摘要本文通過介紹地下水污染溶質(zhì)運(yùn)移的理論模型及研究進(jìn)展，以及可應(yīng)用的計(jì)算軟件；提出目前地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型仍存在的問題，并對(duì)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
　　關(guān)鍵詞地下水污染溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)展
　　
　　地下水污染溶質(zhì)運(yùn)移模型是指運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬方法研究污染物在地下水中遷移、轉(zhuǎn)化，通過模擬可溶性污染物在地下水中遷移時(shí)濃度的時(shí)空變化規(guī)律，預(yù)測地下水污染的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)與擴(kuò)展范圍，可以更好的為防治地下水污染提供科學(xué)依據(jù)。
　　1溶質(zhì)運(yùn)移研究的理論基礎(chǔ)
　　目前，關(guān)于地下水溶質(zhì)運(yùn)移行為特征的模型主要有兩種：一是溶質(zhì)的水動(dòng)力運(yùn)移模型，描述水文和物理的溶質(zhì)運(yùn)移過程；二是溶質(zhì)的多組分化學(xué)平衡模型，研究的是在各種復(fù)雜化學(xué)作用下的溶質(zhì)形態(tài)分布的狀況。
　　（1）水動(dòng)力運(yùn)移模型
　　水動(dòng)力運(yùn)移模型即傳統(tǒng)的對(duì)流彌散模型，以多孔介質(zhì)中的物質(zhì)運(yùn)輸理論為基礎(chǔ)，遵循質(zhì)量守恒定律而建立的偏微分方程。溶質(zhì)是非揮發(fā)性物質(zhì)，當(dāng)氣相物質(zhì)被忽略時(shí)，溶質(zhì)運(yùn)移方程表達(dá)式為：
　　
　　式中V=q/為達(dá)西速度（L/T）：h為壓力水頭（L）；為衰變常數(shù)（1/T）；為介質(zhì)的干容重（M/L3）；為修正的介質(zhì)壓縮系數(shù)（1/L）；M為其他過程的源匯項(xiàng)（M/L3）。
　　（2）化學(xué)平衡模型
　　對(duì)于已知其原理的化學(xué)反應(yīng)，模型的建立一般基于以下原理：質(zhì)量守恒定律，質(zhì)量作用定律，電中性方程。在局部平衡的假設(shè)下，各組分的每種化學(xué)反應(yīng)均可由代數(shù)方程描述，以絡(luò)合反應(yīng)為例：
　　絡(luò)合物由基本組分形成：
　　
　　平衡時(shí)的質(zhì)量作用定律可以表示為：
　　
　　為平衡常數(shù)，為反應(yīng)計(jì)量系數(shù)，為基本組分的電荷數(shù)，為反應(yīng)計(jì)算系數(shù)，為基本組分的電荷數(shù)，為絡(luò)合物的電荷數(shù)。熱動(dòng)力學(xué)活度，可近似表達(dá)為：
　　
　　式中為活度系數(shù)，為溶解組分的摩爾濃度。
　　2國內(nèi)外研究進(jìn)展
　　2.1國外研究進(jìn)展
　　自上世紀(jì)開始可以分為三個(gè)階段：
　　第一階段在70年代：是在水動(dòng)力模型研究基礎(chǔ)上開始地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型的研究。通過簡化的和統(tǒng)計(jì)的模型研究各種水動(dòng)力彌散理論，制定出了測定溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)的方法。代表作為以色列學(xué)者Jacob、bear分別發(fā)表的著作《Dynamicsoffluidsinporousmedia》和《Hydraulicsofgroundwater》。
　　第二階段為發(fā)展階段，從80-90年代初期：開始出現(xiàn)了大量溶質(zhì)模型，包括水溶液平衡地球化學(xué)模型、地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型以及耦合模型：如Miller和Benson建立了用于模擬一維飽和多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型CHEMTRN[1]，并將該模型應(yīng)用于鍶(Sr)在地下水中的運(yùn)移；Cederberg等人提出了多組分溶質(zhì)系統(tǒng)的一個(gè)質(zhì)量運(yùn)移模型TRANQL，用鎘(Cd)、氯化物、溴化物進(jìn)行絡(luò)合和吸附反應(yīng)的模擬。
　　此外，還有Walter等提出了模擬多種熱動(dòng)力化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)運(yùn)移模型MINTRAN；Pfingsten提出的一維耦合模型MCOTAC。
　　第三階段，自90年代中期，主要是將傳統(tǒng)模型進(jìn)行改進(jìn)。Tebes-Stevens和Alocchit建立了反應(yīng)運(yùn)移模型FEREACT，把兩步迭代和地球化學(xué)及微生物反應(yīng)作用聯(lián)合起來，提高了傳統(tǒng)連續(xù)迭代法的收斂性。Merkel研究了鈾(U)在地下水中的反應(yīng)運(yùn)移[2]，考慮了其在地下水及水與固體之間的對(duì)流、彌散、稀釋、吸附等相互作用。Ferrel等則應(yīng)用地球化學(xué)運(yùn)移模式PHREEQC預(yù)測模擬重金屬(Pb)在黏土中的滯留問題。
　　近年來，國外學(xué)者在地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論和實(shí)驗(yàn)研究方面又取得了新的進(jìn)展，對(duì)污染物運(yùn)移的彌散系數(shù)提出了與時(shí)空相關(guān)的表達(dá)式，使得運(yùn)移方程中的系數(shù)考慮更全，取值更加合理。
　　2.2國內(nèi)研究進(jìn)展
　　我國對(duì)地下水運(yùn)移模型的研究是從80年代初才開始的。自1982年武漢水利電力學(xué)院應(yīng)用伽遼金有限元法，求解了在滲流區(qū)有抽水井條件下的溶質(zhì)運(yùn)移問題后。許多學(xué)者開始進(jìn)行這方面的理論和應(yīng)用研究，如：蔣輝曾以硝酸鹽氮伽作為模擬計(jì)算因子[3]，對(duì)河南沁陽市地下水水質(zhì)進(jìn)行數(shù)值分析。吳吉春、薛禹群首次建立了越流含水層系統(tǒng)地下水污染的數(shù)學(xué)模型[4]，并將其應(yīng)用于平原盆地地下水污染。史曉杰等運(yùn)用PHREEQC模型軟件模擬灌溉水與土壤之問的相互作用過程，探討了土壤鹽漬化的形成機(jī)理。
　　3地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型存在的問題
　　雖然國內(nèi)外關(guān)于地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，從單純、孤立的研究，成為目前多學(xué)科交叉的溶質(zhì)運(yùn)移模型；但是仍然存在著諸多問題，包括：模擬作用過程的機(jī)理還需進(jìn)一步查明；彌散系數(shù)的實(shí)測分析方法有待完善；非保守性污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化問題還需進(jìn)一步加強(qiáng)等等。
　　4目前常用的模擬軟件
　　目前在國際上，DOS版本的MODFLOW、MT3D等依然發(fā)揮著重要的作用，其中：MODFLOW是由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS)于80年代開發(fā)出來的一套專門用于孔隙介質(zhì)中三維有限差分地下水流數(shù)值模擬的軟件。
　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，帶有可視化功能的地下水模擬軟件發(fā)展迅速，以加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司開發(fā)的VisualMODFLOW和FEFLOW最為著名，其中：VisualMODFLOW是目前國際上最為流行且被一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。
　　在國內(nèi)以中國水利水電科學(xué)研究院為代表的基于有限元方法和有限差分方法開發(fā)的GWMS三維地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型也得到了廣泛應(yīng)用。
　　比較流行的化學(xué)平衡模擬軟件有PHREEQC、MINTEQA2等。其中：MINTEQA2是美國環(huán)保局(EPA)開發(fā)的模擬軟件，被廣泛用于地下水分析、采鈾區(qū)地下水的修復(fù)等許多實(shí)際工作。
　　5結(jié)語
　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及“3S”系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，通過對(duì)地下水污染溶質(zhì)運(yùn)移轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬，已成為環(huán)境保護(hù)、土地規(guī)劃等領(lǐng)域的常用手段，廣泛的用于控制地下水污染，防止土壤鹽堿化等各個(gè)方面，預(yù)計(jì)地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型必將更好的為人類服務(wù)。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]MillerCW,BensonLV.Simulationofsolutetransportinchemicallyreactiveheterogeneoussystem:modeldevelopmentandapplication[J].WaterResour.Res.,1983,19(2):381-391
　　[2]MerkelB.地下水中鈾的反應(yīng)運(yùn)移模擬[J].地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000,25(5):451-455
　　[3]蔣輝.河南沁陽市地下水水質(zhì)的數(shù)值模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1996,23(2):14-15.
　　[4]吳吉春,薛禹群.越流含水層系統(tǒng)中的溶質(zhì)運(yùn)移方程[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1996,25(1):30-31

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