地下水數(shù)值模擬技術(shù)的探討

王琳　李屹田　張慶曉

摘 要： 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使水文地質(zhì)學由定性描述進入定化分析取得了重大突破。因此地下水數(shù)值模擬也伴隨著人類對地下水定量評價的發(fā)展而發(fā)展起來`。地下水數(shù)值模擬技術(shù)以其靈活性和成本低廉已經(jīng)成為對水資源進行定量評價管理中最有效的工具。本文在分析地下水模擬技術(shù)的基礎上對數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞： 地下水數(shù)值模擬;發(fā)展方向

【中圖分類號】TV1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-3733（2020）20-0220-01

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多國家逐步認識到地下水資源的合理利用及保護的重要性，地下水資源的定量評價已經(jīng)成為各國水資源管理中的重要問題。為更合理的為水資源管理提供科學依據(jù)，對地下水的分布規(guī)律，地下水的補給、徑流和排泄條件，區(qū)域地下水的分布狀況，地下水水位的變化規(guī)律展開研究，對地下水系統(tǒng)進行預報預測成為越來越受關(guān)注的問題。

1 地下水數(shù)值模擬工作方法及特點

地下水數(shù)值模擬就是在計算機上采用離散化的方法建立地下水流連續(xù)方程及求其定解條件對地下水資源量和地下水系統(tǒng)變化進行的定量分析，最終求解出的是其數(shù)學模型的近似解。地下水數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)大量的被用于地下水資源評價、預報和管理之中。

數(shù)值模擬方法能夠反映連續(xù)的地下水動態(tài)，結(jié)果真實性較高，在定量地評價地下水系統(tǒng)工作中逐漸成為了定量模擬水文特征和水資源管理的強有力的主流工具。根據(jù)Anderson等提出的地下水數(shù)值模擬工作程序的三個階段，實現(xiàn)地下水數(shù)值模擬工作的三個階段為：①水文地質(zhì)條件的概化，即給定地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、設置邊界流量等數(shù)值、給定模擬參數(shù)等;②根據(jù)歷史觀測資料對模型進行求解和校正，通過對數(shù)學模型的離散求解計算個點水位，依照實際情況不斷調(diào)整獲得最準確的計算結(jié)果;③最終模型的實際應用，如地下水資源量評價，未來情況的預測等。

利用數(shù)值模型對地下水水流和溶質(zhì)運移問題進行模擬以其靈活有效、成本低廉和可預測性已經(jīng)成為研究地下水各種問題的重要方法和實用技術(shù)，在地下水資源評價和相關(guān)領域的得到了普遍的應用。地下水數(shù)值模擬技術(shù)可以科學和較準確的對水文地質(zhì)條件進行仿真，并通過對網(wǎng)格的剖分、參數(shù)的調(diào)整等接近真實的地下水源匯項情況，對水文地質(zhì)條件有了更深入、更科學的認識。同時運用地下水數(shù)值模擬技術(shù)能夠預測地下水的分布狀態(tài)和其變化趨勢，通過不同情境和條件的設置，可以人為調(diào)整和改變降雨入滲量、開采量等，從而對不同條件下的地下水可開采量進行預測，為地下水資源的管理和保護奠定基礎。

2 地下水數(shù)值模擬常用軟件

隨著計算機科學的不斷發(fā)展以及對地下水模型的需求不斷增強，地下水數(shù)值模擬技術(shù)和相關(guān)模型也在不斷發(fā)展和完善，在此過程中開發(fā)了許多功能完善、擴展性強的模擬程序。其中大多數(shù)來源于國外，包括MODEFLOW、FEFlow、SUTRA、HST3D、TOUGH等。與此同時，一些研究組織和商業(yè)機構(gòu)針對數(shù)值模擬也開發(fā)了許多數(shù)值模擬相關(guān)的可視化平臺，包括最常用的Visual Groundwater、GMS、FEFLOW、FEWATER、Processing MODFLOW等數(shù)值模擬軟件。

在實際工作中選用合理的地下水模擬軟件搭建區(qū)域地下水數(shù)值模型，通過模擬技術(shù)評價區(qū)域地下水資源情況，從而對地下水對各變異條件的響應和變化趨勢做出預測。

MODEFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局在20世紀80年代所開發(fā)的出的程序，它是基于地下水有限差分方法的地下水水水流模擬程序。MODEFLOW是采用FORTRAN進行語言編程，使用者可以自行下載源程序并對程序進行自主改編。很多地下水流模擬軟件中的水流模型都應用了MODEFLOW進行開發(fā)。FEFlow是基于有限元的地下水數(shù)值模擬模型，它在1979年由德國的Ways規(guī)劃系統(tǒng)研究所開發(fā)，被廣泛的應用于水流及容重運移的模擬中，同時FEFlow還可以用來應用于解決在復雜水文地質(zhì)條件下的模擬問題，如各向異性條件下地下水水流、溶質(zhì)和熱運移模擬。同時FEFlow與GIS具有良好的接口，使操作更靈活和便捷。GMS軟件是由美國Brigham Young University 環(huán)境模型研究實驗室所開發(fā)的，是主要基于地下水概念模型的地下水模擬軟件綜合性、多功能軟件。GMS軟件整合了多個模型和程序包，如MODEFLOW、MODPATH、MT3D等，能夠很好地對孔隙介質(zhì)進行三維的地下水水流、溶質(zhì)運移及反應運移模擬。HST3D、TOUGH等可以很好地進行含水層的熱運移模擬，F(xiàn)EFLOW、TOUGH、FEWATER等還可以用于進行非飽和-飽和水流的相關(guān)模擬。

3 地下水數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展方向

通過地下水數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)值模型的不斷優(yōu)化，數(shù)值模擬已經(jīng)為國內(nèi)外地下水研究工作提供了可靠的研究方法，為區(qū)域地下水資源的正確認識、評價以及合理的管理開發(fā)提供了重大幫助。在未來通過計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在模擬精度，參數(shù)不確定性和模型耦合等方面將進行優(yōu)化和提升。首先需要對地下水數(shù)值模擬領域的基礎理論展開更深入的理論研究。由于相關(guān)實驗研究周期長，投入較高，以往相關(guān)工作開展較少，但只有增強對理論研究的實驗論證工作，才能為數(shù)值模擬技術(shù)的應用奠定最堅實的基礎。其次現(xiàn)在模型雖然很多，但缺少通用型的模型。在解決一些簡單的問題時，需要每次重新建立模型，造成工作量的增加。因此，今后通過對地下水數(shù)值模擬理論研究的深入，增加實驗論證工作，不斷提升模型的精度，同時加強對數(shù)值模擬隨機性認識。同時隨著對地下水管理模型的需要，如何將地下水數(shù)值技術(shù)與地下水管理需求更好的結(jié)合也是重要的發(fā)展方向。其中最關(guān)鍵的是各類模型與地下水管理模型更加科學、合理的耦合，從而更好的解決于地下水管理中的問題，滿足地下水資源管理的需求。

4 結(jié)論

總體上地下水數(shù)值模擬為研究地下水時空變化，水量均衡，管理規(guī)劃提供了很好的解決方法。未來，區(qū)域地下水數(shù)值模擬技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展將越來越緊密的聯(lián)系，對地下水復雜規(guī)律和機制的研究和地下水與其他學科的交叉討論將通過數(shù)值模擬技術(shù)更好的實現(xiàn)。

參考文獻

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