Navigation:  理解地下水 > 如何建立地下水污染模型？

地下水污染模拟一般来说是指求取污染物在地下水中浓度随时空变化的过程。目前应用较为广泛的是水相污染物的数学模拟，油相污染物由于遵循不同的物理过程由其他专门模拟工具进行模拟。与地下水流模拟类似，对于高度简化的概念型地下水污染问题，可以直接建立浓度随时空变化的控制方程，并在给定边界条件后求取解析解或近似解，用以模拟地下水污染物的时空演化。现实世界中边界条件通常较为复杂，在无法求得微分方程解析解的情况下，可以通过求取数值解来考察地下水污染物的变化，目前已有许多机构开发了地下水污染运移数值计算的代码和界面可供选择。最简单的污染模型依附于水流模型，将污染物视同随水运行的质点，通过追踪质点的轨迹来模拟污染物的运移规律。更为全面的污染模型则要基于已有的离散化流场，考虑污染物在对流、弥散、吸附、反应等物理化学生物过程共同作用下的演化规律。

北京某垃圾填埋场的渗滤液在长期运行过程中对地下水环境造成了影响。在对填埋厂周边地下水流和水质进行了长期勘察后建立了地下水污染模型。图为污染发生1年后（上图）和25年后（下图）氯离子在地下水中的分布模拟结果。其中绿色圆柱为监测井位置，污染物烟羽中红色代表较高浓度，蓝色代表较低浓度（图片来源：内部交流资料）

与地下水流的数值模拟类似，地下水污染的控制方程也是基于微单元内的污染物总量守恒的原理，即污染物流入量在扣除流出量和其他源汇项后应与单元内污染浓度变化线性相关。在给定的微单元内，污染物的对流过程由地下水的达西流（已知）控制，弥散过程由综合弥散系数（D）控制，吸附过程由分配系数（Kd）控制，其他的反应项和源汇项也分别由相对应的参数控制。这样，在沿用水流模型的有限差方法对空间和时间进行剖分后，有多少个计算单元，就可以写出多少个方程，而这些方程中的未知数就是各计算单元中的污染物浓度值。根据之前已经完成的污染概念模型，可以对特定的空间单元定义污染物流入或流出的边界条件。这时，地下水的污染模拟问题就又变成了大型矩阵的求解问题，可以由计算机代劳了。

对于几何形态简单、参数分布均匀的体系，研究其中诱发溶质迁移的独立作用过程已十分繁杂。而野外实际问题中这些过程的相互作用往往比单独作用更为重要。野外问题的模型通常是三维的，边界条件非常复杂；其中的关键参数往往会随空间变化，在一些情况下甚至会随时间变化。又由于污染物在地下水中的实际运移常常由优先通道控制，这违反了达西流的均匀流假设，所以污染模型的校准与水流模型相比需要更为详细的现场调查数据支持。这些情况都造成了污染模型的预测结果相比水流模型通常面临更多的不确定性。在实际模拟工作中常遇到模型通过调参与实测值拟合较好，但应用到其它区域或年份时又出现较大误差，说明模型对实际物理过程的描述还不够准确。

与水流模型类似，校准也是地下水污染模型应用的必要步骤。这时需要不断调整模型输入参数，直到模型输出变量与野外观测值达到适当匹配程度的过程。模型输出变量可以是水头、流量、浓度、污染物运移时间、或污染物去除率，具体由模拟目标决定。大量经验说明，模型校准是一个非唯一性的过程。许多参数组合可能显著不同，但能够提供与观测值同等合理匹配的模拟结果。非唯一性问题是模型校准及预测的根本难题，解决办法只有获取更多的实地数据和更准确的参数范围。