Visual Modflow在水文地質模型構建及地下水模擬中的應用

祖 斌

(安徽銅冠礦業有限公司，安徽 廬江 231500)

1 引言

Darcy、Dupuit與Theis等水文地質學家提出的相應理論[1，2]，為地下水數值模擬的發展奠定了重要基礎。數值模擬在地下水流場、溶質運移、涌水量預測等研究中的應用日益廣泛，逐漸成為水文地質研究領域的重要方法。Li等[3]在分析現行模型預測不確定性的基礎上，提出了隨機地下水模擬方法。Wu[4]將隨機理論應用于復雜地下環境中的反應性溶質運移的研究。周念清[5]等采用Modflow模型對地下水位和水量進行了模擬，探討了地下水開發的合理方案。楊彪等[6]利用Modflow建立了中金嶺南凡口鉛鋅礦區的地下水數值模擬模型，討論了當地地下水的動態特征。

2 Visual Modflow模擬軟件

Visual Modflow模擬水流需滿足飽和滲流、適合Darcy定律、密度保持不變、水力傳導率和導水系數主流方向恒定等。看似限制條件很多，但實際運用中絕大部分的地下水系統都能滿足[7]。該軟件最明顯的特點是不僅具有較強的模擬功能還易于學習和應用。Visual Modflow軟件主菜單由file、input、run、output、setup和help六部分組成，其中操作界面分別為3個相互獨立的選項。輸入模塊以圖形方式設置三維地下水分布、流動和溶質運移模擬所需的參數輸入。運行模塊能夠修改功能版塊的參數和選項。

3 水文地質數值模型的構建

3.1 概念模型

用數值模型研究復雜的實際地下水特征需忽略或降低對研究對象影響較小的因素，從而實現水文地質概念模型的建立。概念模型須具有真實性，可以真實再現水文地質條件，邊界條件應符合流場運動趨勢，盡量以完整自然邊界作為模型邊界，從而保證地下水系統的完整性。

3.2 數學模型

以非均質、各向異性三維非穩定流模型為例，可建立如下水文地質數學模型：

(1)

3.3 水文地質數值模型構建、識別檢驗

模型構建一般包括網格剖分、邊界確定、時間離散、初始條件、參數分析與源匯項賦值。良好的初始條件可以減少模型計算的時間，提高模型計算的精度。參數分區作為模型構建的重要一環，其好壞很大程度上關乎模型建立的臧否。模型識別驗證，也稱“反演”，即利用水頭函數求解地下水均衡方程。通過迭代運算、參數調整，使相關參量的計算值和觀測值之間的誤差達到最小。可通過采取試算和參數反演相結合的方法，不斷改變水文地質參數進行試算，使誤差達到研究精度。模型的識別檢驗一般包括流場擬合、水位分析、水壓分析、敏感性分析，其中敏感性分析是研究某一種或多種因素對水文地質模型影響的關鍵。

4 Visual Modflow在地下水模擬中的應用

4.1 滲流對地下水流場影響

由于滲流強度、滲流路徑、滲流方式等的變化，地下水流場也隨著發生變化。在充分分析實際水文地質條件的基礎上，通過改變滲流參數從而研究滲流對地下水流場影響。由于實際水文地質條件的多變性與復雜性，滲流對地下水流場的影響也不盡相同。劉立才等利用Modflow對不同湖底條件下的地下水滲流場以及動力場特征，將警戒水位作為模型約束條件，為人工湖底鋪設材料及方案的選擇提供重要依據[8]。

4.2 地下水中污染物遷移

Visual Modflow可以用于模擬地下水在流動過程污染物粒子的運動軌跡(Path)和運動時間(Time)，通過監測污染物粒子在地下水流中的動態輸移過程，能夠得到地下水流中水質點的示蹤流線。馬騰等利用Visual Modflow軟件建立水文地質數值模型，對某鈾尾礦礦庫周邊鈾元素的遷移運動特征及規律進行模擬研究，對比分析了尾礦治理前后的區別，為地下水保護提供技術支持[9]。

4.3 地下水開采預警

地下水開采預警是在分析地下水水位、污染質濃度、邊界條件變化的技術上，建立數值模型對開采過程中的特征物理參數進行模擬預測，從而實現超量開采和環境惡化的監控，為地下水的開發利用以及保護提供的管理服務。李平等在地下水的補、徑、排條件的技術上，通過建立Visual Modflow數值模型，實現了對水位、水量的模擬、校對與預測預報。對不同開采方案下的漏斗區水位進行了監測，對開采引起的水位降低進行了評價，為制定地下水的合理開發方案提供理論科學依據[10]。

5 存在問題與建議

Visual Modflow在地下水模擬中應用非常廣泛，但在地下水混合井流的模擬中卻存在不足。Visual Modflow對混合觀測孔未做討論。放棄混合觀測孔欠妥，由于僅觀測孔口流量Q為零，而孔內存在“抽、注水”。邊界條件設置不當可能導致模擬預測結果失真，從而使得模型失去實際意義。建議邊界條件刻畫之前充分了解模擬區的補給排泄條件，特別是人工邊界的選取應做全面考慮。該軟件以矩形對模型進行網格剖分，導致模型不規則邊界和非均質參數分區的難度大大增加，是模型與實際差異的原因之一。流動系統的非均質性是地下水流動及物質運移模擬中最主要的困難之一。在建立數學模型時要充分考慮主要影響因素，通過分析各因素的顯著性來簡化模型。