地下水數值模擬的研究與應用進展

石立明

【摘 要】地下水數值模擬技術由于其廉價、高效及能較好地對地下水系統(tǒng)數值仿真而成為研究解決地下水問題的重要手段。簡單地介紹了幾種廣泛使用的地下水數值模擬軟件平臺和模型求解方法。分析了地下水數值模擬的應用進展，從水資源的評估和管理，逐漸擴展到水質方面的研究。最后分析了地下水數值模擬的發(fā)展趨勢，對地下水數值模擬技術的應用和推廣提供了一定的參考。

【關鍵詞】地下水;模擬軟件;應用進展;發(fā)展趨勢

中圖分類號： TP319;P641文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）20-0123-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.056

0 引言

全國大部分城市的工農業(yè)用水都以地下水為主要的供給源。例如：2008年石家莊市，地下水供水量25.66×108立方米，占全市供水量的83.1，處于超采的狀態(tài)[1]。由于沒有節(jié)制的過量開采地下水導致出現地面沉降、地下水資源枯竭等一系列的問題。因此合理的開采和使用地下水資源就成為了人們關注的重點。數值模擬軟件由于其有效性、靈活性和相對廉價性的特點在地下水研究領域被廣泛采用[2]。其中包括水資源的配置和評價，地下水的溶質遷移和熱量運移等方面。本文通過介紹幾種國際上常用的地下水數值模擬軟件和數值模擬的模型求解方法，再結合實際的應用進展為相關的地下水研究提供參考。

1 地下水數值模擬軟件

隨著社會的進步，特別是在人機交互、計算機圖形學和可視化領域的技術不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，地下水數值模擬軟件的可視化功能越來越強大，帶有可視化功能的模擬軟件逐漸占據主流地位。目前，在國際上具有影響力的軟件有：Visual MODEFLOW、GMS、FEFLOW、Visual Groundwater、MT3DMS、RT3D、HST3D等。

地下水數值模擬軟件各有優(yōu)點。其中GMS功能最為全面、應用最為廣泛基本涵蓋了眾多的地下水數值模型，在地下水數值模擬的各個階段：模型概化、模型建立、模型的校正、模型的后處理和可視化等問題都能有效的解決，但是在地下水的混合井流的問題上還無有效的解決辦法。Visual MODEFLOW則可以進行三維水流模擬和溶質運移模擬。FEFLOW主要用于二維、三維飽和或不飽和水流和溶質的運移模擬。MT3DMS用于三維地下水的溶質運移。

2 模型求解方法

2.1 有限單元法

有限單元法求解思想是將計算區(qū)域劃分為有限個互相不重疊的單元，在每一個單元中選擇適當的控制點作為求解函數的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節(jié)點值與所選的插值函數組成的線性表達式，借助變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。由于有限單元法對地下水水流、溶質的數值模擬的計算過程基本一致，所以在處理不同問題之間的“嫁接”較為方便。但是其對于計算機的內存和硬件要求較高，并且運算時間較長，對于處理一些大區(qū)域數值模擬問題會拖慢進程。典型的代表軟件有GMS、FEFLOW等。

2.2 有限差分法

有限差分法的基本思想是將求解域劃分成為差分網格，然后用有限個網格節(jié)點替代連續(xù)的求解域。采用泰勒級數展開，再把控制方程里的導數用網格節(jié)點的函數值的差商代替進行離散，建立以網格節(jié)點上的值為未知數的代數方程組。有限差分法在一維以及二維流等問題的解決中計算過程簡單，清晰;在地下水水流數值模擬過程中，精度較高。但是在處理不規(guī)則含水層邊界、各向異性和非均質巖層時較為困難，同時對于溶質運移問題精度較差。Visual MODEFLOW、 MT3DMS等軟件主要運用這種算法。

3 地下水數值模擬的應用進展

3.1 地下水水流數值模擬

研究地下水流動能更好地去了解研究區(qū)的水文地質情況，采用先進的地下水模擬系統(tǒng)，建立區(qū)域三維地下水流模型，對于評價區(qū)域水資源、研究地下水時空分布和水風險具有重要的意義。

邵景力等[3]運用FEFLOW地下水模型在黃河下游（河南段）建立黃河影響帶三維地下水流模擬模型，評價地下水資源和研究地下水水資源開發(fā)規(guī)劃并探究黃河防滲墻工程對地下水系統(tǒng)的影響。楊青春等[4]在吉林省西部地區(qū)將實際水文地質條件加以概化，采用Visual MODEFLOW軟件建立地下水水流模擬模型對地下水資源量進行了評價，預測了地下水可開采資源量。

3.2 地下水水位模擬

地下水水位預測對合理開發(fā)地下水資源和保護生態(tài)環(huán)境具有重要的作用，建立數值模型為水資源合理開發(fā)提供定量的依據，尤其是在礦區(qū)開采時，預測地下水位動態(tài)變化，論證其是否在環(huán)境承受范圍內，顯得極為重要。

裴晶晶等[5]運用MODFLOW軟件對新疆東部哈密盆地綠洲帶在現狀開采條件下的地下水位變化情況進行了預測， 其結果表明在當前開采條件下，研究區(qū)地下水位會出現大幅度的下降。于翠翠[6]根據地下水動態(tài)觀測資料，采用GMS在山東濟南明水泉域建立了三維地下水流模型，并在此基礎上運用時間序列分析法對泉水水位進行了動態(tài)分析，模型結果表明泉水水位變化主要與降水有關。魏光輝等[7]在有長時間序列地下水觀測數據的新疆希尼爾水庫周邊區(qū)域，建立自記憶模型對該區(qū)域進行地下水水位變化模擬，發(fā)現該模型精度較高可用于區(qū)域地下水水位預測。吳亞安[8]應用Visual Modflow軟件建立呼吉爾特礦區(qū)三維地下水流模型量化煤炭開采對地下水水位的影響，判斷煤炭開采對地下水的影響是否在合理范圍，結果表明，在當地環(huán)境條件下地下水水位降低速率處于合理范圍。

3.3 地下水溶質運移模擬

地下水溶質運移模擬對探尋污染物在地下水中的運動規(guī)律，分析污染物濃度分布，判讀污染范圍具有重要意義，通過建立數學模型進行數值模擬為地下水污染修復和治理提供定量的數據，從而對保護地下水資源起到積極的作用。

李華等[9]運用GMS軟件模擬了云南德厚水庫下游廢棄砒霜廠地下水溶質運移，論證了污染源的分布和污染羽的擴展范圍，但是未考慮化學反應、吸附作用、淋溶作用對污染物的影響。朱瑞田等[10]采用FEFLOW軟件，對奎河周邊淺層地下水進行了溶質運移模擬，選取硝酸鹽為模擬因子，并以實際觀測資料進行識別和校驗，模擬效果較好。王英剛等[11]運用GMS軟件對銅礦尾庫地下水溶質運移進行模擬，分析了污染物的濃度分布和遷移距離。孟勤憲等[12]應用GMS軟件模擬了頁巖氣鉆采過程中溶質在地下水中運移狀況，主要模擬COD、氯化物和石油類在地下水中遷移過程，為頁巖氣鉆采對地下水的污染分析提供重要的數據。但沒有考慮不同污染物之間的相互作用，使得模型結果不夠準確。

4 結論與展望

隨著社會的快速發(fā)展，對于水資源的需求日益增加，地下水的開采量逐漸變大，人類活動對地區(qū)地下水環(huán)境影響將不斷加深，與地下水相關問題的難度和廣度也隨之增大，地下水數值模型也將在未來應用實踐中發(fā)揮越來越重要的作用[13]。地下水數值模擬是對地下水系統(tǒng)的實際狀態(tài)的復制和再現，是高精度的數學概化[14]。但是由于地下水運動的通道多孔介質系統(tǒng)的隱蔽性和復雜性以及溶質運移過程中的生物—化學作用導致模型的精度較低，因此從當前動向來看，地下水數值模擬技術將有以下發(fā)展趨勢。

1）信息技術的無縫連接。地下水模擬軟件與3S技術的高度結合增強數據處理和可視化程度，同時實現地質參數數據共享已成為必然的趨勢。

2）多學科相互交叉耦合。伴隨著其他學科的發(fā)展，使人們逐漸意識到溶質之間的相互作用和生物降解會對污染物濃度分布和遷移規(guī)律產生影響，因此考慮物化和生化反應，將會是地下水溶質運移模擬的一個重要趨勢。

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