地下水數(shù)值模擬方法的研究與應用進展

王軍進　張洪偉　張國珍　武福平　雷楷

摘要：地下水數(shù)值模擬方法是解決地下水相關問題的一個重要的手段。本文系統(tǒng)闡述了地下水模擬的發(fā)展過程、常見數(shù)值模擬方法和數(shù)值模擬的應用進展，分析了地下水數(shù)值模擬存在著模型應用不夠全面、與各交叉學科耦合不夠緊密以及過度追求模擬軟件的可視化程度等問題，最后對地下水數(shù)值模擬未來的發(fā)展趨勢進行了展望。文章使讀者能夠較為全面地認識地下水模擬技術，了解地下水數(shù)值模擬的優(yōu)缺點，掌握不同的水文地質條件下最優(yōu)數(shù)值模擬方法的選擇，為地下水數(shù)值模擬方法的推廣應用提供借鑒。

關鍵詞：地下水；模擬方法；發(fā)展過程；發(fā)展趨勢

中圖分類號：X11 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）06-0103-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.060

Abstract：Groundwater numerical simulation method is an important means to solve groundwater related problems. This paper systematically elaborates the development process of groundwater simulation， common numerical simulation methods and application progress of numerical simulation. It also analyzes the problems of groundwater numerical simulation such as incomplete application of model， incompatibility with various cross disciplines， and excessive pursuit of visualization of simulation software. Finally， the future development trend of groundwater numerical simulation is forecasted. The article enables the reader to understand the groundwater simulation technology more comprehensively， understand the advantages and disadvantages of groundwater numerical simulation， master the choice of optimal numerical simulation methods under different hydrogeological conditions， and provide reference for the promotion and application of groundwater numerical simulation methods.

Key words：Groundwater； Simulation method；Development process； Development trend

最近幾十年來頻繁的人類活動對地下水資源的質和量造成了許多負面影響，如過量開采引起的水資源枯竭、海水入侵、地面沉降，三廢任意排放造成地下水不同程度地受到污染等[1]。除此之外，在實際工程實踐中，諸多不良的工程地質現(xiàn)象如滑坡、巖溶、潛蝕、土體鹽漬化，以及工程病害如地基沉陷與邊坡滑塌，道路凍脹與翻漿等都與地下水的存在和活動有關，有些地下水甚至還對結構物有化學侵蝕作用，使其結構破壞。因此，評估人類活動對地下水質和量的影響、評價地下水資源的合理開發(fā)，以便可持續(xù)地利用地下水資源、預測地下水污染發(fā)展趨勢、選擇最佳防治措施等等，這些當代迫切需要解決的問題都需要借助于求解地下水數(shù)值模型才能找到比較滿意的解答[2]。本文從地下水模擬的發(fā)展過程、常見數(shù)值模擬方法、數(shù)值模擬的應用進展以及存在的問題幾方面進行了闡述，并分析了地下水數(shù)值模擬的優(yōu)缺點及最佳模擬方法的選擇。

1 地下水模擬的發(fā)展過程

地下水模擬是基于計算機利用數(shù)值方法來分析和預測不同條件下局部或區(qū)域地下水系統(tǒng)行為的一種手段。而早期的地下水模擬采用的是電類比模型，它采用被動電阻電容網(wǎng)絡模擬并用電流代替地下水流，但類比法除了能在一定程度上給出對流計算的流速場之外；并不能夠描述復雜的地下水溶質遷移的問題，但它作為一種研究水文問題的模擬手段；為后來的溶質遷移模擬奠定了堅實的基礎。20世紀60年代，地下水水流模擬逐漸從類比法過渡到數(shù)值法，數(shù)值模擬方法就是在計算機上采用離散化的方式去求解數(shù)學模型，得到數(shù)學模型的近似解[3]。由于這種方法具有較高的仿真度，能夠很好地反應復雜地質條件下的地下水流的運動狀態(tài)，因此這種方法很快發(fā)展成為地下水模擬的一種主流方法。20世紀70年代以來地下水溶質遷移模擬領域發(fā)展很快，特別是三維水流模型與有限元算法程序這兩方面的引入，推動了溶質遷移技術的發(fā)展，但其主要原因是由于對地下水水質的強烈關注引發(fā)的信息需求和飛速發(fā)展的計算機技術使得工程人員和水文地質工作者可以對野外項目進行模擬。20世紀80年代早期，裂隙含水層的溶質遷移問題和多相流動系統(tǒng)的研究成為了研究的焦點課題[4]，研究范圍包括了飽和帶、非飽和帶以及飽和—非飽和帶[5]。數(shù)值模擬方法以其方便靈活，適用于各種復雜水文地質條件的特點，已廣泛應用于地下水資源預測、水資源環(huán)境分析、水流影響評價之中[6-8]。

2 常見的地下水數(shù)值模擬方法

解決地下水問題的數(shù)值方法有多種，但目前數(shù)值模擬方法主要有有限差分法（FDM）、有限元法（FEM，也稱有限單元法，有限元素法）、邊界元法（BEM）和有限分析法（FEM）等[9]，其中有限差分法和有限元法應用較廣泛[10]。除了上述主要數(shù)值方法外，近年來還出現(xiàn)新的數(shù)值方法如混合有限元法、多尺度有限元法等[11]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，20世紀80年代地下水數(shù)值模擬計算方法已趨于成熟[12]。但由于地下水系統(tǒng)的復雜性，不同方法的功能及適用條件的差異性，還沒有任何一種方法或軟件能解決一切地下水問題[13]。表1從各個數(shù)值方法的基本原理、優(yōu)缺點以及典型代表軟件方面對數(shù)值法進行了介紹，以便在進行地下水模擬之前就能夠掌握各個方法的優(yōu)勢和缺陷，根據(jù)不同的水文地質條件選擇最優(yōu)的數(shù)值模擬方法。

3 地下水數(shù)值模擬方法的應用進展

隨著科學技術的不斷發(fā)展，地下水數(shù)值模擬法已經(jīng)發(fā)展成為解決地下水各種問題的主要方法。研究者們對地下水數(shù)值模擬方法進行了大量的研究。馬鈞霆、陳鎖忠、朱曉婷等[14]以有限元數(shù)值方法和三維地理信息平臺為基礎，提出了孔隙地下水在模擬過程在3D-GIS下的實現(xiàn)方法和技術框架；江思珉、朱國榮、王浩然等[15]提出采用基于區(qū)域分解原理的快速自適應組合網(wǎng)格方法FAC法并將其應用于防滲墻的防滲研究；邵景力等[16]在黃河下游采用FEFLOW軟件建立了三維地下水流模型，并用模型模擬了截滲墻建成后黃河側滲量和地下水流場的變化；郭小銘[17]采用地下水數(shù)值模擬技術預測了不同疊加情況下地下水水位變化，為合理確定地下水抗浮水位、制定建筑物防水措施提供了科學依據(jù)；高維春、潘俊、張永祥等[18]通過建立沈陽沈北新區(qū)溪泉湖水源地地表水與地下水聯(lián)合運用的耦合模型， 利用Visual MODFLOW軟件，得出了濕地構建儲備水源地10a后地下水環(huán)境的動態(tài)變化；高小文等[19]運用Visual MODFLOW建立溶質運移模擬模型對小型銅礦尾礦庫對地下水污染進行了模擬，確定其污染物的影響范圍及運移距離。由此可見，地下水數(shù)值模擬技術在地下水領域中應用十分的廣泛，成為解決地下水相關問題的一個重要的手段。

4 地下水模擬中存在的問題及展望

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，地下水數(shù)值模擬方法已經(jīng)應用到地下水問題的各個方面，已經(jīng)從單一的地下水位、水量模擬過渡到對地下水污染物遷移轉化規(guī)律和環(huán)境影響方面進行應用研究的高級階段[20]。但地下水系統(tǒng)是一個統(tǒng)一的水動力及物理-化學系統(tǒng)，由于認識和科學技術的限制，在實際應用中還存在著如下問題：

與地理信息技術和各交叉學科耦合不過緊密。將高新的信息技術引入到地下水模擬中來，不僅可大大的簡化模型輸入前后繁瑣的數(shù)據(jù)處理；減少模擬工作者的工作量，而且對模擬精度和模擬結果準確性的提高具有重大影響?？梢灶A見未來的地下水數(shù)值模擬必然會向著多學科耦合、多領域交叉的方向發(fā)展。模擬前數(shù)據(jù)信息的獲取是未來數(shù)據(jù)模擬主要發(fā)展的核心趨勢。

計算機技術的快速發(fā)展為地下水數(shù)值模擬帶來了許多的便利，各種數(shù)值模擬軟件已經(jīng)成為許多地下水工作者進行地下水模擬工作的首選，但有的過度追求模擬軟件的可視化程度，而忽視了具體的水文地質得認識、概化，不重視概念模型的建立和數(shù)值模型的識別、檢驗等工作。

模型應用不夠全面，目前多數(shù)地下水數(shù)值模型原理都是以達西定律和質量守恒定律為基礎的，適合于模擬地下水是層流和連續(xù)介質的情況，在裂隙介質、巖溶介質中的地下水數(shù)值模擬相關技術還沒有完全解決，因此模型的應用范圍仍受到一定的限制。隨著研究的進一步深入這些問題有望在同一地下水系統(tǒng)模型中解決。

由于含水層地質結構通常比較復雜、尺度多種多樣，會使模型參數(shù)和邊界條件存在著不確定性，這不確定性將會導致地下水數(shù)值模擬結果的不確定性，從而致使模型的預測結果和真實結果存在著一些誤差。為了得到較為準確的模擬結果，就必須對模擬結果進行不確定性分析。這就要求未來數(shù)值模擬就必須對不確定性分析方法有創(chuàng)新性的突破。

參考文獻

[1] 楊仲元，秦植海.工程地質與水文[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2] 薛禹群，謝春紅.地下水數(shù)值模擬[M].北京：科學出版社，2007.

[3]郝治福，康紹忠.地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].水利水電科技進展，2006（01）：77-81.

[4]鄭春苗，孫晉玉，盧國平.地下水污染物遷移模擬[M].北京：高等教育出版社，2016.

[5]李凡，李家科，馬越，李懷恩，姬國強，袁萌.地下水數(shù)值模擬研究與應用進展[J].水資源與水工程學報，2018，29（01）：99-104+110.

[6]白福高，劉偉江，文一，陳堅.地下水溶質遷移規(guī)律研究概述[J].環(huán)境保護學，2015，41（06）：86-89.

[7]魏加華，郭亞嬌，王榮，姜媛.復雜巖溶介質地下水模擬研究進展[J].水文地質工程地質， 2015，42（03）：27-34.

[8]邢譯心，鮑新華，吳永東，楊亞飛，張峰龍.基于Visual MODFLOW的尚志市水源地地下水資源預測與開采利用[J].水電能源科學，2015，33（02）：42-45+59.

[9]金云龍，邱錦安，劉遠鋒，邱耿彪，曾凡龍.地下水污染物運移數(shù)值模擬研究及應用綜述[J].地下水，2016，38（03）：21-23.

[10]盧丹美.地下水數(shù)值模型和軟件的特點及在我國的應用現(xiàn)狀[J].中國水運（下半月），2013，13（01）：107-109.

[11] 孫從軍，韓振波，趙振等.地下水數(shù)值模擬的研究與應用進展[J].環(huán)境工程，2013，31（5）：10.

[12] 徐娟花.地下水數(shù)值模擬現(xiàn)狀[J].工程地質計算機應用，2012（4）：11-12.

[13]趙珍，李貴仁.數(shù)值法預測礦區(qū)涌水量時模擬軟件的應用評述[J].地下水，2014，36（03）：13-15.

[14]馬鈞霆，陳鎖忠，朱曉婷，何志超.3D GIS下地下水流有限元數(shù)值模擬方法與應用[J].地球信息科學學報，2016，18（06）：749-757.

[15]江思珉，朱國榮，王浩然，孫斌堂.FAC方法在地下水數(shù)值模擬中的應用[J].水利學報，2006（11）：1389-1392.

[16]邵景力，崔亞莉，趙云章，賀國平.黃河下游影響帶（河南段）三維地下水流數(shù)值模擬模型及其應用[J].吉林大學學報（地球科學版），2003（01）：51-55.

[17]郭小銘.數(shù)值模擬在區(qū)域地下水抗浮水位設計中的應用[J].地下水，2018，40（02）：8-10.

[18]高維春，潘俊，張永祥，張曉葉，段智隆，王由好，秦燦.基于地表水與地下水耦合模型的溪泉湖濕地數(shù)值模擬的應用研究[J].北京工業(yè)大學學報，2015，41（02）：269-274.

[19]高小文，呂敬，李秀娟，高策，孫啟明.銅礦尾礦庫污染物在地下水中運移規(guī)律數(shù)值模擬[J].水資源與水工程學報，2017，28（02）：120-125.

[20]王浩，陸垂裕，秦大庸，桑學鋒，李揚，肖偉華.地下水數(shù)值計算與應用研究進展綜述[J].地學前緣，2010，17（06）：1-12.

收稿日期：2018-05-21

基金項目：國家自然科學基金資助項目（項目編號：51468033）；甘肅省重點研發(fā)計劃資助項目（項目編號：17YF1NA056） ；甘肅省科技計劃資助項目（項目編號：1604ZCRA014，1606RJZA039）

作者簡介：王軍進（1993-），男，在讀碩士研究生，研究方向為隧道水環(huán)境。

通訊作者：張國珍（1969-），男，博士，教授，博士生導師，從事環(huán)境管理與規(guī)劃、隧道水環(huán)境及水污染治理等方面的研究工作。