信息系統(tǒng)和地下水流數(shù)值模型耦合研究

張 院,寇文杰,王新絹, 屈麗麗,孫 穎

（1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871; 2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195;3.北京超創(chuàng)想信息技術(shù)有限公司，北京 100084)

0 引言

地下水?dāng)?shù)值模型是研究地下水循環(huán)演化規(guī)律、評價地下水資源、預(yù)測地下水滲流場變化趨勢必不可少的工具。隨著地理信息化管理程度的提高，迫切需要將地下水資源評價工作集成到地下水管理信息化進(jìn)程中，形成一個可以動態(tài)評價和管理預(yù)測的水資源評價管理系統(tǒng)，提高工作效率。愈來愈多的學(xué)者專家致力于將信息系統(tǒng)和地下水?dāng)?shù)值模型進(jìn)行耦合，本文將對數(shù)值模型與信息系統(tǒng)的嵌入技術(shù)進(jìn)行研究，開展源匯項數(shù)據(jù)的輸入格式、模型數(shù)據(jù)輸出格式的研究，針對數(shù)值模擬工作特點，采用模型輸入數(shù)據(jù)“動態(tài)+穩(wěn)定”的思想，開發(fā)MODFLOW數(shù)值模型動態(tài)預(yù)測可視化平臺，通過地下水系統(tǒng)模型源匯項的實時更新功能，從而實現(xiàn)模型根據(jù)源匯項的動態(tài)變化進(jìn)行實時更新運算、模型展示，提高數(shù)值模擬的工作效率[1~2]。

1 信息系統(tǒng)與數(shù)值模型耦合現(xiàn)狀

MODFLOW是模塊化三維有限插分地下水流模型的縮寫，采用單元中心有限差分法模擬地下水子在含水層中的運動，不僅能模擬地下水在孔隙介質(zhì)中的流動，還可以解決地下水在裂隙介質(zhì)中的流動問題。其核心計算程序功能已經(jīng)很完備，采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，易于修改和添加子程序包。輸入數(shù)據(jù)可以通過一定格式存入一系列文件由程序讀入。因此以MODFLOW 為計算核心的地下水計算模型與 GIS 集成研究較多。國外Thomas Heinzer 等人利用 GIS 開發(fā)了建立地下水流模型的圖形用戶界面，在GIS環(huán)境下建立基于 MODFLOW 的地下水流模型，模型網(wǎng)格、輸入輸出數(shù)據(jù)都可以存為獨立的柵格數(shù)據(jù)組。Ross S B.在建立大區(qū)域地下水流模型時利用相關(guān)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）管理調(diào)用模型所需的輸入項數(shù)據(jù)包括各類數(shù)據(jù)文件、shp文件、柵格文件，并把各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 MODFLOW 輸入文件實現(xiàn)模型模擬。我國周德亮等人在MAPGIS平臺上進(jìn)行接口開發(fā)將地下水模型與MAPGIS耦合集成,在集成的基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)的可視化功能，在GIS平臺上為地下水模擬的全過程提供一個統(tǒng)一高效的計算機環(huán)境。楊旭等人將常州、武進(jìn)地區(qū)地下水資源評價模型與 GIS 集成研究，提高地下水流模擬過程可視化程度，從而提高地下水流模擬系統(tǒng)的空間輔助決策支持功能。魏家華等人在對北京密懷順的地下水模型中基于GIS建立了一個可以交互式剖分的建模環(huán)境，王仕琴等人開展地下水模型與GIS集成，以實現(xiàn)水資源的動態(tài)評價。GIS系統(tǒng)為地下水模型提供數(shù)據(jù)支持和可視化平臺已成為地下水管理信息化發(fā)展的主流[2~6]。

2 信息系統(tǒng)與數(shù)值模型耦合思路

信息系統(tǒng)與數(shù)值模擬軟件的耦合，是在信息系統(tǒng)軟件程序的角度形成模型運行環(huán)境，分析模型軟件以模型算法作為系統(tǒng)的計算內(nèi)核[7~11]。根據(jù)模型計算需要的數(shù)據(jù)文件格式和已有數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)格式之間的關(guān)系，找出地下水評價模型軟件和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。在分析現(xiàn)有地下水流數(shù)值模擬軟件MODFLOW工作流程及建模所需數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式基礎(chǔ)上，開展資源評價模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲方式研究，為地下水模型和GIS的數(shù)據(jù)接口提供依據(jù)。設(shè)計系統(tǒng)工作流程及數(shù)據(jù)流程，開發(fā)數(shù)據(jù)接口、集成數(shù)據(jù)接口，最后實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用模型核心算法，實現(xiàn)模型更新模型數(shù)據(jù)，展示模擬成果。

2.1 MODFLOW數(shù)值模擬軟件數(shù)據(jù)分析

模型模擬所需的數(shù)據(jù)輸入包括：源匯項數(shù)據(jù)（降雨量、蒸發(fā)量、開采量、補給量、排泄量等）、模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（各目標(biāo)層頂?shù)装鍢?biāo)高）、模型參數(shù)數(shù)據(jù)（給水度、滲透系數(shù)、釋水系數(shù)等）和水位數(shù)據(jù)（初始流場與模擬末流場）。頂?shù)装鍢?biāo)高、初始水位以及水文地質(zhì)參數(shù)為空間屬性值，與時間無關(guān)為相對穩(wěn)定數(shù)據(jù)。降雨蒸發(fā)開采量等源匯項數(shù)據(jù)屬于動態(tài)變化數(shù)據(jù)。相對穩(wěn)定類數(shù)據(jù)在已建成的模型中不需要更新，需要將動態(tài)變化的源匯項數(shù)據(jù)從系統(tǒng)中調(diào)出并存儲為模型能夠識別的格式。模型輸出數(shù)據(jù)主要為表示水均衡和水位數(shù)據(jù)，需要通過模型接口轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)能夠識別的格式。

模型與系統(tǒng)耦合過程中需要考慮子程序包的文件格式：離散程序文件（DIS），記錄模型時間和空間剖分情況，包括：行、列、層數(shù)，模擬應(yīng)力期數(shù)，模型中所用數(shù)據(jù)的時間和距離單位，含水層下層是否有隔水層，網(wǎng)格大小，模型各層頂?shù)装甯叱?，以及每個應(yīng)力期內(nèi)時間步長及增加因子，以及水流為穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流標(biāo)識符。動態(tài)類源匯項降雨補給量（RCH）文件，輸入模擬期內(nèi)補排量信息，包括：面狀補排量輸入層位符號，補排量輸出保存文件號，以及每個應(yīng)力期所有含水層的補給率和排泄率疊加的二維矩陣數(shù)據(jù)。動態(tài)類源匯項井流（WEL）文件，描述開采或注水井的信息，包括：所有應(yīng)力期內(nèi)最大井的數(shù)據(jù)，每個應(yīng)力期井?dāng)?shù)量，每個應(yīng)力期井位置（層號、行號和列號）以及開采或注水量。

輸出控制子程序包（OC）文件，定義輸出內(nèi)容和格式，包括：水位、降深、水均衡狀況輸出及保存文件格式，控制在什么時間段輸出或保存水資源信息等。水均衡文件（BUDGET）描述模擬過程中各個時間段的水量均衡狀況，包括累積均衡量和該時間步長的均衡量，分別用流入和流出來表示。水頭文件（HEAD）記錄了輸出控制文件OC中指定時間（一般輸出各應(yīng)力期末時刻）的水位值并依此輸出。

圖1 系統(tǒng)運行模型過程

2.2 信息系統(tǒng)中數(shù)值模型調(diào)用過程

信息系統(tǒng)對數(shù)值模型調(diào)用更新過程中模型動態(tài)類輸入數(shù)據(jù)由信息系統(tǒng)基礎(chǔ)庫中提取，存儲至模型專題庫中。對提取至模型專題庫的動態(tài)類輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)滿足MODFLOW計算所需數(shù)據(jù)格式，運算核心采用MODFLOW數(shù)值模擬程序?qū)崟r調(diào)用該程序進(jìn)行模型計算（圖1）。

信息系統(tǒng)對模型輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，其中模型輸出的均衡量數(shù)據(jù)以報表形成進(jìn)行展示；水位數(shù)據(jù)在三維建模平臺上進(jìn)行可視化展示，結(jié)合平臺建立的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，將模型輸出水位信息進(jìn)行疊加展示，同時也可以將DEM、遙感等信息進(jìn)行疊加展示。

2.3 系統(tǒng)耦合方法

通過分析MODFLOW軟件特點和數(shù)據(jù)文件特點，結(jié)合系統(tǒng)工作流程，需要開發(fā)數(shù)據(jù)輸入、輸出接口。降雨量（RCH）程序接口：讀取MODFLOW軟件中降雨量（RCH）程序包中所需DIS文件中記錄的應(yīng)力期數(shù)，以年和月的倒序順序提取數(shù)據(jù)庫中記錄的每個月的降雨量，直到總的月數(shù)等于應(yīng)力期數(shù)。讀取信息系統(tǒng)中記錄入滲系數(shù)分布的SHP文件，按穩(wěn)定項的柵格劃分結(jié)構(gòu)過行同等行列的柵格劃分。調(diào)用ARCGIS的IRaster Dataset To Raster Dataset ( IgeoDataset dataset,string raster Format, Iworkspacep Workspace, string name)接口，讀取每個柵格的入滲系數(shù)，并暫存至內(nèi)存。與模型中的各區(qū)入滲系數(shù)相乘，得到每個月每個柵格的降雨量。固定格式寫入RCH文件，生成降雨量的源匯項文件。井流（WELL）程序包接口開發(fā)與降雨量程序包接口開發(fā)類似。

模型輸出數(shù)據(jù)主要為表示水均衡和水位數(shù)據(jù)。水均衡文件是以BUGET二進(jìn)制文件輸出，開源程序讀取MODFLOW水均衡的輸出文件，以應(yīng)力期為單位，按層號、區(qū)號，顯示每個區(qū)，每個區(qū)與區(qū)之間的降雨入滲，農(nóng)業(yè)灌溉補給，側(cè)向流入，越流的值，以及各自占總值的百分比例。水頭文件的輸出是以二維數(shù)組的形式輸出，依次記錄在時間控制文件中確定要輸出的時間段的水位和降深值，為結(jié)果的可視化顯示提供依據(jù)。水頭文件讀取后存入地下水模型數(shù)據(jù)專題庫，按坐標(biāo)投點。以水位值為生成等值線與等值面的數(shù)據(jù)源。把MODFLOW數(shù)值模擬輸出水位文件轉(zhuǎn)換為信息系統(tǒng)內(nèi)三維建模平臺識別的接口文件，然后在三維地質(zhì)建模系統(tǒng)上采用三維模型渲染設(shè)置地質(zhì)體透明等技術(shù)方法，實現(xiàn)水位信息和三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的疊加顯示。

3 應(yīng)用實例

3.1 大興MODFLOW數(shù)值模型

圖2 奧陶系承壓水模擬期末流場圖

圖3 奧陶系承壓水水位擬合過程線

大興數(shù)值模型研究面積約767km2。通過該地區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件分析，數(shù)值模型在垂向上共分五層，由上至下分別為第四系潛水含水層，第四系承壓含水層，奧陶系承壓含水層，寒武系中上統(tǒng)含水層組，寒武系下統(tǒng)及青白口系含水巖組。模型采用三角形剖分，并且對水源地勘查區(qū)、主要斷裂帶、重點邊界附近進(jìn)行加密。在斷裂處剖分精度約100m，第三系區(qū)域剖分精度約300m，奧陶系、寒武系含水層分布區(qū)剖分精度200m，剖分后的模擬區(qū)，節(jié)點數(shù)為每層17579個，三角形單元每層34712個。模型選取2000年1月到2012年9月即模擬期作為模型的識別驗證期，同時結(jié)合實際收集到的2012年9月普測水位對模型模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗。通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)和均衡量，識別水文地質(zhì)條件，確定了模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和均衡要素[14~15]。從模擬期末流場和典型長觀孔水位過程線擬合結(jié)果（圖2、圖3）、水文地質(zhì)參數(shù)以及區(qū)域地下水系統(tǒng)均衡分析看，建立的地下水流數(shù)值模型基本上反映了區(qū)內(nèi)地下水基本特征，達(dá)到了模型精度要求，模型識別和均衡計算結(jié)果與實際水文地質(zhì)條件相符。

3.2 北京巖溶水資源信息系統(tǒng)

北京巖溶水信息系統(tǒng)是“北京巖溶水資源勘查評價工程”數(shù)據(jù)信息化、可視化管理的平臺，存儲了大量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為了快速獲取最新時段內(nèi)水位水均衡信息，實現(xiàn)數(shù)值模擬的水位信息和系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)體一體化展示，將大興迭隆起巖溶水流MODFLOW數(shù)值模型集成到系統(tǒng)中，對建模數(shù)據(jù)文件進(jìn)行專題庫管理，從系統(tǒng)基礎(chǔ)庫中調(diào)用數(shù)值模型所需的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)化為模型輸入數(shù)據(jù)文件，對計算所需源匯項數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新。將模擬預(yù)測的水位，水均衡文件存儲至系統(tǒng)地下水模型專題庫中，進(jìn)行報表及圖件的展示。

圖4 水均衡匯總表

圖5 模型計算結(jié)果可視化展示

3.3 系統(tǒng)與模型的集成應(yīng)用

在北京巖溶水資源信息系統(tǒng)中設(shè)計了大興巖溶水地下水流模型的更新界面，將數(shù)據(jù)接口進(jìn)行封裝，所有交換數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換成模型計算能夠識別的格式。選擇需要更新的應(yīng)力期，提取該時段內(nèi)數(shù)據(jù)庫中降雨量和開采量數(shù)據(jù)對模型中相應(yīng)源匯項數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。點擊“開始模擬”將自動調(diào)用MODFLOW計算程序?qū)π碌膽?yīng)力期進(jìn)行模擬。計算結(jié)束后輸出數(shù)據(jù)自動存儲到數(shù)值模型專題庫中，在系統(tǒng)界面點擊“生成報表”或者“三維成果展示”，查看水均衡報表和地下水滲流場（圖4、圖5）。

4 結(jié)論

系統(tǒng)從MODFLOW數(shù)值模擬軟件角度分析了數(shù)值模型與系統(tǒng)耦合所需開發(fā)的數(shù)據(jù)接口，以模塊設(shè)計的方法將數(shù)值模型嵌入系統(tǒng)中，同時對數(shù)據(jù)接口進(jìn)行封裝，開發(fā)數(shù)據(jù)更新界面，實現(xiàn)信息系統(tǒng)與MODFLOW數(shù)值模型耦合。采用了對模型輸入中動態(tài)變量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)用和轉(zhuǎn)換的思想，將系統(tǒng)中的動態(tài)變化數(shù)據(jù)按時間段讀取出來并轉(zhuǎn)化成模型所需的數(shù)據(jù)文件，重新運行模型，輸出模擬結(jié)果，實現(xiàn)了對模型數(shù)據(jù)的更新及模擬預(yù)測結(jié)果的展示。

地下水流數(shù)值模型與信息系統(tǒng)的集成耦合使信息化管理程度大幅提高，形成一個動態(tài)評價和預(yù)測的水資源評價管理系統(tǒng)，同時對模型計算結(jié)果可視化展示，為地下水資源水位變化趨勢提供直觀認(rèn)識，大大方便了地質(zhì)工作者對地下水的研究，為政府管理部門更好管理地下水資源提供了技術(shù)支撐。

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