幾種常用環(huán)境示蹤劑解譯軟件的比較

幾種常用環(huán)境示蹤劑解譯軟件的比較

0環(huán)境示蹤劑的應用環(huán)境跟蹤劑用于分析“新水”的儲存時間和含水層參數(shù)，是研究地下水可持續(xù)利用的創(chuàng)新手段之一。地下水“新水”指的是在過去五六十年補給的地下水,是強烈水文循環(huán)的一部分。新水的滯留時間,即含水層中新水的“年齡”,指的是新水進入含水層直至它出現(xiàn)在排泄點(如井,泉等)的時間。這種方法絕大多數(shù)是利用集中參數(shù)模型解譯環(huán)境示蹤劑的數(shù)據(jù),其結果的可靠性與模型的選取有關。在國外,有很多軟件通過分析環(huán)境示蹤劑研究“新水”的運動情況,具有代表性的有FLOWPC,BOXMODEL,TRACER,LUMPED等等。這些軟件雖有相同之處,但在可利用的環(huán)境示蹤劑種類,集中參數(shù)模型、輸入數(shù)據(jù)、結果輸出等方面都有差別。就此本文論述了幾種有代表性的解譯軟件的特點、應用及其局限性,有助于使用者根據(jù)具體需要選用適當解譯軟件,對地下水環(huán)境示蹤劑的解譯更加準確,便捷。1成為新水的標志環(huán)境示蹤劑可分為環(huán)境同位素示蹤劑和環(huán)境化學示蹤劑,在新水“測齡”中分別以氚和CFCs為代表,這兩種示蹤劑也較多地應用在解譯軟件中。氚是一種比較理想的示蹤劑,它作為氫的同位素,形成水分子進入含水層,其運動方式與水的運動方式是一樣的,不會被微生物降解,土壤吸附等因素影響。從20世紀50年代開始到70年代為大氣熱核爆炸試驗時代,核爆產生的同位素(主要是氚)進入了全球降水系統(tǒng),直至1990年全球降水中的氚濃度才逐漸恢復自然水平,不過如圖1所示,氚濃度仍沒有完全回到熱核試驗前的水平。所以凡在這個時期通過大氣降雨補給的地下水,氚的濃度相對較高,這就使得氚成為公認的定義“新水”的標志。除氚外,用于新水測齡的環(huán)境同位素示蹤劑還有3H-3He、18O、36Cl、85Kr等。CFCs是氟利昂(Chlorofluorocarbons)的縮寫,是一類有機化合物,其中的CFC-11(CCl3F)、CFC-12(CCl2F2)、CFC-113(C2Cl3F3)是化學上比較穩(wěn)定的純人工化合物,可用作示蹤劑。從20世紀30年代開始,CFCs大規(guī)模地釋放到大氣圈和水圈,大氣中的CFCs濃度逐年增加(如圖1)。與氚相比,CFCs的優(yōu)點在于易檢測,不會產生衰變。與之相似的示蹤劑還有SF6,這類示蹤劑雖然不會產生衰變,但更容易受到降解或人類活動的影響,所以這類化學示蹤劑不能取代氚法等傳統(tǒng)方法,但可以作為傳統(tǒng)方法的補充。2系統(tǒng)響應函數(shù)h和最佳示蹤劑ci解譯所用的集中參數(shù)模型是將含水層作為一個系統(tǒng),通過系統(tǒng)輸入與輸出之間的關系,模擬地下水形成、流動的過程。模型都基于如下假設:在穩(wěn)定流條件下,所用示蹤劑和被示蹤的水體具有相同的滯留時間分布特征。含水層系統(tǒng)環(huán)境示蹤劑輸入和輸出關系可寫成如下形式:式中,τ為滯留時間;Co為示蹤劑輸出濃度;Ci為示蹤劑輸入濃度;h(τ)是系統(tǒng)響應函數(shù);最后一項因子對于同位素示蹤劑,為衰變校正因子;對于化學示蹤劑CFCs等,是生物降解的校正因子;Ci是指進入地下水系統(tǒng)的示蹤劑濃度,它由大氣中示蹤劑的濃度及各種參數(shù)通過相應的輸入函數(shù)來確定。在過去的幾十年里,大氣中各示蹤劑的濃度如圖1所示,皆是與時間相關的函數(shù)。影響輸入函數(shù)的參數(shù),對氚而言主要是降雨量和入滲系數(shù),對CFCs等則是溫度,鹽度,海拔等。系統(tǒng)響應函數(shù)h(τ),實際上是滯留時間密度分布函數(shù),是平均滯留時間與滯留時間的函數(shù)。因此根據(jù)h(τ)的不同,常用基本模型可分為活塞流模型、指數(shù)模型、線性模型、彌散模型。在非穩(wěn)定流條件下,上述模型不再適用解譯環(huán)境示蹤劑數(shù)據(jù),需要建立新的模型或對上述模型進行校正。這方面研究雖然開展得比較早,但由于其復雜性,在水文地質上的具體應用仍處在理論階段。Ozyurt和Bayari(2005)曾提出一種校正模型,通過對穩(wěn)定流集中參數(shù)模型中系統(tǒng)響應函數(shù)h(τ)的校正,使之適用于非穩(wěn)定流的情況,實驗證明這種模型對氚、18O的校正比較理想,但不適用于CFCs的校正。3預估計平均滯留時間本文介紹的軟件大都局限用于穩(wěn)定流的情況,根據(jù)示蹤劑的輸入函數(shù)與系統(tǒng)的響應函數(shù),計算出示蹤劑從含水層中流出的濃度。通過軟件調整響應函數(shù)與預估計的平均滯留時間,使觀測點的計算值與測量值擬合得到最佳結果,該最佳結果所對應的模型即軟件應用范圍內最符合研究區(qū)地下水流動的最佳模型。最佳模型對應的預估計平均滯留時間則為研究區(qū)地下水平均滯留時間。解譯軟件根據(jù)使用示蹤劑類型的不同大致可以分為兩類:一類主要針對環(huán)境同位素,如FLOWPC,TRACER,BOXMODEL等等;另一類主要針對化學示蹤劑,尤其是新型示蹤劑如CFCs和SF6,這類軟件以USGS-CFC2005、QCFC和CFC為代表。下面分別予以介紹:3.1概化指數(shù)-活性系統(tǒng)的擬合這類軟件,主要用于對18O、3H、85Kr、3H-3He等環(huán)境同位素數(shù)據(jù)的解譯。為簡便起見,下面僅以氚為例。FLOWPC是IAEA于1996年開發(fā)的一個DOS界面的程序。這個程序普遍用于氚和18O環(huán)境同位素數(shù)據(jù)的解譯,是目前用于實踐最廣的軟件之一。在研究佛羅里達東部地下水硝酸鹽污染和淺層與深層地下水混合過程中,都利用FLOWPC對研究區(qū)地下水中氚數(shù)據(jù)進行解譯。FLOWPC的使用并不復雜。首先,將輸入數(shù)據(jù)與觀測值編寫成程序計算所需的*.input(輸入數(shù)據(jù)文件)和*.obs(觀測數(shù)據(jù)文件)。在*.input里需要準備的數(shù)據(jù)主要有當?shù)卮髿庵袣v年的氚濃度、每個月的降雨量和每個月的入滲率,由這些數(shù)據(jù)確定進入研究區(qū)含水層中的氚濃度。其中FLOWPC為了計算更精確,可以按月輸入氚濃度。然后運行FLOWPC,根據(jù)FLOWPC的提示,輸入相應的模型參數(shù)。FLOWPC程序將地下水運動歸納為6種集中參數(shù)模型,分別是活塞模型、指數(shù)模型、線性模型、指數(shù)-活塞模型、線性-活塞模型和彌散模型。彌散模型描述了示蹤劑在系統(tǒng)內的混合和彌散過程,但這種模型在穩(wěn)定流場中,只簡單考慮均勻單向彌散,忽略了側向變化。在FLOWPC中,除活塞模型外,其他模型都需要輸入相應的參數(shù),如活塞-指數(shù)模型中描述活塞與指數(shù)模型所占比例的η值,還有彌散模型中的彌散參數(shù)等等。計算時選用哪種模型進行擬合,需要結合研究區(qū)具體水文地質條件而定。如在有些包括側向徑流和垂向入滲的山前戈壁地區(qū),地下水系統(tǒng)可概化成指數(shù)-活塞模型計算;也有根據(jù)潛水的水循環(huán)特征,將其潛水概化成指數(shù)模型進行計算。最后結合研究區(qū)的情況,輸入預估計的初始示蹤劑平均滯留時間,即可得到含水層中示蹤劑濃度的計算值分布圖和地下水滯留時間分布圖;分析計算值與觀測值的差值并結合研究區(qū)的具體條件調整平均滯留時間,必要時調整模型參數(shù)或改用其他模型,進一步擬合計算值和觀測值,直至滿意為止。FLOWPC在設計中除了用到集中參數(shù)模型的假設外,為了更好地擬合計算值與觀測值,還可假設研究區(qū)地下水運動是由符合集中參數(shù)模型運動的地下水和不符合模型運動的地下水組成的。不符合模型的地下水主要指的是非研究區(qū)大氣降水補給的地下水,將它與研究區(qū)所有地下水之比定義為β,示蹤劑在這部分水中的濃度為Cβ。在得到符合模型運動的地下水示蹤劑輸出濃度后,再加上Cβ,才是用于與觀測值擬合的最終計算值。目前的FLOWPC程序不適用諸如CFCs和SF6等氣態(tài)示蹤劑數(shù)據(jù)的解譯。BOXMODEL是由Zoellmann等設計,與FLOWPC相比,操作簡單,除了可以用于3H、3He等示蹤劑外,還可以用于一些氣態(tài)示蹤劑如CFC、85Kr等。該程序由于是在EXCEL界面下,故可用相應表格輸入數(shù)據(jù)與參數(shù)。BOXMODEL中氚的輸入數(shù)據(jù)以年為單位,其值可根據(jù)降雨量,入滲率,當?shù)卮髿庵须皾舛却_定,但這部分工作并不能在BOXMODEL中完成,需要通過預先計算求得地下水中氚的輸入濃度,再將該結果作為輸入值輸入BOXMODEL中進行計算。輸入數(shù)據(jù)以年為單位,對滯留時間比較小的系統(tǒng)會引起較大的誤差。BOXMODEL用于計算地下水滯留時間的模型比較少,僅能通過3種集中參數(shù)模型即活塞模型、指數(shù)模型和彌散模型進行計算,但操作界面直觀,滿足以教學演示為目的的需要,當然也能用于一些實際問題的分析。根據(jù)給定的參數(shù),BOXMODEL可以得出相應輸出濃度的計算值,并將其直接畫成圖表的形式(如圖2中曲線)。圖2是以指數(shù)模型(EM)計算不同平均滯留時間(τ)下觀測點輸出濃度變化曲線。圖中的點是取樣點實際的觀測值,如果有較多的觀測值,就更容易通過擬合確定代表地下水運動的最合適的模型和平均滯留時間。TRACER可以利用氚,CFC-11,CFC-12等環(huán)境示蹤劑計算地下水的平均滯留時間。TRACER的輸入輸出與BOXMODEL一樣是在EXCEL里完成的,具有界面直觀的優(yōu)點。在TRACER開始計算之前,需要將示蹤劑的輸入數(shù)據(jù)與觀測值導入相應的工作表,并將計算所需要的參數(shù)輸入“ControlBox”。以氚為例,輸入數(shù)據(jù)應為經過處理的氚濃度數(shù)據(jù),如果直接將研究區(qū)大氣中的氚濃度作為輸入數(shù)據(jù),會引起誤差,這一點與BOXMODEL中輸入數(shù)據(jù)的前處理是相同的,即需要先將研究區(qū)大氣中的氚濃度轉化為地下水中的氚濃度。FLOWPC則將這一輸入數(shù)據(jù)的前處理過程包括在了程序中。計算中用到的集中參數(shù)模型,包括活塞、指數(shù)、線性、指數(shù)-活塞與線性-活塞5種模型。比前兩種軟件優(yōu)越的是,TRACER最多可以同時設置5個不同的η值,并得到這些η值下的計算結果,而前兩種軟件每修改一次η值,都必須重新進行計算。此外,TRACER軟件計算結果直接畫成EXCEL圖表的形式使得不同計算結果與觀測值的擬合情況比前兩種軟件更直觀。在TRACER的輸出結果中,有一個“TOP10”的工作表,這個工作表里包括每種計算的模型中最符合觀測值的10個結果,以及所有模型中最符合觀測值的15個結果。TRACER還可將這15個最佳結果與觀測值繪制在一張圖上,便于使用者比較分析研究區(qū)實際地下水流的運動情況與何種模型更為符合。TRACER集合了FLOWPC多模型和BOXMODEL操作界面直觀的優(yōu)點,并更有進一步的發(fā)展,更適合作為地質調查的工具。分別用FLOWPC、BOXMODEL、TRACER對同一氚數(shù)據(jù)進行計算,如假定研究區(qū)地下水運移符合活塞模型,則用這三種軟件所得示蹤劑輸出濃度相等,如假定研究區(qū)地下水符合指數(shù)模型,則不同軟件計算結果如表1。三種軟件計算結果比較(指數(shù)模型)表1表1中的數(shù)值為同一氚數(shù)據(jù)在不同平均滯留時間下3種軟件的計算結果。BOXMODEL和TRACER軟件計算結果的差異,是由于軟件計算精度不同引起的;FLOWPC與BOXMODEL和TRACER計算結果的差異一方面和輸入數(shù)據(jù)不同有關,FLOWPC輸入的月數(shù)據(jù),BOXMODEL和TRACER輸入的是年數(shù)據(jù);另一方面也和軟件計算精度不同有關。但早期氚濃度的測量誤差有±25TU,近年來才降至±0.5TU,因此這些計算結果的差異與氚濃度的測量誤差相比都可以忽略。除了上述3種常用軟件之外,同類型的軟件還有LUMPED、TRACERMODEL1、LUMPEDUS等。LUMPED是FLOWPC的進一步發(fā)展。它在概化模型時,考慮了地下水運動過程中旁通流(BypassFlow)和死體積(DadVolume)的情況,此舉使得LUMPED中的模型比上述5種軟件中模型更能模擬地下水系統(tǒng)的真實情況,在模型上有了進一步發(fā)展。TRACERMODEL1可以利用CFC-11,CFC-12,CFC-113,SF6,85Kr,3H和3H/3He作為示蹤劑計算地下水年齡,可同時計算的示蹤劑種類大大增加,更能綜合利用地下水中的各種環(huán)境示蹤劑。LUMPEDUNSTEADY(簡稱LUMPEDUS)是非穩(wěn)定流下集中參數(shù)模型的應用。它試圖將穩(wěn)定流條件下已有的集中參數(shù)模型應用在非穩(wěn)定流條件下。為此LUMPEDUS利用了Ozyurt和Bayari提出的非穩(wěn)定流校正方程。不過該校正方程,其物理意義、合理性等方面仍存在爭論,尚需要進行更多的實際檢驗。3.2對地下水年齡的定年影響這類化學示蹤劑主要指CFCs、SF6等氣態(tài)示蹤劑。與18O和3H相比,它們不是水分子的組成部分,需要考慮示蹤劑在地下水中溶解度的問題;與36Cl和85Kr相比,這類示蹤劑需要考慮吸附、降解以及人類污染等造成的水中示蹤劑濃度變化的問題。下面以CFC為例,著重介紹幾種分析軟件。影響地下水CFCs定年的因素主要有6種,分別是補給溫度、過量氣體、不飽和帶的厚度、土壤吸附、生物降解和污染。上述所謂針對環(huán)境同位素的解譯軟件,BOXMODEL,TRACER,TRACERMODEL1也能用于CFCs等化學示蹤劑數(shù)據(jù)的解譯。但這類軟件通常忽略上述影響地下水CFCs定年的6種因素。下面介紹的USGS-CFC2005、QCFC、CFC等針對化學示蹤劑的軟件可以對CFCs、SF6等不同程度地考慮影響其定年的因素,從而對CFCs、SF6等在地下水系統(tǒng)中的滯留時間進行更深入的分析,使用者可以得到更加準確、可靠的含水層信息。USGS-CFC2005是在EXCEL界面下的程序。它是美國地調局CFC實驗室用于初步解釋地下水中CFC數(shù)據(jù)的程序。在影響地下水定年的6大因素中,USGS-CFC2005考慮了過量氣體、溫度、污染。在“Results”工作表相應位置分別有北半球大氣中CFC-11、CFC-12、CFC-113的濃度、鹽度、大氣分壓等數(shù)據(jù)。“Results”工作表包括過量氣體和富集因子。過量氣體會使CFCs確定的年齡偏小,對CFC-12的影響大于對CFC-11的影響,尤其在補給溫度高時更為明顯,一般補給區(qū)在河漫灘附近,過量氣體較多,在工作表的相應位置輸入研究區(qū)過量氣體的數(shù)值,可以修正CFCs的輸入值。如果研究區(qū)CFCs污染較為嚴重,CFC的濃度偏離北半球CFC的平衡濃度,可輸入相應的富集因子對CFCs的輸入值進行校正。不同種類的CFC,富集因子可以不同。但富集因子只能說明研究區(qū)CFC總體濃度的變化,而不能說明CFC的突然增加或減少。軟件中“Sensitivity”的工作表,可以顯示補給時溫度變化和補給區(qū)的海拔變化對地下水年齡計算值的影響。需要注意的是,該工作表只是考慮了用活塞模型計算時,上述因素的影響,對其他模型的影響未考慮。另外,軟件中溫度變化不能低于0°C,海拔變化不能低于海平面。軟件中用于計算的模型主要是活塞模型和指數(shù)模型。此外還有一種二元模型,它假設地下水是由兩種不同年齡的水混合而成,一種是含有CFC的新水,另一種是不含CFC的老水,混合水是符合活塞流運動模型的。對于含有CFC的新水,USGS-CFC2005還允許是兩種CFC的混合。當用不同種類的CFC計算地下水年齡,計算結果相互矛盾時,就說明地下水可能發(fā)生了混合,需要用二元模型進一步解譯。USGS-CFC2005除了可以將不同模型的計算結果及其成圖提供給使用者,對于混合水樣,還可以計算出兩種CFC的濃度比。3.2.2利用cfcs計算地下水滯留時間QCFC只用于解譯CFCs數(shù)據(jù)。該程序是由L.F.Han開發(fā)。該程序的計算是建立在氣-水平衡基礎上的,考慮了溫度、鹽分、大氣中CFC的濃度、當?shù)睾０蔚纫蛩貙斎氲降叵滤蠧FCs濃度的影響。QCFC可以利用水溶液中CFCs的濃度或空氣中CFCs的濃度,作為輸入值通過相應的輸入函數(shù)轉化為進入含水層的CFCs濃度,計算CFCs濃度隨時間變化的趨勢。它僅能利用活塞模型計算地下水滯留時間。QCFC中除了氣體過量,補給溫度的因素外,其他可能改變CFC在水中濃度的情況并沒有考慮。QCFC有3種變量,水中的CFCs值,大氣中的CFCs值,大氣中CFCs值對應的時間,使用者可以從其中任意一個已知值開始,并計算另兩個未知值。這一特點可讓使用者很容易地估計某一變量改變后對計算結果的影響。隨后IAEA同位素水文實驗室在QCFC的基礎上又開發(fā)了CFC軟件。CFC軟件同樣處于EXCEL界面下,該軟件在處理CFCs的實驗室資料方面具有比QCFC更加全面的工具,且比QCFC更直觀,可以用動畫的方法演示CFCs的運動過程。L.FHan在研究奧地利東部Semmering含水層中泉水的年齡分布時,曾利用QCFC和CFC通過CFCs確定地下水年齡,經比較發(fā)現(xiàn)與選用氚作為示蹤劑使用相同模型的計算結果相差很小。綜上,對于影響CFCs定年的因素,尚無一種軟件能夠全面地考慮,特別是由土壤吸附和生物降解造成的CFCs濃度變化,大多數(shù)軟件都忽略了。而用于計算地下水滯留時間的模型,也比氚的模型簡單,軟件中最常見的是活塞模型和指數(shù)模型,其他模型很少見。這些都與CFC在含水層系統(tǒng)中運移情況比氚的運移情況復雜有關。4解譯軟件中的問題從上述解譯地下水“新水”年齡的示蹤劑模型軟件的開發(fā)和應用現(xiàn)狀可以看出,本領域的軟件研究具有以下一些發(fā)展趨勢:(1)示蹤劑多樣化:20世紀90年代開發(fā)的FLOWPC主要用于傳統(tǒng)環(huán)境同位素如氚,18O的解譯,很少用于CFCs,SF6等新型示蹤劑的解譯。隨后開發(fā)的BOXMODEL、TRACER等軟件,已經能解譯CFCs數(shù)據(jù),TRACERMODEL1更是可以同時解譯數(shù)種環(huán)境示蹤劑的數(shù)據(jù)。此外還出現(xiàn)了專門針對CFCs開發(fā)的軟件,如QCFC,CFC,USGS-CFC2005,這些軟件可以更加準確地解譯CFCs數(shù)據(jù),從而獲得更多的含水層信息。(2)模型的復雜化:從僅僅能用5種基本的集中參數(shù)模型模擬地下水運移的FLOWPC軟件,到考慮死體積和旁通流的LUMPED軟件,再到非穩(wěn)定流條件下的LUM