基于包气带-含水层耦合的地下水环境模拟方法和装置与流程

基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法和装置
技术领域
1.本发明实施例涉及环境保护技术，尤其涉及一种基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法和装置。


背景技术：

2.地下水作为重要的战略水资源和饮用水源，其环境质量是社会经济发展和生态环境安全的重要保障。近年来，由于工矿企业生产发展过程中废水及废渣的不适当排放、农业生产中肥料与农药的大量施加、生活污水管网渗漏及垃圾填埋场淋滤等潜在污染源的广泛分布，地下水环境面临的污染风险及防控压力十分巨大。鉴于地下水的特殊赋存条件，其污染过程是一个多来源、多介质组合、多因素影响、多时空交叉的复杂过程，污染现状是不同种类污染源输入与环境要素之间共同作用的长期结果。
3.数值模拟方法可以从揭示地下多孔系统中污染物迁移转化机理及过程的角度来判断地下水污染特征及时空延伸范围，识别污染现状的形成机制及演变趋势，从而能够及时准确定开展有针对性地防护与治理工作。
4.地表污染源经释放后，在包气带中的迁移转化过程及其到达含水层的浓度和时间直接决定着其对地下水是否产生影响；而含水层接受补给造成的水位波动又会影响到包气带中污染物的运移及其浓度分布情况。因此，采用数值模型来分析污染物自源头进入地下水的过程时，有必要考虑包气带与含水层之间的实时交互作用，建立两者之间的耦合模型更符合污染物运移的实际物理过程。
5.目前，基于时间尺度、空间尺度、维度复杂性以及偏重生
‑
物
‑
化过程等多个不同因素，已发展了多种包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型。根据耦合方式不同，耦合模型可分为：紧密耦合模型、松散耦合模型和单向耦合模型。其中，紧密耦合模型由于剖分网格量巨大、计算成本高、所需参数多等缺点，不适用于一般情况下地下水环境模拟的实际应用，尤其是区域或流域尺度问题；而单向耦合模型仅考虑包气带对含水层的单方面作用，存在模拟结果不可靠等问题。因此，如何建立准确的包气带
‑
含水层耦合的地下水环境数值模型，是准确反应地下水污染情况的关键技术。


技术实现要素：

6.本发明提供一种基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法和装置，为准确判断污染源对地下水的污染路径、范围及其程度提供了一种有效手段。
7.第一方面，本发明实施例提供一种基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法，包括：
8.获取研究区域的环境数据；
9.基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型；
10.根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。
11.在第一方面一种可能的实现方式中，基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，包括：
12.基于环境数据确定研究区域的包气带中水流及溶质迁移转化过程；
13.基于环境数据确定研究区域的含水层中水流及溶质运移过程；
14.对包气带中水流及溶质迁移转化过程和含水层中水流及溶质运移过程进行耦合求解，得到研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型。
15.在第一方面一种可能的实现方式中，对包气带中水流及溶质迁移转化过程和含水层中水流及溶质运移过程进行耦合求解，得到研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，包括：
16.对包气带中水流及溶质迁移转化过程采用hydurs1d求解，对含水层中水流及溶质运移过程采用modflow
‑
mt3dms求解，得到研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，其中，modflow
‑
mt3dms模型在每一流动时步初，将含水层模型计算得到的每个分区的平均地下水位埋深传递给hydrus1d，作为下边界条件；由hydrus1d计算得到该流动时间步长内通过包气带底部的水流总通量和溶质总通量，并传递给modflow
‑
mt3dms作为在该时段的水流和溶质补给项。
17.在第一方面一种可能的实现方式中，基于环境数据确定研究区域的包气带中水流及溶质迁移转化过程，包括：
18.在垂直方向的一维条件下，确定研究区域包气带中水分运动控制方程
[0019][0020]
其中，θ为体积含水量；t为时间；z为高程，向下为正；k
s
为饱和渗透系数，k
r
为相对渗透系数；h为压力水头，ss为根系吸水或其它源汇项大小；
[0021]
在垂直方向的一维条件下，确定研究区域包气带中溶质迁移转化控制方程
[0022][0023]
其中，c、s、g分别为液相、吸附相及气相污染物浓度；ρ为土壤容重；a
v
为体积含气量；d
w
为液相水动力弥散系数；d
g
为气相扩散系数；q为达西流速；s
r
为根系吸收的污染物含量；k
w
、k
s
、k
g
分别为液相、吸附相、气相污染物反应速率常数；
[0024]
包气带中土壤含水量与毛细压力之间的关系为p
c
＝
‑
p0[(s
e
)
‑
1/m
‑
1]
1/n
，其中，p
c
为毛细压力；p0为进气值；s
e
为有效含水量，s
e
＝(θ
‑
θ
r
)/(θ
s
‑
θ
r
)；θ
r
为残余体积含水量；θ
s
为饱和体积含水量；m为与孔隙尺寸分布特征有关的经验参数；
[0025]
包气带相对渗透系数为k
r
＝(s
e
)
ξ
[1
‑
(1
‑
(s
e
)
1/m
)
m
]2，其中，ξ为考虑土壤孔隙弯曲率影响的模型参数；
[0026]
包气带中液相与吸附相污染物之间的质量转移过程为其中k
d
、η、β分别为经验系数；
[0027]
包气带中液相与气相污染物之间的关系为g＝μ
g
c，其中，μ
g
为经验系数。
[0028]
在第一方面一种可能的实现方式中，基于环境数据确定研究区域的含水层中水流
及溶质运移过程，包括：
[0029]
确定研究区域含水层的水流控制方程
[0030][0031]
其中，h为地下水水位；k
x
、k
y
、k
z
分别为x、y、z方向上的渗透系数；w为研究区域含水层的源汇项，表示单位时间内含水层流入或流出的水量；s
s
为释水系数；
[0032]
含水层中污染物运移过程受各项因素影响，表示为
[0033][0034]
其中，r为迟滞因子，ρ
b
为含水层介质密度；i、j、k分别为直角坐标系中x、y、z方向；x
x
、x
y
、x
z
分别对应于x、y、z三个坐标轴方向；d
ij
为水动力弥散系数张量；c
s
为源汇项中污染物浓度；λ1为液相反应速率常数；λ2为吸附相反应速率常数。
[0035]
在第一方面一种可能的实现方式中，根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势，包括：
[0036]
根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型的模拟结果，量化通过包气带底部进入地下水的污染物通量的时空分布特征，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。
[0037]
在第一方面一种可能的实现方式中，根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势之前，还包括：
[0038]
对包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型进行验证。
[0039]
在第一方面一种可能的实现方式中，获取研究区域的环境数据，包括：获取研究区域的水文气象数据、河流断面水位水质及地下观测井水位水质数据、钻孔及典型地质剖面资料、地理空间资料及潜在污染源分布及强度。
[0040]
第二方面，本发明实施例提供一种基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟装置，包括：
[0041]
数据获取模块，用于获取研究区域的环境数据；
[0042]
模型构建模块，用于基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型；
[0043]
数据处理模块，用于根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。
[0044]
第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面任一种可能的实现方式的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法。
[0045]
本发明实施例提供的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法和装置，首先获取研究区域的环境数据；然后基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型；最后根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。由于建立了区域尺度包气带
‑
含水层水流及溶质迁
移转化耦合模型，实现了地下系统中包气带与含水层之间在每一计算时步的实时交互作用，量化分析了通过包气带底部污染物通量的变化趋势，准确识别了地下水污染的分布特征及其延伸范围。且模拟分析了地表污染源经包气带进入地下水的时空演变过程，为准确判断污染源对地下水的污染路径、范围及其程度提供了一种有效手段，可广泛应用于区域尺度上地下水环境的数值模拟、趋势预测及风险评估等方面。
附图说明
[0046]
图1为本发明实施例提供的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法的流程图；
[0047]
图2为包气带综合分区概念图；
[0048]
图3为研究区域包气带综合分区图；
[0049]
图4为研究区域三维地质结构分布情况示意图；
[0050]
图5为包气带模型与含水层模型的耦合流程图；
[0051]
图6为包气带底部多年平均硝氮通量示意图；
[0052]
图7为研究区域子区域61(图3所示)中通过包气带底部的水流通量、硝氮通量及平均地下水位随时间的变化情况；
[0053]
图8为本技术实施例提供的另一种基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法的流程图；
[0054]
图9为本发明实施例提供的一种基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟装置的结构示意图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0056]
图1为本发明实施例提供的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法的流程图，如图1所示，本实施例提供的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法包括：
[0057]
步骤s101，获取研究区域的环境数据。
[0058]
本实施例提供的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法用于基于地下饱和
‑
非饱和带中渗流及溶质迁移转化理论，建立考虑包气带
‑
含水层间实时交互作用的水流及溶质迁移转化耦合模型，量化分析经包气带淋滤进入地下水的污染物通量的时空分异特征，准确判断地表污染源对地下水的污染路径、范围及其程度。
[0059]
首先，需要获取研究区域的环境数据，该环境数据包括研究区域的水文、气象、水质、地质、潜在污染等各个方面的环境数据。其中，研究区域可以是任意大小的区域，需要根据研究区域的各种环境数据建立包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，对其分析后确定研究区域的地下水环境分布特征。
[0060]
在一实施例中，获取研究区域的环境数据，包括：获取研究区域水文气象数据、河流断面水位水质及地下观测井水位水质数据、钻孔及典型地质剖面资料、地理空间资料及潜在污染源分布及强度。
[0061]
由于研究区域的土地利用类型不同可以按照土地利用类型对研究区域进行分类，例如研究区域主要以农田、农村居民点和城镇用地为主，三者占比分别达50.1％、24.9％、6.9％。结合研究区域地下水中不同污染物浓度情况，选取硝氮作为具体的研究污染因子，潜在污染源主要考虑农田施肥、生活污水渗漏、畜禽粪便还田等三种因素。基于此，收集整理研究区域中水文气象数据、河流断面水位水质及地下观测井水位水质数据、钻孔及典型地质剖面资料、地理空间资料及潜在污染源分布及强度(农田氮肥施加时间与施加量，规模化畜禽养殖场废污水处理及排放方式、生活污水排放含氮量)等。
[0062]
步骤s102，基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型。
[0063]
在获取了研究区域的环境数据后，即可基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型。其中，由于传统的紧密耦合模型和单向耦合模型存在一定的问题，因此本实施例中采用一种松散耦合模型的设计思路，即借助单独的包气带模型和地下水模型，通过接口程序实现两者之间的实时交互作用，更能准确高效地反映区域尺度上地下水污染的发生发展过程及其污染范围与程度。
[0064]
具体地，构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，可以包括以下三个步骤：
[0065]
1)基于环境数据确定研究区域的包气带中水流及溶质迁移转化过程。
[0066]
考虑到三维饱和
‑
非饱和水流运动方程richards方程在求解过程中存在计算成本大及数值不稳定等问题，且包气带中流体运移多以垂向下渗为主，因此将其中的过程概化为一维情况，从而在保证结果准确稳定的同时大大降低计算成本。由于研究区域内降雨量、土地利用类型、包气带岩性结构、地下水位埋深及地表污染源分布等因素的空间分布不一致性，无法将整个研究区域包气带相关过程简化为一维情况，因此可选择关键要素分析叠加得到综合分区图，以多个子区域来精准刻画研究区域整体情况。
[0067]
例如图2的概念图所示，图2为包气带综合分区概念图，整个区域中降雨量、灌溉量、土地利用类型、包气带岩性结构、地下水位埋深及地表污染源分布等因素空间分布不一致，从而不同区域处含水层从包气带获取的水流通量及污染物通量不同，导致地下水中污染物浓度的空间分布各异，因此无法将整个研究区域的包气带相关过程简化为一维情况。因此，可选择其中的关键要素分析叠加得到研究区域的综合分区图，以多个子区域来精准刻画研究区域整体情况。图3为研究区域包气带综合分区图，如图3所示，根据气象站位置、土地利用类型、乡镇区划、包气带岩性结构分布、地下水位埋深及污染源分布情况，研究区域被划分为89个子区域，每个子区域分别采用一个包气带模型来表征其中的水流及氮素迁移转化过程。
[0068]
一维条件下，包气带中水分运动控制方程为：
[0069][0070]
式中，θ为体积含水量[l3l
‑3]；t为时间[t]；z为高程[l]，向下为正；k
s
为饱和渗透系数[lt
‑1]，k
r
为相对渗透系数[
‑
]；h为压力水头[l]，ss为根系吸水或其它源汇项大小[t
‑1]。
[0071]
一维条件下，包气带中溶质迁移转化控制方程为：
[0072][0073]
式中，c、s、g分别为液相、吸附相及气相污染物浓度[ml
‑3]；ρ为土壤容重[ml
‑3]；a
v
为体积含气量[l3l
‑3]；d
w
为液相水动力弥散系数[l2t
‑1]；d
g
为气相扩散系数[l2t
‑1]；q为达西流速[lt
‑1]；s
r
为根系吸收的污染物含量[ml
‑3t
‑1]；k
w
、k
s
、k
g
分别为液相、吸附相、气相污染物反应速率常数[t
‑1]。
[0074]
此外，包气带中土壤含水量与毛细压力、相对渗透系数之间的关系，即土水特征曲线及相对渗透率
‑
饱和度关系曲线，通常采用van genuchten模型和van cenuchten
‑
mualem模型来表征，包气带中土壤含水量与毛细压力之间的关系为：
[0075]
p
c
＝
‑
p0[(s
e
)
‑
1/m
‑
1]
1/n
[0076]
式中，p
c
为毛细压力[l]；p0为进气值[l]；s
e
为有效含水量[
‑
]，s
e
＝(θ
‑
θ
r
)/(θ
s
‑
θ
r
)；θ
r
为残余体积含水量[l3l
‑3]；θ
s
为饱和体积含水量[l3l
‑3]；m为与孔隙尺寸分布特征有关的经验参数[
‑
]，一般取0.2～3.0；参数n与m的关系通常为m＝1
‑
1/n。
[0077]
包气带相对渗透系数为：
[0078]
k
r
＝(s
e
)
ξ
[1
‑
(1
‑
(s
e
)
1/m
)
m
]2[0079]
式中，ξ为考虑土壤孔隙弯曲率影响的模型参数[
‑
]，一般取0.5。
[0080]
包气带中液相与吸附相污染物之间的质量转移过程可采用线性、freundlich和langmuir三种平衡等温吸附模式表示，其一般形式可表示为：
[0081][0082]
式中，k
d
、η、β分别为经验系数，依据吸附模式不同取值不同。
[0083]
包气带中液相与气相污染物之间的关系可表示为：
[0084]
g＝μ
g
c
[0085]
式中，μ
g
为经验系数，与henry常数、理想气体常数及绝对温度决定。
[0086]
以包气带中氨氮的吸附与硝化作用、硝氮的反硝化作用的研究为例，其中氨氮的吸附作用假定为线性吸附，硝化与反硝化作用符合一阶链式反应过程。模型水分运动的上边界(地表)为大气可产流边界，接受大气降水及灌溉的补给，底部边界为可变水头边界；溶质运移的上边界为可变浓度通量边界，根据潜在污染源强度及地表水流通量来确定，底部边界为零浓度梯度边界。
[0087]
2)基于环境数据确定研究区域的含水层中水流及溶质运移过程。
[0088]
图4为研究区域三维地质结构分布情况示意图，垂向上含水层可分为5层：潜水含水层、浅层承压含水层、深层承压含水层以及相间的两个弱透水层。因此，研究区域中地下水流过程及溶质运移过程可概化为非均质各向同性的三维非稳定流过程。
[0089]
基于地下水质量守恒原理及渗流定律，三维非均质、各向同性、非稳定地下水系统中水流的基本控制方程为：
[0090][0091]
式中，h为地下水水位[l]；k
x
、k
y
、k
z
分别为x、y、z方向上的渗透系数[lt
‑1]；w为研究
区域含水层的源汇项[t
‑1]，表示单位时间内含水层流入或流出的水量；s
s
为释水系数[l
‑1]。
[0092]
含水层中污染物运移过程受对流、水动力弥散、吸附
‑
解吸、生
‑
化
‑
物反应等因素影响，可表示为：
[0093][0094]
式中，r为迟滞因子[
‑
]，ρ
b
为含水层介质密度[ml
‑3]；i、j、k分别为直角坐标系中x、y、z方向；x
x
、x
y
、x
z
分别对应于x、y、z三个坐标轴方向；d
ij
为水动力弥散系数张量[l2t
‑1]；c
s
为源汇项中污染物浓度[ml
‑3]；λ1为液相反应速率常数[t
‑1]；λ2为吸附相反应速率常数[t
‑1]。
[0095]
含水层中液相与吸附相污染物之间的质量转移过程同样可采用线性、freundlich和langmuir三种平衡等温吸附模式表示。
[0096]
以图2和图3所示研究区域为例，水平方向上，研究区域中潜水含水层的东北部、北部及西北部接受山区侧向补给，处理为第二类流量边界；南部属于人为边界，与下游含水层发生水量交换，采用通用水头边界处理；浅层、深层承压含水层侧向边界均采用通用水头边界。垂向上，潜水含水层作为上边界，接受通过包气带底部的水流通量及污染物通量的补给，其中含水层中的溶质运移过程仅考虑硝氮的对流
‑
弥散过程；模型底部以第四系岩层底界为界，处理为不透水边界；相邻含水层之间的垂向水量交换即越流补给强度由含水层的垂向渗透系数和两者之间的水头差确定。
[0097]
3)对水流及溶质迁移转化过程和水流及溶质运移过程进行耦合求解，得到研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型。
[0098]
一维条件下包气带中水分运动及溶质迁移转化过程采用hydurs1d求解，具体利用伽辽金有限元及有限差分方法求解。含水层中水流及溶质运移过程采用modflow
‑
mt3dms求解，模拟时段被划分为若干应力期，每一应力期又分为若干流动时间步，用于求解不同单元不同时间对应的水头；由于溶质运移过程的求解具有更为严格的稳定性约束和精度要求，因此，每一流动时间步又被划分为若干运移时间步，每一运移时间步内各单元水头保持不变。
[0099]
包气带与含水层在交界面处的相互作用主要体现在：水流及污染物通过包气带底部进入地下水的通量决定地下水中水位及污染物浓度变化；反之，地下水位变化又影响包气带中水分运动与溶质迁移转化过程。两者之间的耦合求解过程如下：modflow
‑
mt3dms模型在每一流动时步初，将含水层模型计算得到的每个分区的平均地下水位埋深传递给hydrus1d，作为其下边界条件；之后由hydrus1d计算得到该流动时间步长内通过包气带底部的水流总通量和溶质总通量，并传递给modflow
‑
mt3dms作为其在该时段的水流和溶质补给项。其中，由于一维richards方程的高度非线性，hydrus1d的计算时间步长远小于modflow
‑
mt3dms中的任一流动时间步长。因此，包气带
‑
含水层水流与溶质迁移转化耦合模型主要以modflow
‑
mt3dms为主程序，hydrus1d作为其中关于包气带流体运移的子模块，两者之间的交互作用在每一流动时步重复完成，直至达到预先设定的总模拟时长。
[0100]
图5为包气带模型与含水层模型的耦合流程图，如图5所示，含水层中水流及溶质
运移过程通过modflow
‑
mt3dms主程序求解，包气带中水分运动及溶质迁移转化过程通过hydurs1d子程序求解。
[0101]
步骤s103，根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。
[0102]
基于包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型的模拟结果，量化通过包气带底部进入地下水的污染物通量的时空分布特征，识别地下水中污染物浓度的分布特征及其演化趋势。
[0103]
图6为包气带底部多年平均硝氮通量示意图，图中示出研究区域中通过包气带底部淋失的硝氮通量多年平均值。通过包气带底部的硝氮通量高值区主要集中于研究区域东北部，多年平均值最高达52.82g/m2。此种现象是由于研究区域东北部潜水位以上的包气带岩性颗粒较粗，主要以砂砾石为主，因此在降雨入渗及灌溉回补条件下，由于包气带进入含水层的水流通量较大，在对流及水动力弥散作用下，进入含水层的硝氮通量也较高；此外，粗颗粒介质有利于包气带中氨氮的硝化作用，从而增加了包气带中用于淋失的硝氮含量。由此，在通过包气带底部硝氮通量的长期持续作用下，研究区域东北部的地下水硝氮浓度较高。
[0104]
图7为研究区域子区域61(图3所示)中通过包气带底部的水流通量、硝氮通量及平均地下水位随时间的变化情况。可见，在包气带与含水层交界面处的对流与水动力弥散作用下，通过包气带进入地下水的水流通量与硝氮通量变化趋势较为相似；在季节性的水流入渗及氮源输入的情况下，两者在年内均呈现出规律性波动。此外，该子区域的平均地下水位也呈现逐年上升的趋势，其变化达15.0m左右。
[0105]
本实施例提供的基于包气带
‑
含水层耦合的地下水环境模拟方法，首先获取研究区域的环境数据；然后基于环境数据构建研究区域的包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型；最后根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。由于建立了区域尺度包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，实现了地下系统中包气带与含水层之间在每一计算时步的实时交互作用，量化分析了通过包气带底部污染物通量的变化趋势，准确识别了地下水污染的分布特征及其延伸范围。且模拟分析了地表污染源经包气带进入地下水的时空演变过程，为准确判断污染源对地下水的污染路径、范围及其程度提供了一种有效手段，可广泛应用于区域尺度上地下水环境的数值模拟、趋势预测及风险评估等方面。
[0106]
进一步地，在图1所示实施例中，根据包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势之前，还包括：对包气带
‑
含水层水流及溶质迁移转化耦合模型进行验证。采用包气带及含水层中的实测数据，如包气带不同深度处含水量及污染物含量、不同含水层中水位及污染物浓度等，根据模拟值与实测值之间的拟合程度，不断修改其中较为敏感的经验参数，直至两者拟合程度达到可接受的精度要求。
[0107]
具体地，由于缺少包气带中的土壤水分及氮素含量的相关数据，因此，本实施例中建立的包气带
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含水层耦合模型仅采用潜水含水层水位及硝氮浓度的实测数据来验证(浅层、深层承压含水层中的硝氮浓度均小于1mg/l，本实施例不做考虑)。潜水含水层中的水位波动及硝氮浓度变化直接由通过包气带底部的水流通量及硝氮通量来决定，而水流/硝氮
通量与包气带中发生的氮素迁移转化过程有关，因此，含水层中的实测数据在一定程度上能够反映包气带与含水层之间的相互作用。
[0108]
图8为本技术实施例提供的另一种基于包气带
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含水层耦合的地下水环境模拟方法的流程图，如图8所示，在获取研究区域的水文气象资料、水质数据、地质资料、地理空间资料，潜在污染源资料后，构建包气带
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含水层水流及污染物迁移转化耦合模型。然后对包气带模型和含水层模型进行耦合求解，并对模型参数及边界条件率定验证。验证完成后模拟结果输出，最终可以得到包气带底部水流通量、包气带底部污染物铜梁、地下水位波动、地下水流长、地下水污染物浓度分布特征及延伸范围等地下水中污染物浓度的分布特征及其演化趋势。
[0109]
图9为本发明实施例提供的一种基于包气带
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含水层耦合的地下水环境模拟装置的结构示意图，如图9所示，本实施例提供的基于包气带
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含水层耦合的地下水环境模拟装置包括：
[0110]
数据获取模块91，用于获取研究区域的环境数据；模型构建模块92，用于基于环境数据构建研究区域的包气带
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含水层水流及溶质迁移转化耦合模型；数据处理模块93，用于根据包气带
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含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。
[0111]
本实施例提供的基于包气带
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含水层耦合的地下水环境模拟装置用于执行图1所示基于包气带
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含水层耦合的地下水环境模拟方法，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
[0112]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该程序被处理器执行实现一种基于包气带
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含水层耦合的地下水环境模拟方法，该方法包括：获取研究区域的环境数据；基于环境数据构建研究区域的包气带
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含水层水流及溶质迁移转化耦合模型；根据包气带
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含水层水流及溶质迁移转化耦合模型，确定研究区域的地下水环境分布特征和演化趋势。
[0113]
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
[0114]
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于ram、rom、eeprom、cd
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rom或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
[0115]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。