基于Excel編程實(shí)現(xiàn)的地下水?dāng)?shù)值模擬研究

孫若涵

摘? 要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，工業(yè)水平不斷提升，地下水超采、污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，國(guó)家對(duì)地下水環(huán)境的評(píng)價(jià)技術(shù)和保護(hù)措施愈加重視。地下水環(huán)境常采用GMS、Modflow等專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于非地下水專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)存在一定的困難。Excel電子表格具有極強(qiáng)的處理能力、迭代計(jì)算能力和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以將其應(yīng)用到地下水?dāng)?shù)值模擬研究當(dāng)中。

關(guān)鍵詞：Excel;地下水;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：P641? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

水是生命之源，是工業(yè)生產(chǎn)、人類(lèi)生活的基礎(chǔ)，隨著工業(yè)發(fā)展以及人類(lèi)過(guò)度開(kāi)采，地下水資源污染、短缺等問(wèn)題日益嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，地下水污染每年共計(jì)給我國(guó)百億元經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)環(huán)境的損失更是無(wú)法估量，地下水安全已成為社會(huì)重點(diǎn)的焦點(diǎn)。從地下水影響評(píng)價(jià)現(xiàn)狀來(lái)看，行業(yè)中并沒(méi)有提出統(tǒng)一評(píng)價(jià)工具，在地下水環(huán)境評(píng)價(jià)過(guò)程中，常采用GMS、MODFLOW、FEFLOW等軟件，但這些軟件操作專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)操作有一定難度，即使相對(duì)簡(jiǎn)單的水文地質(zhì)，也要求操作人員具有扎實(shí)的地質(zhì)學(xué)、水力學(xué)知識(shí)并掌握復(fù)雜步驟。而Excel軟件的數(shù)據(jù)處理和迭代計(jì)算能力強(qiáng)，具有可視化界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以作為解決這一問(wèn)題的另一條渠道。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

整體來(lái)看，國(guó)外已經(jīng)逐步開(kāi)始采用Excel解決地下水問(wèn)題，并且研究活動(dòng)逐年增加，很多模型公式可以在Excel中編程，并且較為全面。如今，地下水流、溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)據(jù)模型已經(jīng)在Excel當(dāng)中實(shí)現(xiàn)了有限差分方法。我國(guó)Excel在地下水研究中局限于自帶Execl工具，主要包括水文地質(zhì)圖、野外數(shù)據(jù)整理、規(guī)劃求解、地下水指標(biāo)評(píng)價(jià)等，對(duì)Excel開(kāi)發(fā)利用成功案例較少。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，筆者從《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——地下水環(huán)境》（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“《導(dǎo)則》”）觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為地下水解析模型和數(shù)值模型在Excel中實(shí)現(xiàn)還有3點(diǎn)不足。1）在《導(dǎo)則》實(shí)施中，對(duì)于簡(jiǎn)單水文條件缺乏有效、快速的工具包，在評(píng)價(jià)地下水影響時(shí)，評(píng)價(jià)人員還要配合使用其他的評(píng)價(jià)軟件和模型，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2）地下水解析模型沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜函數(shù)的可視化，只是單純的編程實(shí)現(xiàn)定義，一旦對(duì)地下水環(huán)境評(píng)價(jià)中需要這些公式，還需要從編輯器當(dāng)中重新查找這些公式。3）地下水?dāng)?shù)值模型在Excel當(dāng)中研究成果較少，只建立了一些針對(duì)特定區(qū)域的模型，沒(méi)有形成可以廣泛應(yīng)用的簡(jiǎn)單水文地質(zhì)條件可視化操作。

2 Excel在地下水?dāng)?shù)值模擬研究中的應(yīng)用

2.1 解析模型在Excel中可視化設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

解析模型作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，其中涉及很多函數(shù)計(jì)算，包括井函數(shù)、余誤差函數(shù)等。要想讓解析模型可視化，需要先對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行編程，并在Excel工作表當(dāng)中應(yīng)用這些編程函數(shù)展開(kāi)計(jì)算，將所獲得的結(jié)果、圖片呈現(xiàn)在操作主界面上。整個(gè)界面可以分為3個(gè)模塊。1）主界面工作表，負(fù)責(zé)可視操作界面設(shè)計(jì)。2）相關(guān)工作表，可以模擬結(jié)果輸出。3）VBA編輯器，負(fù)責(zé)控件、美化操作界面編程語(yǔ)言，通過(guò)函數(shù)逼近值得出自定義函數(shù)。

3個(gè)模塊可獨(dú)立執(zhí)行，彼此間又相互聯(lián)系，主界面工作表會(huì)以圖片形式顯示工作表輸出模擬結(jié)果，也可以在主界面命令按鈕連接后，以圖片的形式呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，VBA編輯器和主界面工作表之間也有緊密聯(lián)系，都是調(diào)用編輯器編輯語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，如模擬結(jié)果輸出、界面美化。

2.1.2 功能實(shí)現(xiàn)

在潛水、承壓水的水流模型中，主要包括了參數(shù)輸入、水頭降深輸出、命令窗口3個(gè)區(qū)塊，模型中設(shè)計(jì)多口抽水井，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行布置。輸入?yún)^(qū)的主要參數(shù)為初始水頭，受到抽水井抽頭強(qiáng)度、半徑影響。

在Excel中實(shí)現(xiàn)模型可視化功能，要構(gòu)建對(duì)個(gè)工作表，并編輯相關(guān)公司，工作表中要有相同的模擬區(qū)域，從而得出可視化數(shù)據(jù)模型，包括可視化界面、抽水井抽水產(chǎn)生的總效應(yīng)、水位降深范圍、水位降深南北方剖面圖、水位降深東西方剖面圖。一個(gè)抽水井對(duì)應(yīng)2個(gè)工作表。對(duì)于潛水含水層無(wú)限邊界群井開(kāi)采穩(wěn)定流狀況，在模擬區(qū)其余單元格輸入相關(guān)公式，并計(jì)算出需要設(shè)定的參數(shù)值。對(duì)其余抽水井模擬區(qū)水位影響也可以采用該方法設(shè)計(jì)。將單元公式復(fù)制到模擬區(qū)域單元格當(dāng)中，即可得到水位降深值。

2.2 數(shù)值模型在Excel中的可視化

2.2.1 有限差分法

對(duì)地下水?dāng)?shù)值模型構(gòu)造中，將二維潛水、承壓水分別在穩(wěn)流、非穩(wěn)流條件進(jìn)行模型有限差分，構(gòu)建有限差分方程，將方程放入Excel當(dāng)中編程。針對(duì)簡(jiǎn)單的水文地質(zhì)條件，在考慮模擬范圍時(shí)，在Excel當(dāng)中構(gòu)建規(guī)則矩形，邊界條件需考慮定水頭邊界、隔水邊界和流量邊界。

2.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)值模型中包括水流模型、水質(zhì)模型，為了得到可視化模型，要采用有限差分方法，在Excel VBA編輯器當(dāng)中對(duì)差分結(jié)果重新定義，之后采用主界面控件鏈接并運(yùn)行該程序即可直接輸出模擬結(jié)果。可視化操作界面分為3個(gè)模塊，包括主界面工作表、相關(guān)工作表和VBA編輯器。其功能與上述相同，因此不再贅述。

各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立又保持聯(lián)系，主要系統(tǒng)流程為：Excel可視化操作界面設(shè)計(jì)，同時(shí)輸入?yún)?shù)和調(diào)用公式，調(diào)用公式中可以分為模型編程自定義函數(shù)和執(zhí)行相關(guān)控件與操作界面程序編寫(xiě)。

2.2.3 功能實(shí)現(xiàn)

地下水?dāng)?shù)值模型分析了承壓水、潛水，這2種情況的穩(wěn)流、非穩(wěn)流的共性、異性。傳統(tǒng)的水質(zhì)模型主要考慮了一維穩(wěn)流、一維的水動(dòng)力彌散條件下情況，包括對(duì)流、彌散等，一端為定濃度邊界情況。其中的邊界條件、模擬類(lèi)型設(shè)定是以列表框形式呈現(xiàn)，根據(jù)地下水評(píng)價(jià)實(shí)際狀況，選擇符合實(shí)際的條件即可。

操作中點(diǎn)擊“程序說(shuō)明”即可得到水流模型可視化內(nèi)容，包括模型應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題、水流與水質(zhì)模型公式等，并以可視化方式呈現(xiàn)出滲透系數(shù)、含水層厚度、垂向入滲量、抽水量參數(shù)等，各個(gè)工作表的模擬區(qū)相連，結(jié)合工作表中的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“輸入”按鈕之后即可運(yùn)行鏈接。所有參數(shù)都給定之后，即可完成模型運(yùn)行，主界面上可以提供3個(gè)功能按鍵，分別為水頭模擬三維圖、三維坐標(biāo)（x，y，z）輸出水頭和定濃度界面，并呈現(xiàn)參數(shù)的輸出結(jié)果。水質(zhì)模型中單元格輸入的是模擬時(shí)間步長(zhǎng)，還可以結(jié)合用戶(hù)實(shí)際操作要求，輸出不同距離、時(shí)間模擬結(jié)果曲線(xiàn)圖。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文介紹了地下水流模型與數(shù)值模型在Excel中編程以及可視化的實(shí)現(xiàn)方法，借助數(shù)學(xué)模型原理，通過(guò)Excel空間美化可視化截面。用戶(hù)在模型中輸入相關(guān)闡述，點(diǎn)擊相關(guān)功能按鈕即可得到想要的結(jié)果。在對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行有限差分中，水流模型要采用隱式有限差分法。在差分方程求解中，可以采用Excel中的迭代算法，在Excel選項(xiàng)當(dāng)中設(shè)定多次迭代數(shù)以及最大誤差值獲得差分方程解，即可得到可視化地下水?dāng)?shù)值圖形或文字描述。

參考文獻(xiàn)

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