地下水数值模拟的研究与应用进展

郝炜

摘要：地下水数值模拟技术由于其廉价、高效及能较好地对地下水系统数值仿真而成为研究解决地下水问题的重要手段。简单地介绍了几种广泛使用的地下水数值模拟软件平台和模型求解方法，分析了地下水数值模拟的应用进展。最后分析了地下水数值模拟的发展趋势，对地下水数值模拟技术的应用和推广提供了一定的参考。

关键词：地下水；模拟软件；应用进展；发展趋势

引言

最近几十年来频繁的人类活动对地下水资源的质和量造成了许多负面影响，如过量开采地下水引起的水资源枯竭、海水入侵、地面沉降，三废的任意排放对地下水造成了不同程度的污染。除此以外，诸多不良的工程地质现象如地基沉陷、边坡滑塌等都与地下水有关。因此，评价人类活动对地下水质和量的影响、合理的开发利用地下水资源、预测地下水污染发展趋势等问题显得尤为重要。上述这些问题均可借助地下水数值模拟得到比较满意的解答。本文从地下水模拟的发展过程、常见数值模拟方法、数值模拟的应用进展以及存在的问题等方面进行了阐述，分析了不同地下水数值模拟软件的优缺点及最佳模拟方法的选择。

1地下水模拟软件概述

1.1地下水模拟软件简介

随着计算机技术的发展，地下水模拟软件发展迅速，目前已经占据地下水系统数值模拟的主要地位。GMS、FEFLOW、VisualMODEFLOW、VisualGroundwater、MIKESHE、MT3DMS、TOUGH2等软件已越来越成熟地应用于各类地下水数值模拟中。下面从模型的数据输入方式、功能及不足等方面对地下水模拟软件进行分析和比较。得出不同地下水模拟软件的优缺点。

GMS是由多种模块构成的一款可视化地下水数值模拟软件，版本和功能不断更新与完善，数据处理功能更强，适用范围更广，相较而言优越于其他同类地下水模拟软件。FEFLOW主要解决复杂的水文地质条件、密度变化流动、热对流等棘手问题，且具有良好的GIS数据接口和网格剖分技术，同时加快了建模速率。VisualMODFLOW相较其他模型而言，可视化功能强大、求解方法简单、适用范围广泛、数值模拟能力出色且三维建模简单。VisualGroundwater是由MODFLOW、MT3D等模块构成的唯一一个用于地下水模拟后处理的三维可视化软件，但是，在国内对其的应用仍需进一步探索。MIKESHE主要综合了地下水－地表水模型，涵盖了丰富的水文气候环境，适用于地表水－地下水频换交替及各种尺度空间。HST3D是一款专门用来模拟热和溶质运移的模型软件。TOUGH2主要模拟各种不同条件下地下水水流和热运移，其具有程序结构模块化、程序代码公开化、离散方法通用、求解方法高效的特点，为使用和改进此程序提供了很大方便并在多个领域得到广泛应用。

1.2地下水数值模拟的步骤

(1)背景资料的获取

数值模拟的第一个环节是获取必要的地质和水文地质勘探资料。这些资料一般包括研究区域的范围和边界条件、含水层的空间展布特征、观测孔的位置与观测资料、抽水井(或注水井)的位置及流量、含水层的水文地质参数(包括渗透系数、导水系数、贮水系数和弥散系数等)和分区等。

(2)模型的概化

这一阶段的主要任务是对地下水系统作适当的简化。忽略那些与研究问题无关的或者关系很小的因素，根据获取的背景资料，分析含水层的边界条件、补给排泄关系、地下水水动力系统特征和溶质运移特征及其相应参数的空间分布特征等，从而确定数值模型的类型，建立相应的数学微分方程。

(3)模型的识别

在大多数情况下，数值模型、水文地质参数以及一些边界条件不一定符合实际情况，需要用勘探资料和抽水资料等来确定，这个过程就是模型识别亦称反演问题，是数值模型建立中的一个重要阶段。

(4)模型的应用

模型经过识别后，就可以用于地下水开采的动态预测、地下水溶质运移及其污染状况的预测、地下水开采方案和评价方案的设计等方面。具体的，在实际操作中，地下水数值模拟要建立一个正确且有意义的地下水流数值模型，应进行以下12个方面的工作:确定模型目标、水文地质概念模型的建立、数学模型的建立、模型设计及模型求解、模型校正、校正灵敏度分析、模型验证、预报、预报灵敏度分析、模型设计与模型结果的给出、模型后续检查以及模型的再设计。

2地下水数值模拟应用进展

2.1地下水水流数值模拟

国外专家于1966年首次应用稳定流数值模型模拟层状含水层中的区域地下水流系统。在1967年提出非稳定饱和－非饱和流的数值模型，分析入渗补给量、潜水位上升和河流基流量之间的关系，预测地下水盆地的最大产水量，指出盆地产水量是开采形式、地下水补给和排泄特征的函数。我国对地下水流数值模拟的应用与研究始于1973年。近年来，地下水流数值模拟的研究成果已达到国际先进水平。我国典型缺水、水化学组分差异明显的西北盆地区域运用TOUGH2建立有限差分数值模型，通过查阅资料和收集文献对程序进行修改和完善，建立水文地质概念模型和网格模型进行地下水流研究并初步研究了楔形淡水体的形成过程。结果表明，地质构造作用对地下水流的影响是不可忽视的。但水溶组分垂直方向具有典型分带性以及深层地质条件认识的缺失造成部分模拟结果出现偏差且并未对模型进行校正。天津滨海新区某人工渗流场运用GMS通过建立三维有限差分数学模型模拟水流动态，确定水流开采量，并通过实测资料对模型检验与校正。某水库以GMS为操作平台对地下水水流进行了数值模拟。主要分析水库建设对地下水水流场的影响并合理调整渗透系数对模型进行校正，输出结果较为理想。可见地下水时空分布与地下水水流相互影响，研究地下水水流运动有利于深入了解该区域的水文地质状况，并且地下水流数值模拟对研究地下水时空分布、水动力场、水风险与资源评价以及参数确定等有重大意义。

2.2地下水污染物运移数值模拟

近年来伴生地下水流过程的溶质运移、水质评估等研究内容在地下水流的模拟研究基础上也逐渐兴起并取得了很大进展。地下水数值模拟可有效的处理地下水污染问题，定量描述污染物在地下水中的时空分布特征和迁移转化规律，为地下水污染的防治提供科学支持和理论依据。地下水污染物运移的数值模拟应用可准确的掌握地下水污染扩散规律，从而有效控制地下水污染。阜新矿区以可溶性污染物对地下水的污染为研究对象，利用有限元方法，对可溶性物质在地下水中的运移进行数值模拟，得到地下水压力水头和可溶性污染物在地下水中的迁移变化规律，为可溶性污染物对地下水的污染研究和预测提供重要的分析数据。北京某污染场区水文地质概化模型，运用了国际通用可视化标准软件VisualModflow对研究区地下水污染物苯和萘2种污染物分别进行预测，为该污染场区地下水环境评价和治理提供了科学依据。某油气开采井，采用二维有限元数值程序MARUN，对泄露事故中污染物在地下运移和扩散的过程进行数值模拟，结果表明:污染物会对当地和区域的生态环境系统造成污染。某加油站场地以存在石油烃污染为研究对象，设计了土壤气抽提(SVE)原位修复系统，应用AIR3D软件对SVE作用下土壤包气带的气压场进行数值模拟，研究土壤包气带具有挥发性石油烃的治理。

结语

由于含水层地质结构通常比较复杂、尺度多种多样，模型参数和边界条件存在着不确定性，这将会导致地下水数值模拟结果的不确定性，从而使模型的预测结果和真实结果存在一定的误差。为了得到较为准确的模拟结果，必须对模拟结果进行不确定性分析。这就要求未来数值模拟必须对不确定性分析方法有创新性的突破。

参考文献

[1]王志芳.石家庄市水资源状况概述[J].企业导报,2011(09):180.

[2]郑春苗,孙晋玉,卢国平.地下水污染物迁移模拟[M].北京:高等教育出版社,2016.