地下水?dāng)?shù)值模擬的研究與應(yīng)用進(jìn)展

石立明

【摘 要】地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)由于其廉價(jià)、高效及能較好地對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)值仿真而成為研究解決地下水問(wèn)題的重要手段。簡(jiǎn)單地介紹了幾種廣泛使用的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件平臺(tái)和模型求解方法。分析了地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用進(jìn)展，從水資源的評(píng)估和管理，逐漸擴(kuò)展到水質(zhì)方面的研究。最后分析了地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了一定的參考。

【關(guān)鍵詞】地下水;模擬軟件;應(yīng)用進(jìn)展;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP319;P641文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0123-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.056

0 引言

全國(guó)大部分城市的工農(nóng)業(yè)用水都以地下水為主要的供給源。例如：2008年石家莊市，地下水供水量25.66×108立方米，占全市供水量的83.1，處于超采的狀態(tài)[1]。由于沒(méi)有節(jié)制的過(guò)量開(kāi)采地下水導(dǎo)致出現(xiàn)地面沉降、地下水資源枯竭等一系列的問(wèn)題。因此合理的開(kāi)采和使用地下水資源就成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。數(shù)值模擬軟件由于其有效性、靈活性和相對(duì)廉價(jià)性的特點(diǎn)在地下水研究領(lǐng)域被廣泛采用[2]。其中包括水資源的配置和評(píng)價(jià)，地下水的溶質(zhì)遷移和熱量運(yùn)移等方面。本文通過(guò)介紹幾種國(guó)際上常用的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件和數(shù)值模擬的模型求解方法，再結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)展為相關(guān)的地下水研究提供參考。

1 地下水?dāng)?shù)值模擬軟件

隨著社會(huì)的進(jìn)步，特別是在人機(jī)交互、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和可視化領(lǐng)域的技術(shù)不斷地創(chuàng)新和發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的可視化功能越來(lái)越強(qiáng)大，帶有可視化功能的模擬軟件逐漸占據(jù)主流地位。目前，在國(guó)際上具有影響力的軟件有：Visual MODEFLOW、GMS、FEFLOW、Visual Groundwater、MT3DMS、RT3D、HST3D等。

地下水?dāng)?shù)值模擬軟件各有優(yōu)點(diǎn)。其中GMS功能最為全面、應(yīng)用最為廣泛基本涵蓋了眾多的地下水?dāng)?shù)值模型，在地下水?dāng)?shù)值模擬的各個(gè)階段：模型概化、模型建立、模型的校正、模型的后處理和可視化等問(wèn)題都能有效的解決，但是在地下水的混合井流的問(wèn)題上還無(wú)有效的解決辦法。Visual MODEFLOW則可以進(jìn)行三維水流模擬和溶質(zhì)運(yùn)移模擬。FEFLOW主要用于二維、三維飽和或不飽和水流和溶質(zhì)的運(yùn)移模擬。MT3DMS用于三維地下水的溶質(zhì)運(yùn)移。

2 模型求解方法

2.1 有限單元法

有限單元法求解思想是將計(jì)算區(qū)域劃分為有限個(gè)互相不重疊的單元，在每一個(gè)單元中選擇適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫(xiě)成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選的插值函數(shù)組成的線(xiàn)性表達(dá)式，借助變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。由于有限單元法對(duì)地下水水流、溶質(zhì)的數(shù)值模擬的計(jì)算過(guò)程基本一致，所以在處理不同問(wèn)題之間的“嫁接”較為方便。但是其對(duì)于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存和硬件要求較高，并且運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于處理一些大區(qū)域數(shù)值模擬問(wèn)題會(huì)拖慢進(jìn)程。典型的代表軟件有GMS、FEFLOW等。

2.2 有限差分法

有限差分法的基本思想是將求解域劃分成為差分網(wǎng)格，然后用有限個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)替代連續(xù)的求解域。采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，再把控制方程里的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。有限差分法在一維以及二維流等問(wèn)題的解決中計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，清晰;在地下水水流數(shù)值模擬過(guò)程中，精度較高。但是在處理不規(guī)則含水層邊界、各向異性和非均質(zhì)巖層時(shí)較為困難，同時(shí)對(duì)于溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題精度較差。Visual MODEFLOW、 MT3DMS等軟件主要運(yùn)用這種算法。

3 地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 地下水水流數(shù)值模擬

研究地下水流動(dòng)能更好地去了解研究區(qū)的水文地質(zhì)情況，采用先進(jìn)的地下水模擬系統(tǒng)，建立區(qū)域三維地下水流模型，對(duì)于評(píng)價(jià)區(qū)域水資源、研究地下水時(shí)空分布和水風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義。

邵景力等[3]運(yùn)用FEFLOW地下水模型在黃河下游（河南段）建立黃河影響帶三維地下水流模擬模型，評(píng)價(jià)地下水資源和研究地下水水資源開(kāi)發(fā)規(guī)劃并探究黃河防滲墻工程對(duì)地下水系統(tǒng)的影響。楊青春等[4]在吉林省西部地區(qū)將實(shí)際水文地質(zhì)條件加以概化，采用Visual MODEFLOW軟件建立地下水水流模擬模型對(duì)地下水資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)了地下水可開(kāi)采資源量。

3.2 地下水水位模擬

地下水水位預(yù)測(cè)對(duì)合理開(kāi)發(fā)地下水資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的作用，建立數(shù)值模型為水資源合理開(kāi)發(fā)提供定量的依據(jù)，尤其是在礦區(qū)開(kāi)采時(shí)，預(yù)測(cè)地下水位動(dòng)態(tài)變化，論證其是否在環(huán)境承受范圍內(nèi)，顯得極為重要。

裴晶晶等[5]運(yùn)用MODFLOW軟件對(duì)新疆東部哈密盆地綠洲帶在現(xiàn)狀開(kāi)采條件下的地下水位變化情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)， 其結(jié)果表明在當(dāng)前開(kāi)采條件下，研究區(qū)地下水位會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降。于翠翠[6]根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)資料，采用GMS在山東濟(jì)南明水泉域建立了三維地下水流模型，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用時(shí)間序列分析法對(duì)泉水水位進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，模型結(jié)果表明泉水水位變化主要與降水有關(guān)。魏光輝等[7]在有長(zhǎng)時(shí)間序列地下水觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的新疆希尼爾水庫(kù)周邊區(qū)域，建立自記憶模型對(duì)該區(qū)域進(jìn)行地下水水位變化模擬，發(fā)現(xiàn)該模型精度較高可用于區(qū)域地下水水位預(yù)測(cè)。吳亞安[8]應(yīng)用Visual Modflow軟件建立呼吉爾特礦區(qū)三維地下水流模型量化煤炭開(kāi)采對(duì)地下水水位的影響，判斷煤炭開(kāi)采對(duì)地下水的影響是否在合理范圍，結(jié)果表明，在當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件下地下水水位降低速率處于合理范圍。

3.3 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬

地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬對(duì)探尋污染物在地下水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析污染物濃度分布，判讀污染范圍具有重要意義，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬為地下水污染修復(fù)和治理提供定量的數(shù)據(jù)，從而對(duì)保護(hù)地下水資源起到積極的作用。

李華等[9]運(yùn)用GMS軟件模擬了云南德厚水庫(kù)下游廢棄砒霜廠(chǎng)地下水溶質(zhì)運(yùn)移，論證了污染源的分布和污染羽的擴(kuò)展范圍，但是未考慮化學(xué)反應(yīng)、吸附作用、淋溶作用對(duì)污染物的影響。朱瑞田等[10]采用FEFLOW軟件，對(duì)奎河周邊淺層地下水進(jìn)行了溶質(zhì)運(yùn)移模擬，選取硝酸鹽為模擬因子，并以實(shí)際觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行識(shí)別和校驗(yàn)，模擬效果較好。王英剛等[11]運(yùn)用GMS軟件對(duì)銅礦尾庫(kù)地下水溶質(zhì)運(yùn)移進(jìn)行模擬，分析了污染物的濃度分布和遷移距離。孟勤憲等[12]應(yīng)用GMS軟件模擬了頁(yè)巖氣鉆采過(guò)程中溶質(zhì)在地下水中運(yùn)移狀況，主要模擬COD、氯化物和石油類(lèi)在地下水中遷移過(guò)程，為頁(yè)巖氣鉆采對(duì)地下水的污染分析提供重要的數(shù)據(jù)。但沒(méi)有考慮不同污染物之間的相互作用，使得模型結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

4 結(jié)論與展望

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)于水資源的需求日益增加，地下水的開(kāi)采量逐漸變大，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地區(qū)地下水環(huán)境影響將不斷加深，與地下水相關(guān)問(wèn)題的難度和廣度也隨之增大，地下水?dāng)?shù)值模型也將在未來(lái)應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[13]。地下水?dāng)?shù)值模擬是對(duì)地下水系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)的復(fù)制和再現(xiàn)，是高精度的數(shù)學(xué)概化[14]。但是由于地下水運(yùn)動(dòng)的通道多孔介質(zhì)系統(tǒng)的隱蔽性和復(fù)雜性以及溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程中的生物—化學(xué)作用導(dǎo)致模型的精度較低，因此從當(dāng)前動(dòng)向來(lái)看，地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)將有以下發(fā)展趨勢(shì)。

1）信息技術(shù)的無(wú)縫連接。地下水模擬軟件與3S技術(shù)的高度結(jié)合增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和可視化程度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)共享已成為必然的趨勢(shì)。

2）多學(xué)科相互交叉耦合。伴隨著其他學(xué)科的發(fā)展，使人們逐漸意識(shí)到溶質(zhì)之間的相互作用和生物降解會(huì)對(duì)污染物濃度分布和遷移規(guī)律產(chǎn)生影響，因此考慮物化和生化反應(yīng)，將會(huì)是地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬的一個(gè)重要趨勢(shì)。

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