羊庄盆地地下水流系统四周较封闭,出口狭窄,具有完善的输导、调蓄功能,是典型的封闭式泉排型地下水流动系统。羊庄盆地岩溶水资源的开发利用已经达到了较高水平,在区内建立了后石湾、西石楼、魏庄、羊庄等大中型水源地。大量调查研究表明不合理开采地下水等人类活动对生态环境系统造成了许多负面影响,成为影响和制约羊庄盆地城市建设和经济发展的重要因素,例如,地下水位下降、岩溶泉水断流等,更为严重的是地下水水质不断恶化,尤其硝酸盐污染超标区范围已达盆地面积的1/3,部分地段甚至超标2.5-3倍,对城市供水水质安全已形成潜在威胁。目前,羊庄盆地相关生态、环境、地质等问题已经引起了政府部门和科研人员的高度重视,并开展了大量的调查、监测与定量研究工作。然而,现有的定量研究往往将地表水与地下水两个系统分离开来单独研究,例如,在评价地下水资源时,往往将地表水简单处理为源汇项,忽略了地表水的流动性,进而可能给羊庄盆地流域水资源与水环境的演变规律和未来变化趋势的预测带来一定的误差。因此,本研究将地表水与地下水作为一个整体,以羊庄盆地地下水流系统的供水安全为目标,从水资源管理(水量)、污染物迁移(水质)、含水层修复(治理)三个方面来研究水资源的时间和空间变异规律。在水资源管理(水量)方面,本研究采用SWAT和MODFLOW完全耦合模型评价地下水的流动规律,其中SWAT模型和MODFLOW模型分别描述地表水和地下水的流动过程。同时,将校准和验证后的地表水-地下水耦合模型再与优化管理模型相结合,建立了羊庄盆地地表水-地下水耦合模拟管理模型。以盆地内的10个集中水源地开采量达到最大为优化目标,以水位不低于限定的控制水位为约束条件,对不同环境模式下的可开采源进行评价,进而提出各个水源地相应的优化开采方案,最终为羊庄盆地水资源的高效、可持续利用提供科技支撑,为区域生态安全与经济发展提供水资源保障。在污染物迁移(水质)方面,本次研究基于耦合模型中的水流系统,进一步建立了盆地溶质运移模型,对羊庄盆地地下水中硝酸盐的迁移与扩散进行了数值模拟,并对其主要影响因素进行系统分析。在含水层修复(治理)方面,本次研究选择羊庄盆地内主要岩溶含水层的典型污染地段开展硝酸盐污染生物修复技术与水力截获技术研究,以探索技术可行、经济合理、环保高效的技术措施,取得原创性的技术参数,为今后实施岩溶区污染含水层修复工程、保障居民饮水安全提供技术示范。针对如上三方面的研究内容,本研究主要取得成果有:(1)构建了羊庄盆地地表水-地下水耦合模拟模型(水量)针对羊庄盆地地表水-地下水相互作用问题,本研究建立了SWAT-MODFLOW耦合模型,并利用位于盆地出口处的官庄水文站逐月实测径流量和盆地内的25个观测孔地下水位动态数据对耦合模型进行了参数识别与验证。模型识别效果较好,为模拟不同的地下水开采方案提供了可靠支撑。(2)羊庄盆地地下水资源优化开采量确定(水量)本研究将SWAT-MODFLOW耦合模型与优化管理模型GWM耦合起来,建立起羊庄盆地地表水-地下水耦合模拟管理模型,从盆地地下水资源可开采量及各水源地优化开采量两个角度对羊庄盆地地下水资源问题进行了系统地评价。结果表明:现状情景下,羊庄盆地的地下水资源可开采量是5 745万m~3/年(15.74万m~3/d),宋屯、后石湾、南庄、魏庄、西石楼、许坡、龙山头、羊庄、东于、段庄以及王杭水源地的优化开采量分别为0.18、1.4、2.6、1.86、3.8、1.7、0.4、0.4、0.5、1.4和1.5万m~3/d;庄里水库建成情景下,羊庄盆地的地下水资源可开采量是7 285万m~3/a(19.96万m~3/d),宋屯、后石湾、南庄、魏庄、西石楼、许坡、龙山头、羊庄、东于、段庄以及王杭水源地的优化开采量分别为0.18、2.06、3.40、2.24、4.15、1.86、0.72、1.31、0.63、1.75和1.66万m~3/d。(3)羊庄盆地地下水硝酸盐污染预测(水质)本次研究基于耦合模型中的水流系统,进一步建立了盆地溶质运移模型,对羊庄盆地地下水中硝酸盐的迁移与扩散进行了数值模拟,并对其主要影响因素进行了系统分析。通过硝酸盐浓度预测结果可知,若不采取必要的措施,羊庄断块地下水中硝酸盐浓度将呈增大趋势,这主要是当地农民对氮肥的过量使用和盆地内养殖场粪便随意堆放造成的。同时根据预测结果可知,辘轳井区域地下水中的硝酸盐长期存在浓度较高的现象,这主要是由于该处以往建有多个规模较大的养殖场,虽然这些对地下水产生污染的养殖场已于2010年前后被清理拆除,但当时未进行必要的场地土壤修复,而完全靠含水层自身净化修复需要一个很长的时间过程。因此,建议相关部门应采取必要的措施控制农业施肥面状污染源,并对以往养殖场发生过污染的场地土壤和地下水硝酸盐污染进行修复(治理),以削减残留污染物对地下水可能造成的二次污染。(4)基于随机模拟的地下水污染物最优水力截获量研究(治理)由于羊庄盆地的尺度比较大,因此在SWAT-MODFLOW耦合模型中,本研究采用等效多孔介质(EPM)方法模拟了羊庄地下水流系统中岩溶含水系统的水动力和污染物运移规律。这种处理方法在区域尺度问题上精度相对比较高,但是不能精确地反映含水层局部的非均质性,对于小尺度问题其模拟结果往往不可靠。为此,本研究在区域地下水流模型所确定的宏观参数基础上,进一步通过对含水层渗透系数的蒙特卡洛随机模拟,研究了羊庄盆地硝酸盐污染原位修复试验场渗透系数的空间变异性对地下水污染物水力截获系统的影响。结果表明传统确定性方法所估算的水力截获系统最优抽水量,并不能完全截获污染物,其稳定平均风险率高达23%。通过羊庄盆地硝酸盐原位修复试验场实例研究可知,不同水力截获量与相应的稳定平均风险率之间满足对数关系,截获系统抽水量选择得越大,由渗透系数空间变异性所带来的风险越小,实际工作中应根据经济合理性和可接受的风险大小从对数关系曲线上选取合适的截获量,以便从风险损失角度出发对截获系统最优截获量进行合理的确定。(5)生物修复技术去除岩溶地下水中硝酸盐试验研究(治理)通过选择不同类型碳源及生物反应器进行了硝酸盐污染原位修复试验,比选了脱氮治理效果,通过本次试验结果可知液态碳源反应效果最高可达34.5%;固态碳源反应效果最高可达46.5%。液态碳源修复试验由于没有良好的反应载体,受环境影响较大,出现降雨或附近民井开采时,数值波动较大。液态碳源停止供应后,监测孔硝酸盐含量在24小时内恢复到自然水平。固态碳源修复试验启动反应速率比液态碳源试验慢,但由于有较好的载体,反应相对稳定,效果更好,持续时间更长。固态碳源反应器取出后,监测孔硝酸盐含量在48小时内恢复到自然水平。总之,本研究的相关成果可为今后开展鲁中南地区硝酸盐污染含水层修复、改善地下水水质,以及地下水资源的合理利用保障城乡居民饮水安全提供技术支持。