北方典型岩溶裂隙含水系统水流及特征污染物数值模拟研究

Numerical simulation research of the typical karst-fractured aquifer system in North China has important significance in the karst water research of the world because that influencing factors of its water quantity and water quality are complex and uncertainty. The research of realizing synchronous simulation of hydrodynamic field and water chemical field is still not mature, and it is necessary to study numerical simulation of karst-fractured aquifer system to promote the development of karst dynamics and optimize karst-fractured water environment. The project chose the Dawu water source located in Zibo city, Shandong province, China that has strong research foundation and abundant data, which is carried out based on the system science of groundwater. The project aims to ① find out the interaction mechanism and variation characteristics of common chemicals and petroleum compounds of groundwater system through hydrogeochemical technologies, ② build three-dimensional unsteady flow model in different periods based on series of TOUGH programs and theories of Dual-medium model (DMM), Discrete fracture network model (DFN), ③ build the solute transport model of groundwater with the blend of predominance of ① (hydrogeochemical technologies) and ② (groundwater numerical simulation) based on the TMVOC program, and simulate the dynamic changes of water field and water chemicals of the typical karst-fractured aquifer system in different scenarios, which can provide scientific basis for realizing sustainable development of karst-fractured groundwater resource and optimizing karst-fractured groundwater environment.

中国北方典型岩溶裂隙含水系统的数值模拟研究在世界岩溶领域具有重要意义，由于其水量和水质的影响因素复杂且存在不确定性，实现其水化学场和水动力场同步模拟的研究尚不成熟，因此很有必要弄清岩溶裂隙含水系统的数值模拟研究以推进岩溶动力学的发展和优化岩溶裂隙水环境。本项目拟选取研究基础强且资料丰富的山东省淄博市大武水源地，基于地下水系统科学的角度，开展①利用水文地球化学技术分析区内地下水基本水化学参数、组分与石油有机污染组分之间的相互作用机制及动态变化特征，②基于TOUGH系列程序、双重介质和离散裂隙网络理论建立孔隙-裂隙含水层三维非稳定水流模型和③基于TMVOC模块建立①（水文地球化学技术）与②（地下水水流模拟）融合的溶质运移模拟；结合人类活动的影响，进而模拟不同情景下北方典型岩溶裂隙含水系统水化学场和水动力场的动态变化特征，为实现岩溶裂隙水资源的可持续开发利用和优化岩溶裂隙水环境提供科学依据。

本项目选取具有长期监测数据和丰富研究基础的北方典型岩溶裂隙含水系统——大武水源地，耦合水文地球化学和数值模拟技术开展石油类有机物在岩溶裂隙含水层中的运移机制。利用水文地球化学方法和统计学方法分析可知区内影响地下水水化学的主要过程为水岩相互作用、阳离子交替吸附作用及溶滤作用，且其持续受到人类活动的影响。利用碳酸盐岩矿物和有机物的δ13C值、水体的HCO3-和δ13CDIC值，利用线性质量守恒方程计算得出石油类有机物生物降解贡献地下水HCO3-的平均值是33.93%。在基于定性预测的高风险区和高级别预警区内，近30年来，石油类有机物具有明显地降低趋势，利用一级动力学模型计算的平均衰减系数为3.76×10-3 d-1。岩溶裂隙含水层整体上水力连通性较好，具有统一的地下水水面；水动力场受降水量和人类用水量的变化而变化；近年来，虽然地下水水位持续降低，但水动力场持续呈稳定状态。不同时期（1999年、2009年和2019年）石油类有机物与水化学指标（DO、DOC、Cl-、HCO3-、pH、NO3-和SO42-）间的相互作用机制研究表明区内石油类有机物的生物降解过程中有氧呼吸和厌氧呼吸同时存在，与同位素（δ15NNO3、δ18ONO3、δ13CDIC和δ13CDOC）技术相结合进一步分析可知该过程无产甲烷过程的发生。耦合水文地球化学和数值模拟技术的石油类有机物的运移机制研究可知近30年对流、弥散、稀释等物理过程和生物降解过程对石油类有机物衰减贡献率的平均值分别为31.53%和68.47%，消耗电子受体NO3-的石油类有机物生物降解量占总生物降解量的90.69%。目前，基于电子受体有限动力学模型计算石油类有机物的降解容量为27.48mg/L，远远大于现有石油类有机物的最大值（361.13μg/L），基于一级动力学衰减速率预测6年后可彻底降解地下水中的石油类有机污染物。岩溶裂隙含水层中石油类有机物的长期污染，明显地改变了水体水化学类型，且降低了水体环境质量，对人类健康带来风险。本项目的研究在石油类有机污染修复技术研发和岩溶裂隙水环境优化等方面具有重要的科学指导价值。