地下水人工回灌研究中數值模擬技術的應用進展

騰格爾

（1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質大學（北京），北京 100083）

1 研究背景

地下水是我國華北地區的主要供水水源，是人民生活生產當中不可或缺的資源。由于人們常年超采地下水，產生了區域性地下水降落漏斗，導致了出現地面沉降、土地沙漠化等生態地質環境問題。為了恢復地下水降落漏斗，治理地下水超采帶來的一系列問題，人們越發重視研究地下水人工回灌技術。地下水人工回灌技術是一種通過人為力量，采用工程措施將地表水或雨水等水源補給到含水層中的技術手段，由于地質條件與回灌目的不同，有入滲池回灌、井灌和河道回灌等方式。為了科學、合理的確定回灌工程位置以及預測回灌效果，研究人員普遍采用地下水數值模擬的手段進行研究。因此，進行地下水數值模擬對回灌工程的位置、方式和規模的選取有著重要的指導意義。

隨著計算機與編程技術的研究與發展，地下水流計算開始應用數值模擬技術，數值模擬技術的核心組分是地下水模型。目前MODFLOW、MT3DMS、RT3D、HST3D等地下水模型程序已經廣泛應用于水文地質學與地下水資源研究中。基于以上模型程序研發的地下水數值模擬軟件有:Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW、HYDRUS等（見表1）。

表1 常用的地下水模擬軟件

2 數值模擬技術在人工回灌研究中的主要應用

2.1 區域尺度地下水流數值模擬

對研究區進行區域地下水流數值模擬，一般情況下模擬區為一個完整的水文地質單元，或以明顯的水文地質界限為邊界。研究者們一般常用GMS或Visual MODFLOW模擬軟件進行模擬，根據模擬結果分析不同的回灌組合方式（滲坑式、井灌式等）與不同的回灌位置的回灌效果。

康華等人應用Visual MODFLOW軟件對太平河洪積扇地下水人工回灌試驗的不同調蓄方案進行數值模擬，并估算秦嶺山前的可調蓄量。王迎迎結合南水北調來水工程和FEFLOW模擬軟件對北京市平原區地下水系統行數值模擬結果，分析和預測北京市平原區潛水地下水的水位變化、北京市未來水資源整體發展形勢，進行地下水回灌方案擬定，模擬不同情境下北京市平原區的地下水系統的變化情況。劉少玉等人基于Modflow2005使用GMS模擬軟件建立滹沱河地下水流數值模型，將模擬結果與實測流場、鉆孔水位過程線進行擬合，識別校正水文地質參數，在此基礎上利用網格加密技術對研究區進行加密，將區域和場地模型進行耦合模擬精確刻畫水位變化的效果。聶凱翔在德陽市旌南濕地公園進行了地下水回灌試驗，并使用Visual MODFLOW軟件創建地旌陽區平原地下水數值模型，通過與研究區實測水位和觀測孔水位過程線的擬合識別，校正水文地質參數，并根據模擬結果分析研究區水均衡情況，預測未來研究區流場，為回灌提供可靠的參數。

2.2 剖面二維地下水流數值模擬

剖面地下水數值模擬大多應用Hydrus-2D模擬軟件，根據模擬結果可觀察分析回灌水在不同時間段的入滲情況、回灌水頭及回灌流量對人工回灌工程的影響，預測該回灌場地地層條件下最適宜的回灌流量，對回灌工程的建設及回灌方案的設計有著指導作用。

崔峻嶺等人基于Hydrus-2D模擬軟件，建立滲濾池回灌的二維飽和—非飽和滲流數值模型，利用實際試驗結果進行模型校正，研究回灌水在滲濾池中入滲過程機理。白福高等人根據在潮白河河道開展的地下水人回灌試驗，利用Hydrus-2D軟件建立二維飽和—非飽和地下水流數值模型，預測不同回灌水頭下包氣帶中回灌水的入滲特征。黃強對濟南市玉符河河道模擬回灌入滲，結合三次測流試驗結果設計了不同地下水位情境，模擬研究區地下水位的變化，計算出河道合理滲漏量與滲漏時間，為玉符河回灌提供了科學參考。

2.3 場地尺度回灌地下水流數值模擬

李園運用GMS軟件建立藁城區地下水回灌場地地下水流數值模型，根據實際回灌試驗的數據進行模型的識別校正，并分析研究區水均衡條件，預測不同回灌方案的回灌效果。張永杰等人設計實驗裝置，并根據裝置等比建立數值模型研究回灌對地下水年齡分布規律的影響條件。劉少玉等人運用GMS軟件建立回灌場地的地下水數值模擬模型，設計不同回灌方案，預測回灌效果，并建立場地溶質運移模型，模擬地下水質演化趨勢。

3 存在問題

（1）數值模擬技術無法替代基礎地質調查，沒有扎實充分的鉆孔資料、野外試驗和水位監測數據是無法進行數值模擬的。源匯項數據的收集也比較困難，在部分經濟水平較落后地區，當地水務系統未對開采信息進行全面監測，導致通過電量法與調查法計算的開采量數據與真實情況差別較大，影響模型的準確性與科學性。同時，地下水數值模擬技術對研究人員的水文地質經驗和理論基礎要求很高，在對研究區進行邊界條件、含水層分層、水文地質參數分區概化時，應充分結合研究區已有資料與過去的地質工作經驗進行設定。

（2）模型是對實際情況的理想化，在實際進行回灌工程時，會出現很多模型預測中未考慮到的問題，如設備損壞、管道崩塌、入滲池及回灌井堵塞等。這些問題會影響回灌工程的正常運行，使得回灌難以達到模型預測的效果。同時極端天氣也會影響回灌實際結果，如在連續暴雨情況下，入滲池水位高于正常值，將影響回灌速率以及預期回灌后的水位，水位過高情況下容易發生土壤次生鹽堿化等問題。

（3）數值模擬技術在回灌過程中對溶質運移模擬的應用目前較少，在某些回灌場地，由于包氣帶中存在污染物，回灌水在包氣帶遷移的過程中會將污染物帶入含水層中，回灌水與原始地層及原始地下水也會發生某些水化學作用，影響地下水水質。因此應加大對回灌工程溶質運移模擬，預測回灌后地下水水化學變化特征，指導回灌工程的選址及水源選擇。

4 結論與展望

隨著計算機的高速發展，數值模擬技術不斷優化、完善，應用的工程類型也越來越多。在地下水人工回灌工程中，數值模擬的作用與意義是非常重大的。一個精確、優秀的模型可以為人工回灌工程的選址、設計提供充足的理論支撐。但建模的基礎是充分的地質資料，因此，開展地下水人工回灌工程，首要做的就是收集與調查研究區的地質資料、氣象資料、水文地質資料，等等，在現有資料缺乏的地區，應開展適當地鉆探、物探等技術手段查明研究區地質條件，而后再進行數值模擬。另外模型的校驗也是格外重要的，通過驗證的結果可以反向確定模擬區的水文地質參數，但模型校驗需要大量的觀測數據，所以在建設回灌工程時，應在周圍布置動態監測井，同時在區域的不同關鍵位置布設長期觀測井，保證長期觀測井的數據可靠性，為模型校正打好基礎。

目前國內的數據分享做的并不完善，可以加強發展數據分享平臺，將不同區域、不同時期的水位數據、鉆孔資料與水文地質經驗參數放置網絡中進行分享，可以讓數據價值的最大化，為其他研究人員未來的工作提升效率，節約成本。另外，目前對區域和場地耦合的地下水流數值模擬研究與水化學模擬研究較少，由于地下水人工回灌工程的特殊性，需要對回灌場地周圍的水位、水質模擬更精細，因此區域和場地耦合模型是未來數值模擬技術在人工回灌領域上需要大力發展的方向。