信息系統和地下水流數值模型耦合研究

張 院,寇文杰,王新絹, 屈麗麗,孫 穎

（1.北京大學地球與空間科學學院，北京 100871; 2.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195;3.北京超創想信息技術有限公司，北京 100084)

0 引言

地下水數值模型是研究地下水循環演化規律、評價地下水資源、預測地下水滲流場變化趨勢必不可少的工具。隨著地理信息化管理程度的提高，迫切需要將地下水資源評價工作集成到地下水管理信息化進程中，形成一個可以動態評價和管理預測的水資源評價管理系統，提高工作效率。愈來愈多的學者專家致力于將信息系統和地下水數值模型進行耦合，本文將對數值模型與信息系統的嵌入技術進行研究，開展源匯項數據的輸入格式、模型數據輸出格式的研究，針對數值模擬工作特點，采用模型輸入數據“動態+穩定”的思想，開發MODFLOW數值模型動態預測可視化平臺，通過地下水系統模型源匯項的實時更新功能，從而實現模型根據源匯項的動態變化進行實時更新運算、模型展示，提高數值模擬的工作效率[1~2]。

1 信息系統與數值模型耦合現狀

MODFLOW是模塊化三維有限插分地下水流模型的縮寫，采用單元中心有限差分法模擬地下水子在含水層中的運動，不僅能模擬地下水在孔隙介質中的流動，還可以解決地下水在裂隙介質中的流動問題。其核心計算程序功能已經很完備，采用了模塊化的結構，易于修改和添加子程序包。輸入數據可以通過一定格式存入一系列文件由程序讀入。因此以MODFLOW 為計算核心的地下水計算模型與 GIS 集成研究較多。國外Thomas Heinzer 等人利用 GIS 開發了建立地下水流模型的圖形用戶界面，在GIS環境下建立基于 MODFLOW 的地下水流模型，模型網格、輸入輸出數據都可以存為獨立的柵格數據組。Ross S B.在建立大區域地下水流模型時利用相關的數據庫管理系統（RDBMS）和地理信息系統（GIS）管理調用模型所需的輸入項數據包括各類數據文件、shp文件、柵格文件，并把各類數據轉化為 MODFLOW 輸入文件實現模型模擬。我國周德亮等人在MAPGIS平臺上進行接口開發將地下水模型與MAPGIS耦合集成,在集成的基礎上構建系統的可視化功能，在GIS平臺上為地下水模擬的全過程提供一個統一高效的計算機環境。楊旭等人將常州、武進地區地下水資源評價模型與 GIS 集成研究，提高地下水流模擬過程可視化程度，從而提高地下水流模擬系統的空間輔助決策支持功能。魏家華等人在對北京密懷順的地下水模型中基于GIS建立了一個可以交互式剖分的建模環境，王仕琴等人開展地下水模型與GIS集成，以實現水資源的動態評價。GIS系統為地下水模型提供數據支持和可視化平臺已成為地下水管理信息化發展的主流[2~6]。

2 信息系統與數值模型耦合思路

信息系統與數值模擬軟件的耦合，是在信息系統軟件程序的角度形成模型運行環境，分析模型軟件以模型算法作為系統的計算內核[7~11]。根據模型計算需要的數據文件格式和已有數據庫數據格式之間的關系，找出地下水評價模型軟件和信息系統數據接口。在分析現有地下水流數值模擬軟件MODFLOW工作流程及建模所需數據的數據格式基礎上，開展資源評價模塊的數據結構及存儲方式研究，為地下水模型和GIS的數據接口提供依據。設計系統工作流程及數據流程，開發數據接口、集成數據接口，最后實現系統調用模型核心算法，實現模型更新模型數據，展示模擬成果。

2.1 MODFLOW數值模擬軟件數據分析

模型模擬所需的數據輸入包括：源匯項數據（降雨量、蒸發量、開采量、補給量、排泄量等）、模型結構數據（各目標層頂底板標高）、模型參數數據（給水度、滲透系數、釋水系數等）和水位數據（初始流場與模擬末流場）。頂底板標高、初始水位以及水文地質參數為空間屬性值，與時間無關為相對穩定數據。降雨蒸發開采量等源匯項數據屬于動態變化數據。相對穩定類數據在已建成的模型中不需要更新，需要將動態變化的源匯項數據從系統中調出并存儲為模型能夠識別的格式。模型輸出數據主要為表示水均衡和水位數據，需要通過模型接口轉化成系統能夠識別的格式。

模型與系統耦合過程中需要考慮子程序包的文件格式：離散程序文件（DIS），記錄模型時間和空間剖分情況，包括：行、列、層數，模擬應力期數，模型中所用數據的時間和距離單位，含水層下層是否有隔水層，網格大小，模型各層頂底板高程，以及每個應力期內時間步長及增加因子，以及水流為穩定流或非穩定流標識符。動態類源匯項降雨補給量（RCH）文件，輸入模擬期內補排量信息，包括：面狀補排量輸入層位符號，補排量輸出保存文件號，以及每個應力期所有含水層的補給率和排泄率疊加的二維矩陣數據。動態類源匯項井流（WEL）文件，描述開采或注水井的信息，包括：所有應力期內最大井的數據，每個應力期井數量，每個應力期井位置（層號、行號和列號）以及開采或注水量。

輸出控制子程序包（OC）文件，定義輸出內容和格式，包括：水位、降深、水均衡狀況輸出及保存文件格式，控制在什么時間段輸出或保存水資源信息等。水均衡文件（BUDGET）描述模擬過程中各個時間段的水量均衡狀況，包括累積均衡量和該時間步長的均衡量，分別用流入和流出來表示。水頭文件（HEAD）記錄了輸出控制文件OC中指定時間（一般輸出各應力期末時刻）的水位值并依此輸出。

圖1 系統運行模型過程

2.2 信息系統中數值模型調用過程

信息系統對數值模型調用更新過程中模型動態類輸入數據由信息系統基礎庫中提取，存儲至模型專題庫中。對提取至模型專題庫的動態類輸入數據進行數據格式轉換，實現滿足MODFLOW計算所需數據格式，運算核心采用MODFLOW數值模擬程序實時調用該程序進行模型計算（圖1）。

信息系統對模型輸出數據進行展示，其中模型輸出的均衡量數據以報表形成進行展示；水位數據在三維建模平臺上進行可視化展示，結合平臺建立的三維地質結構模型，將模型輸出水位信息進行疊加展示，同時也可以將DEM、遙感等信息進行疊加展示。

2.3 系統耦合方法

通過分析MODFLOW軟件特點和數據文件特點，結合系統工作流程，需要開發數據輸入、輸出接口。降雨量（RCH）程序接口：讀取MODFLOW軟件中降雨量（RCH）程序包中所需DIS文件中記錄的應力期數，以年和月的倒序順序提取數據庫中記錄的每個月的降雨量，直到總的月數等于應力期數。讀取信息系統中記錄入滲系數分布的SHP文件，按穩定項的柵格劃分結構過行同等行列的柵格劃分。調用ARCGIS的IRaster Dataset To Raster Dataset ( IgeoDataset dataset,string raster Format, Iworkspacep Workspace, string name)接口，讀取每個柵格的入滲系數，并暫存至內存。與模型中的各區入滲系數相乘，得到每個月每個柵格的降雨量。固定格式寫入RCH文件，生成降雨量的源匯項文件。井流（WELL）程序包接口開發與降雨量程序包接口開發類似。

模型輸出數據主要為表示水均衡和水位數據。水均衡文件是以BUGET二進制文件輸出，開源程序讀取MODFLOW水均衡的輸出文件，以應力期為單位，按層號、區號，顯示每個區，每個區與區之間的降雨入滲，農業灌溉補給，側向流入，越流的值，以及各自占總值的百分比例。水頭文件的輸出是以二維數組的形式輸出，依次記錄在時間控制文件中確定要輸出的時間段的水位和降深值，為結果的可視化顯示提供依據。水頭文件讀取后存入地下水模型數據專題庫，按坐標投點。以水位值為生成等值線與等值面的數據源。把MODFLOW數值模擬輸出水位文件轉換為信息系統內三維建模平臺識別的接口文件，然后在三維地質建模系統上采用三維模型渲染設置地質體透明等技術方法，實現水位信息和三維地質結構模型的疊加顯示。

3 應用實例

3.1 大興MODFLOW數值模型

圖2 奧陶系承壓水模擬期末流場圖

圖3 奧陶系承壓水水位擬合過程線

大興數值模型研究面積約767km2。通過該地區地質、水文地質條件分析，數值模型在垂向上共分五層，由上至下分別為第四系潛水含水層，第四系承壓含水層，奧陶系承壓含水層，寒武系中上統含水層組，寒武系下統及青白口系含水巖組。模型采用三角形剖分，并且對水源地勘查區、主要斷裂帶、重點邊界附近進行加密。在斷裂處剖分精度約100m，第三系區域剖分精度約300m，奧陶系、寒武系含水層分布區剖分精度200m，剖分后的模擬區，節點數為每層17579個，三角形單元每層34712個。模型選取2000年1月到2012年9月即模擬期作為模型的識別驗證期，同時結合實際收集到的2012年9月普測水位對模型模擬結果進行檢驗。通過反復調整參數和均衡量，識別水文地質條件，確定了模型結構、參數和均衡要素[14~15]。從模擬期末流場和典型長觀孔水位過程線擬合結果（圖2、圖3）、水文地質參數以及區域地下水系統均衡分析看，建立的地下水流數值模型基本上反映了區內地下水基本特征，達到了模型精度要求，模型識別和均衡計算結果與實際水文地質條件相符。

3.2 北京巖溶水資源信息系統

北京巖溶水信息系統是“北京巖溶水資源勘查評價工程”數據信息化、可視化管理的平臺，存儲了大量數據。系統為了快速獲取最新時段內水位水均衡信息，實現數值模擬的水位信息和系統三維結構體一體化展示，將大興迭隆起巖溶水流MODFLOW數值模型集成到系統中，對建模數據文件進行專題庫管理，從系統基礎庫中調用數值模型所需的動態變化數據，并通過數據接口轉化為模型輸入數據文件，對計算所需源匯項數據進行實時更新。將模擬預測的水位，水均衡文件存儲至系統地下水模型專題庫中，進行報表及圖件的展示。

圖4 水均衡匯總表

圖5 模型計算結果可視化展示

3.3 系統與模型的集成應用

在北京巖溶水資源信息系統中設計了大興巖溶水地下水流模型的更新界面，將數據接口進行封裝，所有交換數據通過數據接口轉換成模型計算能夠識別的格式。選擇需要更新的應力期，提取該時段內數據庫中降雨量和開采量數據對模型中相應源匯項數據進行更新。點擊“開始模擬”將自動調用MODFLOW計算程序對新的應力期進行模擬。計算結束后輸出數據自動存儲到數值模型專題庫中，在系統界面點擊“生成報表”或者“三維成果展示”，查看水均衡報表和地下水滲流場（圖4、圖5）。

4 結論

系統從MODFLOW數值模擬軟件角度分析了數值模型與系統耦合所需開發的數據接口，以模塊設計的方法將數值模型嵌入系統中，同時對數據接口進行封裝，開發數據更新界面，實現信息系統與MODFLOW數值模型耦合。采用了對模型輸入中動態變量數據的系統調用和轉換的思想，將系統中的動態變化數據按時間段讀取出來并轉化成模型所需的數據文件，重新運行模型，輸出模擬結果，實現了對模型數據的更新及模擬預測結果的展示。

地下水流數值模型與信息系統的集成耦合使信息化管理程度大幅提高，形成一個動態評價和預測的水資源評價管理系統，同時對模型計算結果可視化展示，為地下水資源水位變化趨勢提供直觀認識，大大方便了地質工作者對地下水的研究，為政府管理部門更好管理地下水資源提供了技術支撐。

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