地下水数值模拟研究

2022-03-22 10:52:01| 浏览次数：

摘要：地下水作为重要的环境资源，其安全受到人们的广泛关注和高度重视。地下水数值模拟作为评价地下水水量和水质的重要技术手段，因而也受到了相关科研人员的广泛关注。文章在分析地下水数值模拟发展历程的基础上，简单介绍了国内外几种使用较为频繁的地下水数值模拟软件，如GMS，Visual MODFLOW，FEFLOW等，阐述了地下水数值模拟的发展趋势。

关键词：地下水；数值模拟；GMS；Visual MODFLOW；FEFLOW

中图分类号：TV1 文献标志码：A 文章编号：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

地下水作为一种十分宝贵的自然资源，同时也作为城市生活用水、工业用水、农业用水等重要的供水水源，与人类生活息息相关。近些年，由于城镇化发展进程的加快，地下水长期处于超采状态[1]，形成区域降落漏斗[2]。而且由于建设项目的增多，地下水水质也时刻受到威胁[3]。因此如何科学合理利用好地下水水资源，关系到我国国民经济是否能够健康平稳可持续发展。通过数值模拟方法[4]，可以可视化分析研究地下水流和溶质运移问题，其方法直观、有效、灵活，因而越来越受到领域内学者的重视以及广泛应用。目前其主要应用于地下水资源评价、预报、管理以及地下水中溶质运移扩散研究当中[4]，并且取得了一定的研究成果。

1 数值模拟概述

数值模拟法是以描述地下水流运动微分方程、边界条件和初始条件为基础，建立地下水水位随时间连续变化的函数数学模型，并在计算机上采用离散化方法对所建立的数学模型进行求解，所求得的解是一种近似解。数值模拟法在研究地下水流动态方面的优点就在于其不仅可以有效地反映复杂地质条件下地下水运动情况，而且还可以解决地下水水质以及热量运移等问题。常用的数值模拟方法包括有限差分法[5]、有限单元法[6]、有限分析法[7]、边界单元法[8]等，其中最常用的方法为有限差分法和有限单元法[9]。有限差分法于20世纪60年代开始逐渐应用于地下水流模拟计算，其简单、灵活、通用性强，计算机上容易实现。后者由我国数学家冯康创建，并于20世纪60年代后期开始应用于地下水数值模拟计算之中[10]。

2 地下水数值模拟发展简史

人类对地下水的开发利用有着悠久的历史，从大约5600年前中国先祖们通过木质结构井取水开始，到1856年法国著名水利工程师达西（H. Darcy）提出揭示地下水渗流运动规律的达西定律，之后很长时间水文地质关于地下水的计算主要以解析法为主，到了20世纪50～60年代，离散介质点网络模拟成为地下水主要的计算方法[11]。1956年斯图尔曼（R. W. Stallman）首次将数值法应用于水文地质计算，随着华尔顿（W. C. Walton）将电子计算机引入地下水数值模拟，便利了水文地质数学问题的求解，促进了水文地质问题的定量求解，加速了数值模拟的发展。至此，越来越多与地下水流相关的各类问题都通过数值模拟方法求解。

3 地下水模拟软件概述

地下水数值模拟软件随着计算机的引入而快速发展，为了方便、快捷、直观解决地下水流相关问题，国外科研团队研究开发了众多地下水数值模拟软件。其中主要有GMS[12]、Visual MODFLOW[12]以及FEFLOW[13]等。

3.1 GMS

Groundwater Modeling System，简称GMS，即地下水模拟系统，由美国Brigham Young环境模拟研究中心与美国军队排水工程试验工作站在已有地下水模拟软件的基础上共同合作研究开发，该软件以概念模型和网格模型为基础，软件界面综合了MODFLOW、SEAM3D、MODPATH、MT3DMS等可视化三维地下水模拟软件包，前处理功能优越，建模便捷直观，图形图像处理功能强大，是国内外目前功能最为完善的地下水模拟软件。

3.2 Visual MODFLOW

Visual MODFLOW是一款在美国地质勘探局（USGS）软件MODFLOW的基础之上研究开发的地下水流模拟软件，由加拿大Waterloo水文地质公司研究开发，其综合了已有的 MT3D、MODPATH、Win PEST以及RT3D等地下水数值模型，并将现代可视化技术应用其中，使之成为目前国际上最具影響力的地下水流和溶质运移可视化模拟软件。该软件在我国目前主要应用于地下水资源评价、地下水水位动态预测、建设项目选址、地下水污染物运移、煤矿涌水量预测等方面。

3.3 FEFLOW

FEFLOW软件在1979年由德国WASY水资源规划系统研究所研究开发，其作为有限元地下水数值模拟的代表，有利于用户进行模型建立、分析复杂三维地质体地下水流动态以及溶质运移情况，该软件是迄今为止功能最齐全的地下水水量和水质计算模拟软件[14]。其主要优势表现在模拟非饱和带与饱和带地下水流及其温度分布、应用ArcGIS和FEFLOW进行地下水空间分布模拟等方面。

4 国内研究进展

我国在地下水数值模拟方面的研究起步相对较晚，大概开始于20世纪70年代[15]。经过国内专家学者20多年的不懈努力，我国地下水数值模拟研究飞速发展，应用遍及地下水相关的各个领域，并且针对应用过程中存在的问题，科研工作者不断进行理论和方法上的创新，拓宽研究方向和加深研究深度，现如今我国的地下水数值模拟研究已经接近国际化水平。国际上出现的地下水数值模型我国已基本具有，如地下水污染模型[16]、坝体渗漏模型[17]、地下水资源管理模型[18]、热运移模型[19]、溶质运移模型[20]、地面沉降模型[21]等。近些年，随着地理信息系统技术不断快速发展，其与地下水数值模型的整合也越来越受到国内科研人员的重视，整合后的模型将具有整体化、自动化、实时化等优点。

5 发展趋势

随着世界经济的发展和科学技术的不断进步，地下水资源需求量不断增加，与地下水相关各类问题的范围与复杂性也日益增大，人类活动对地下水水位以及水质的影响也日益加剧，因此合理制定开采方案并进行环境影响预报显得尤为重要，地下水数值模拟发挥着越来越重要的作用。但由于实际水文地质条件复杂，野外试验数据缺乏，学科交叉应用不强等原因，从而导致数值模拟的精度不高。近年来，随着计算机技术的飞速发展以及3S技术（遥感技术、地理信息系统技术、全球定位系统）的不断成熟，地下水数值模拟软件与其结合必将对模拟精度的提高带来质的飞跃。其次，随着人类对地下水赋存环境及其演变规律认识的不断深入，多学科多方法的耦合研究，将使得地下水数值模拟研究方法具有更广阔的前景[22]。

参考文献：

[1]陈飞，侯杰，于丽丽，等.全国地下水超采治理分析[J].水利规划与设计，2016（11）：3-7.

[2]陈宇良，都基众.地下水降落漏斗的形成与控制[J].工程勘察，2007（06）：23-26+73.

[3]龚星，陈植华，孙璐.地下水环境影响评价若干关键问题探讨[J].安全与环境工程，2013，20（02）：95-99.

[4]孙从军，韩振波，赵振，等.地下水数值模拟的研究与应用进展[J].环境工程，2013，31（05）：9-13+17.

[5]张宏仁.解地下水渗流问题的有限差分法（一）[J].水文地质工程地质，1980（01）：53-57.

[6]阮淼森.有限单元法在地下水资源管理中计算水位动态的应用[J].工程勘察，1982（03）：40-43.

[7]周志芳，李艳.复杂岩体地下水运动问题的有限分析法[J].水科学进展，1997（03）：36-42.

[8]边际.边界单元法在地下水非稳定流计算中的初步应用[J].水利学报，1984（04）：20-30.

[9]童彦钊，吴平，韩强强.地下水数值模拟软件简述[J].科技信息，2011（29）：480+459.

[10]王文科.求解地下水非稳定流问题的局部坐标有限分析法[J].长春地质学院学报，1995，25（4）：415-422.

[11]张人权，粱杏，靳孟贵，等.水文地质学基础（第六版）[M].北京：地质出版社，2011：1-13.