)畫視頻定坐標(biāo)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件作圖軟件參數(shù)擬合外部程序接口 IFM 應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域 地?zé)衢_發(fā) 地下冷卻地下存儲(chǔ)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(guān)的應(yīng)用 比如海水入侵 解決問題的技術(shù)條件 確定模型區(qū)域準(zhǔn)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(bǔ)給狀況地下水 河流的相關(guān)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(yàn)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(jì)算值與觀測值 模型類型 分類 FEFLOW用戶界面的結(jié)構(gòu) AdvancingFront法 優(yōu)點(diǎn) 速度快 生成的三角形極為規(guī)整缺點(diǎn) 生成網(wǎng)格時(shí)不能考慮附加點(diǎn) 線幾何特征 優(yōu)點(diǎn) 速度極快 能考慮幾何形態(tài)極為復(fù)雜的多邊形 包括點(diǎn) 線等附加條件 缺點(diǎn) 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 案例演示 案例 當(dāng)滲透系數(shù)為20 10 4m s 當(dāng)滲透系數(shù)為10 10 4m s污染物運(yùn)移過程運(yùn)行結(jié)果比較 模型概化 設(shè)置模型區(qū)域 網(wǎng)格剖分 網(wǎng)格生成選項(xiàng) 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(dǎo)水系數(shù) 流物質(zhì) 源匯項(xiàng) 物質(zhì)邊界 問題匯總 運(yùn)行 運(yùn)行結(jié)果 運(yùn)行結(jié)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(yù)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