地下水數(shù)值模擬研究

李勁彬

摘 要：地下水作為重要的環(huán)境資源，其安全受到人們的廣泛關注和高度重視。地下水數(shù)值模擬作為評價地下水水量和水質(zhì)的重要技術手段，因而也受到了相關科研人員的廣泛關注。文章在分析地下水數(shù)值模擬發(fā)展歷程的基礎上，簡單介紹了國內(nèi)外幾種使用較為頻繁的地下水數(shù)值模擬軟件，如GMS，Visual MODFLOW，F(xiàn)EFLOW等，闡述了地下水數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：地下水；數(shù)值模擬；GMS；Visual MODFLOW；FEFLOW

中圖分類號：TV1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）07-0044-02

Abstract： Groundwater is an important environmental resource， and its safety has been widely concerned about and highly valued. Numerical simulation of groundwater is an important technical means to evaluate the quantity and quality of groundwater. On the basis of analyzing the development course of groundwater numerical simulation， this paper briefly introduces several kinds of software of groundwater numerical simulation， such as GMS， Visual MODFLOW， FEFLOW， etc.， which are used frequently at home and abroad， and the development trend of numerical simulation of groundwater is also described.

Keywords： groundwater； numerical simulation； GMS； Visual MODFLOW； FEFLOW

引言

地下水作為一種十分寶貴的自然資源，同時也作為城市生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等重要的供水水源，與人類生活息息相關。近些年，由于城鎮(zhèn)化發(fā)展進程的加快，地下水長期處于超采狀態(tài)[1]，形成區(qū)域降落漏斗[2]。而且由于建設項目的增多，地下水水質(zhì)也時刻受到威脅[3]。因此如何科學合理利用好地下水水資源，關系到我國國民經(jīng)濟是否能夠健康平穩(wěn)可持續(xù)發(fā)展。通過數(shù)值模擬方法[4]，可以可視化分析研究地下水流和溶質(zhì)運移問題，其方法直觀、有效、靈活，因而越來越受到領域內(nèi)學者的重視以及廣泛應用。目前其主要應用于地下水資源評價、預報、管理以及地下水中溶質(zhì)運移擴散研究當中[4]，并且取得了一定的研究成果。

1 數(shù)值模擬概述

數(shù)值模擬法是以描述地下水流運動微分方程、邊界條件和初始條件為基礎，建立地下水水位隨時間連續(xù)變化的函數(shù)數(shù)學模型，并在計算機上采用離散化方法對所建立的數(shù)學模型進行求解，所求得的解是一種近似解。數(shù)值模擬法在研究地下水流動態(tài)方面的優(yōu)點就在于其不僅可以有效地反映復雜地質(zhì)條件下地下水運動情況，而且還可以解決地下水水質(zhì)以及熱量運移等問題。常用的數(shù)值模擬方法包括有限差分法[5]、有限單元法[6]、有限分析法[7]、邊界單元法[8]等，其中最常用的方法為有限差分法和有限單元法[9]。有限差分法于20世紀60年代開始逐漸應用于地下水流模擬計算，其簡單、靈活、通用性強，計算機上容易實現(xiàn)。后者由我國數(shù)學家馮康創(chuàng)建，并于20世紀60年代后期開始應用于地下水數(shù)值模擬計算之中[10]。

2 地下水數(shù)值模擬發(fā)展簡史

人類對地下水的開發(fā)利用有著悠久的歷史，從大約5600年前中國先祖?zhèn)兺ㄟ^木質(zhì)結構井取水開始，到1856年法國著名水利工程師達西（H. Darcy）提出揭示地下水滲流運動規(guī)律的達西定律，之后很長時間水文地質(zhì)關于地下水的計算主要以解析法為主，到了20世紀50～60年代，離散介質(zhì)點網(wǎng)絡模擬成為地下水主要的計算方法[11]。1956年斯圖爾曼（R. W. Stallman）首次將數(shù)值法應用于水文地質(zhì)計算，隨著華爾頓（W. C. Walton）將電子計算機引入地下水數(shù)值模擬，便利了水文地質(zhì)數(shù)學問題的求解，促進了水文地質(zhì)問題的定量求解，加速了數(shù)值模擬的發(fā)展。至此，越來越多與地下水流相關的各類問題都通過數(shù)值模擬方法求解。

3 地下水模擬軟件概述

地下水數(shù)值模擬軟件隨著計算機的引入而快速發(fā)展，為了方便、快捷、直觀解決地下水流相關問題，國外科研團隊研究開發(fā)了眾多地下水數(shù)值模擬軟件。其中主要有GMS[12]、Visual MODFLOW[12]以及FEFLOW[13]等。

3.1 GMS

Groundwater Modeling System，簡稱GMS，即地下水模擬系統(tǒng)，由美國Brigham Young環(huán)境模擬研究中心與美國軍隊排水工程試驗工作站在已有地下水模擬軟件的基礎上共同合作研究開發(fā)，該軟件以概念模型和網(wǎng)格模型為基礎， 軟件界面綜合了MODFLOW、SEAM3D、MODPATH、MT3DMS等可視化三維地下水模擬軟件包，前處理功能優(yōu)越，建模便捷直觀，圖形圖像處理功能強大，是國內(nèi)外目前功能最為完善的地下水模擬軟件。

3.2 Visual MODFLOW

Visual MODFLOW是一款在美國地質(zhì)勘探局（USGS）軟件MODFLOW的基礎之上研究開發(fā)的地下水流模擬軟件，由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司研究開發(fā)，其綜合了已有的 MT3D、MODPATH、Win PEST以及RT3D等地下水數(shù)值模型，并將現(xiàn)代可視化技術應用其中，使之成為目前國際上最具影響力的地下水流和溶質(zhì)運移可視化模擬軟件。該軟件在我國目前主要應用于地下水資源評價、地下水水位動態(tài)預測、建設項目選址、地下水污染物運移、煤礦涌水量預測等方面。endprint

3.3 FEFLOW

FEFLOW軟件在1979年由德國WASY水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所研究開發(fā)，其作為有限元地下水數(shù)值模擬的代表，有利于用戶進行模型建立、分析復雜三維地質(zhì)體地下水流動態(tài)以及溶質(zhì)運移情況，該軟件是迄今為止功能最齊全的地下水水量和水質(zhì)計算模擬軟件[14]。其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在模擬非飽和帶與飽和帶地下水流及其溫度分布、應用ArcGIS和FEFLOW進行地下水空間分布模擬等方面。

4 國內(nèi)研究進展

我國在地下水數(shù)值模擬方面的研究起步相對較晚，大概開始于20世紀70年代[15]。經(jīng)過國內(nèi)專家學者20多年的不懈努力，我國地下水數(shù)值模擬研究飛速發(fā)展，應用遍及地下水相關的各個領域，并且針對應用過程中存在的問題，科研工作者不斷進行理論和方法上的創(chuàng)新，拓寬研究方向和加深研究深度，現(xiàn)如今我國的地下水數(shù)值模擬研究已經(jīng)接近國際化水平。國際上出現(xiàn)的地下水數(shù)值模型我國已基本具有，如地下水污染模型[16]、壩體滲漏模型[17]、地下水資源管理模型[18]、熱運移模型[19]、溶質(zhì)運移模型[20]、地面沉降模型[21]等。近些年，隨著地理信息系統(tǒng)技術不斷快速發(fā)展，其與地下水數(shù)值模型的整合也越來越受到國內(nèi)科研人員的重視，整合后的模型將具有整體化、自動化、實時化等優(yōu)點。

5 發(fā)展趨勢

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的不斷進步，地下水資源需求量不斷增加，與地下水相關各類問題的范圍與復雜性也日益增大，人類活動對地下水水位以及水質(zhì)的影響也日益加劇，因此合理制定開采方案并進行環(huán)境影響預報顯得尤為重要，地下水數(shù)值模擬發(fā)揮著越來越重要的作用。但由于實際水文地質(zhì)條件復雜，野外試驗數(shù)據(jù)缺乏，學科交叉應用不強等原因，從而導致數(shù)值模擬的精度不高。近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及3S技術（遙感技術、地理信息系統(tǒng)技術、全球定位系統(tǒng)）的不斷成熟，地下水數(shù)值模擬軟件與其結合必將對模擬精度的提高帶來質(zhì)的飛躍。其次，隨著人類對地下水賦存環(huán)境及其演變規(guī)律認識的不斷深入，多學科多方法的耦合研究，將使得地下水數(shù)值模擬研究方法具有更廣闊的前景[22]。

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