地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1、.地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 郝治福，康紹忠(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)農(nóng)業(yè)水問題研究中心)目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法主要有有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世紀(jì)60年代中期以來，隨著快速大容量電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算方法在地下水資源分析評(píng)價(jià)中得到逐步推廣，具有明顯的通用性和廣泛的適用性。尤其近十幾年，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。一、國(guó)外地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀目前，國(guó)外該領(lǐng)域的研究主要針對(duì)數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統(tǒng)中大量的不確定性和模糊

2、因素。1、該領(lǐng)域科學(xué)家在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的工作程序、步驟方面達(dá)成了一致，強(qiáng)調(diào)對(duì)水文地質(zhì)條件合理概化的重要性，并深入探討尺度轉(zhuǎn)換問題和量化不確定因素問題。根據(jù)Anderson等提出的工作程序，要建立一個(gè)正確且有意義的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，應(yīng)進(jìn)行以下工作：確定模型目標(biāo)，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，模型設(shè)計(jì)及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗(yàn)證和預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)靈敏度分析，模型設(shè)計(jì)與模型結(jié)果的給出，模型后續(xù)檢查以及模型的再設(shè)計(jì)。Ewing提出地下水污染流模擬和建模需要強(qiáng)調(diào)3個(gè)方面的問題：有效地模擬復(fù)雜的流體之間以及流體與巖石之間的相互作用； 必須發(fā)展準(zhǔn)確的離散技術(shù)，保留模型重要的物理特性；

3、發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)體系的潛力，提供有效的數(shù)值求解算法。針對(duì)Newman等的推測(cè)，Wood提出了二維地下水運(yùn)動(dòng)有限元計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)條件。Kim等對(duì)抽取地下水造成的noordbergum effect (reverse water level fluctuation)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，闡述了其機(jī)理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其運(yùn)移行為。Ghassemi指出三維模型可以詳細(xì)說明含水層系統(tǒng)的三維邊界條件以及抽水應(yīng)力情況，而二維模型就不能恰當(dāng)處理。Porter等指出DFM (data fusion modeling)可以量化各種各樣的水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的數(shù)據(jù)及模型的不確定性

4、，可以用于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)整合和模型校準(zhǔn)。Mazzia等提出特別的數(shù)值方法用于求解重鹽地下水運(yùn)移模擬的二維非線性動(dòng)力學(xué)控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出數(shù)值模型還不能解決預(yù)報(bào)的不確定性因素問題，并開創(chuàng)性地提出一種隨機(jī)地下水模型，可以解決均值分布和小尺度過程的不同尺度問題。Mehl等提出二維局部網(wǎng)格細(xì)分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和錯(cuò)誤分析的方法。模擬結(jié)果的可靠性得到了提高。2、國(guó)外開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，以其模塊化、可視化、交互性、求解方法多樣化等特點(diǎn)得到廣泛的使用，尤其MODFLOW，據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)，MODFLOW幾乎占地下水系統(tǒng)數(shù)

5、值模擬軟件總應(yīng)用次數(shù)的一半，這些年其功能更是不斷完善。地理信息系統(tǒng)(GIS)與地下水模型的整合強(qiáng)化了數(shù)據(jù)的輸入、傳遞、方案調(diào)整和空間分析等。遙感(RS)提供了判斷地質(zhì)邊界、地貌單元和估算地表蒸發(fā)等的工具。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更擴(kuò)展了其發(fā)展空間，可以解決更多的實(shí)際問題。Juan等運(yùn)用ARC/INFO和MODFLOW模擬了美國(guó)Jackson Hole地區(qū)的沖積含水層，并通過補(bǔ)給、排泄和水均衡的評(píng)估對(duì)模型進(jìn)行了合理的校準(zhǔn)。Winston專門介紹了許多MODFLOW相關(guān)的免費(fèi)和共享的網(wǎng)絡(luò)資源，為人們學(xué)習(xí)和應(yīng)用該軟件提供了方便。Olsthoorn指出基于有限差分法的MODFLOW與

6、基于解析元法的MLAEM模型都各有優(yōu)勢(shì)，MODFLOW的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)與GIS的整合。Harrington等運(yùn)用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模擬區(qū)域地下水系統(tǒng)的水化學(xué)和同位素變化情況，并強(qiáng)調(diào)了做細(xì)致準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)流分析對(duì)于瞬時(shí)流分析的重要性。Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存儲(chǔ)鉆孔資料，設(shè)計(jì)GIS管理空間數(shù)據(jù)資料，有很好的推廣價(jià)值。Ataie-Ashtiani 等運(yùn)用基于有限元的二維數(shù)值模型SUTRA模擬含水層邊界條件周期性變化的地下水流，對(duì)基本方程和模型進(jìn)行相應(yīng)的修改，

7、得到了很好的模擬結(jié)果。Wingle介紹了UNCERT模型，該模型可用于地下水流和污染物運(yùn)移模擬，得到相關(guān)行業(yè)研究人員的一致認(rèn)可并廣泛使用。Ramireddygari等通過對(duì)POTYLDR地表水模型與MODFLOW地下水模型的修改并增強(qiáng)，用于模擬WetWalnut Creek流域。Osman等使用改進(jìn)的MODFLOW代碼和MOBFLOW模型，模擬得出地下水滲流和含水層情況，與用SWMS-2D所做結(jié)果吻合很好。Samani等指出軸對(duì)稱井流是地下水力學(xué)非常重要的課題，新出版的MODFLOW 2000加入了精確模擬軸對(duì)稱井流的標(biāo)定方法，提高了模擬的仿真性。Dahan等提出多變量混和單元模型描述水化學(xué)過

8、程，MODFLOW模擬水文地質(zhì)情況，兩種方法的結(jié)合不但可以模擬水頭變化，而且可以模擬反映地球化學(xué)特征的地下水流線。Facchi等建立滲流地帶模擬與基于MODFLOW的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬耦合模型，用GIS來控制空間分布式參數(shù)以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評(píng)估作物水分消耗值在時(shí)間和空間上的分布情況。研究人員廣泛應(yīng)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件和3S技術(shù)，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，使功能不斷加強(qiáng)，并通過與其他模型耦合發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。二、國(guó)內(nèi)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀1、近幾年，隨著新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，我國(guó)該領(lǐng)域科學(xué)家也做了大量的工作，在建立地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型中發(fā)現(xiàn)問題，在理論和方法上不斷創(chuàng)

9、新，通過數(shù)值模型理論與相關(guān)研究方向的理論結(jié)合，不斷提高模擬結(jié)果的可靠性。陳家軍等指出在進(jìn)行區(qū)域地下水位估值時(shí)線性漂移的泛克立格法即可取得很好的效果。卞錦宇等較好地解決了相對(duì)隔水層缺失區(qū)越流系數(shù)無法調(diào)試的問題。王瑋提出了用人工查點(diǎn)法、半自動(dòng)查點(diǎn)法、數(shù)字化地形圖提取法等獲取數(shù)字高程模型(DEM)的方法，并給出了通過數(shù)字高程模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)地面標(biāo)高的方法。盧文喜對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中的邊界條件進(jìn)行了分析，提出在模型預(yù)報(bào)前要考慮自然因素、人類活動(dòng)因素及鄰區(qū)水流條件因素產(chǎn)生的耦合效應(yīng)問題，先對(duì)邊界條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。武強(qiáng)等通過對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究分析，抽象出空間類層次結(jié)構(gòu)，并提出了基于屬性關(guān)系的宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

10、和基于同構(gòu)或異構(gòu)幾何模型關(guān)系的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用三維空間拾取技術(shù)提供了友好的人機(jī)交互環(huán)境。張明江等采用“滲流管流耦合模型”、“入滲滯后補(bǔ)給法”和“參數(shù)迭代法”提高了模型的仿真性及對(duì)地下水資源評(píng)價(jià)的精度。張祥偉等根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、逆問題理論和地下水運(yùn)動(dòng)理論提出了大區(qū)域地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的理論和方法。廖華勝等指出平穩(wěn)隨機(jī)的假定不能真實(shí)反映空間小尺度變異性與大尺度非平穩(wěn)性間的相互作用。薛禹群等介紹了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并將其應(yīng)用于非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的流動(dòng)問題，通過計(jì)算結(jié)果的比較得出多尺度有限元法比傳統(tǒng)有限元法有效的結(jié)論。魏連偉等基于模擬退火算法(SA)這一全局優(yōu)化技術(shù)，耦合地下水系統(tǒng)數(shù)

11、值模擬的有限元模型，給出水文地質(zhì)參數(shù)的反演方法。綜上所述，針對(duì)數(shù)值模擬過程中需要處理的地面標(biāo)高、初始水位、邊界條件、源匯項(xiàng)和水文地質(zhì)參數(shù)等問題，可采取數(shù)字高程模型(DEM)及各種耦合模型，結(jié)合地球動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、逆問題理論和三維空間拾取技術(shù)等來提高模擬效果。2、國(guó)內(nèi)在運(yùn)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以及地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，并結(jié)合相鄰學(xué)科的模型方面，也做了積極的探索。陳鎖忠等以GIS為主控模塊，選擇GMS和地面沉降模擬模型系統(tǒng)(compac)進(jìn)行集成分析和設(shè)計(jì)。陳勁松等分析了MODFLOW中不同求解方法對(duì)精度的影響，選用PCG2法或SIP法求解結(jié)果滿足精度要求，而選用SSOR法獲得結(jié)果無法滿足精

12、度要求。高佩玲等采用系統(tǒng)分解合成方法，利用Develop Studio軟件編制計(jì)算程序，得到了區(qū)域地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)分布與水文地質(zhì)勘察所得含水層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及富水區(qū)分布基本相符。楊旭等提出了基于GIS 的“點(diǎn)”、“線”、“面”的模型擬合技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了基于GIS的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的可視化擬合。陳鎖忠等研究基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，提出了基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層不規(guī)則六面體元的三維空間離散方法，具有較高的實(shí)用價(jià)值。陳喜等揭示了獨(dú)特沙丘地形和土壤特性對(duì)地下水補(bǔ)排量的影響，利用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型MODFLOW和非飽和帶水平衡模型對(duì)處于半干旱半濕潤(rùn)沙丘地區(qū)

13、 (SandHills)的地下水位進(jìn)行了模擬，效果很好。羅毅通過對(duì)國(guó)際上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水動(dòng)力學(xué)模型的融合、集成和功能擴(kuò)展，研制出地表水、地下水耦合模型，改進(jìn)了地下水接受土壤水補(bǔ)給的計(jì)算和淺層地下水蒸發(fā)的計(jì)算。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以其組件化、智能化、可視化和多樣化受到普遍歡迎，GIS與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的整合具有整體化、自動(dòng)化、可視化和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更使其有了廣泛的發(fā)展空間，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)具體問題的處理方法具有很好的參考應(yīng)用價(jià)值，大量的研究強(qiáng)化了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)。三、地下水系統(tǒng)數(shù)值模

14、擬中存在的問題隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外關(guān)于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但由于實(shí)際水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，模擬技術(shù)的不合理運(yùn)用，多學(xué)科交叉存在的難度等，發(fā)展中還存在一些問題：1、各學(xué)科之間難以溝通，側(cè)重的時(shí)間或空間尺度存在較大差異，地下水、地表狀況、土壤、植被、氣候變量和土地利用等都存在時(shí)空變異性，模型的耦合集成存在較大的難度。該領(lǐng)域研究工作的深入越來越依賴于綜合集成和跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮互補(bǔ)作用，可以解決各學(xué)科不同模型存在的一些缺陷，同時(shí)，該領(lǐng)域與其他學(xué)科合作建立的耦合模型有更好的實(shí)用價(jià)值，可以綜合解決流域管理中存在的復(fù)雜問題，如地下水與地表水模型的耦合，

15、陸面過程模擬、分布式水文模型模擬、基于遙感的生態(tài)模型與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的耦合等。只有模型之間有了充分的交互，對(duì)模型的評(píng)價(jià)才更合理。同時(shí)需要指出，面對(duì)模型耦合的大問題，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的其他方法也發(fā)揮著不可替代的作用。2、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的水文地質(zhì)參數(shù)可以通過參數(shù)優(yōu)化來調(diào)整，但參數(shù)調(diào)整的范圍缺少準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。模型通過參數(shù)調(diào)整與實(shí)測(cè)值擬合較好，但應(yīng)用到其他區(qū)域或年份時(shí)又會(huì)出現(xiàn)較大誤差，說明對(duì)基本物理過程的描述還不夠準(zhǔn)確。模型反演求參時(shí)，解的不唯一問題一直是水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的環(huán)節(jié)。模型中參數(shù)的不確定性將導(dǎo)致計(jì)算的水頭、流速的不確定性，從而影響到模擬結(jié)果的可靠性。如何加強(qiáng)參數(shù)的

16、研究，提高地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的精度仍是亟待解決的問題。研究工作者僅僅通過模型參數(shù)調(diào)整提高參數(shù)精度是徒勞的，應(yīng)加強(qiáng)模型參數(shù)的野外原位測(cè)定方法的改進(jìn)、空間變異分析和新數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，一個(gè)地區(qū)、一個(gè)流域或一個(gè)水文地質(zhì)單元，應(yīng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)應(yīng)有一定的代表性，應(yīng)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)集的制備，這樣可以輕松地進(jìn)行檢查、評(píng)價(jià)和修改。3、隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量水文地質(zhì)學(xué)及地下水動(dòng)力學(xué)問題的模擬，其計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們獲取數(shù)值模型所需野外資料的能力，勘探技術(shù)水平需要提高。在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中，對(duì)水文地質(zhì)條件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料，包

17、括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層參數(shù)、各類均衡項(xiàng)隨時(shí)空變化的數(shù)據(jù)和資料，而這些資料的獲取是建立數(shù)值模型最困難的工作，需要耗費(fèi)大量人力、財(cái)力和物力，同時(shí)國(guó)內(nèi)缺乏三維水頭和溶質(zhì)濃度等資料，因此三維數(shù)值模擬的工作受到限制。長(zhǎng)期持續(xù)的三維觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取及具有更高實(shí)際價(jià)值的三維模型的建立是值得重視的工作。另外，在應(yīng)用外國(guó)先進(jìn)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件的同時(shí)，要加快研發(fā)有我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的通用軟件。4、根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在解決地下水不合理利用造成的問題，尤其是日益嚴(yán)重的西部環(huán)境和生態(tài)問題方面，急需該領(lǐng)域科學(xué)家深入研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動(dòng)力學(xué)特征，提供決策依據(jù)。重點(diǎn)研究荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是

18、淺層地下水變化的地表生態(tài)效應(yīng)及深層地下水賦存規(guī)律，為荒漠、巖溶地區(qū)淺層地下水合理利用提供新的途徑。西部不同水文地質(zhì)單元(尤其是干旱區(qū)和巖溶山區(qū))地下水流系統(tǒng)具有什么樣的特征? 地下深層水循環(huán)與淺層水循環(huán)之間的關(guān)系是什么? 淺層地下水開發(fā)對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何運(yùn)用地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型分析邊界條件的變化、水化學(xué)作用和地球化學(xué)環(huán)境的演變情況? 如何從數(shù)值法的角度評(píng)價(jià)并預(yù)測(cè)地下水的水質(zhì)? 量化氣候、土地利用和人類活動(dòng)對(duì)地下水有何影響? 如何實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用? 對(duì)這些問題的回答具有重要的理論和實(shí)際意義。同時(shí)，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬是依據(jù)對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬模型的數(shù)值離散解法，并不能代表整

19、個(gè)地下水系統(tǒng)研究，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法本身也存在問題，如裂隙介質(zhì)巖溶介質(zhì)中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，地下水水質(zhì)模擬的可靠性問題有待深入分析，所以地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結(jié)合應(yīng)用具有更大的價(jià)值。四、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究展望隨著地下水資源需求的增加，與地下水有關(guān)問題的范圍和復(fù)雜性也隨之增大。農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)和城市的人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水水位、水質(zhì)的影響日益突出。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬可以量化地下水的動(dòng)態(tài)變化與人類活動(dòng)的關(guān)系，可以比較不同開采方案并預(yù)報(bào)開采對(duì)環(huán)境帶來的影響，以便人們了解采取什么行動(dòng)來保證含水層的可持續(xù)利用，維持合適的生態(tài)水位。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型在國(guó)家制定區(qū)域水政策和方針中將發(fā)揮越來越重要的作用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和GIS技術(shù)的進(jìn)步，帶來了科學(xué)決策和管理信息的新方法，有利于水文水資源工作者了解地下水在時(shí)間和空間上的變化情況，并提供良好的數(shù)據(jù)維護(hù)、更新和分析功能，有了完備的數(shù)據(jù)做支持，一方面可以提高模擬的仿真性，另一方面又可大大減輕處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工作負(fù)擔(dān)。深