王琳　李屹田　張慶曉

摘 要： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使水文地質(zhì)學(xué)由定性描述進(jìn)入定化分析取得了重大突破。因此地下水?dāng)?shù)值模擬也伴隨著人類(lèi)對(duì)地下水定量評(píng)價(jià)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)`。地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)以其靈活性和成本低廉已經(jīng)成為對(duì)水資源進(jìn)行定量評(píng)價(jià)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(chǔ)上對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 地下水?dāng)?shù)值模擬;發(fā)展方向

【中圖分類(lèi)號(hào)】TV1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）20-0220-01

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多國(guó)家逐步認(rèn)識(shí)到地下水資源的合理利用及保護(hù)的重要性，地下水資源的定量評(píng)價(jià)已經(jīng)成為各國(guó)水資源管理中的重要問(wèn)題。為更合理的為水資源管理提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)地下水的分布規(guī)律，地下水的補(bǔ)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(kāi)研究，對(duì)地下水系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)成為越來(lái)越受關(guān)注的問(wèn)題。

1 地下水?dāng)?shù)值模擬工作方法及特點(diǎn)

地下水?dāng)?shù)值模擬就是在計(jì)算機(jī)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(duì)地下水資源量和地下水系統(tǒng)變化進(jìn)行的定量分析，最終求解出的是其數(shù)學(xué)模型的近似解。地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)大量的被用于地下水資源評(píng)價(jià)、預(yù)報(bào)和管理之中。

數(shù)值模擬方法能夠反映連續(xù)的地下水動(dòng)態(tài)，結(jié)果真實(shí)性較高，在定量地評(píng)價(jià)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(qiáng)有力的主流工具。根據(jù)Anderson等提出的地下水?dāng)?shù)值模擬工作程序的三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)地下水?dāng)?shù)值模擬工作的三個(gè)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(shè)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(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行求解和校正，通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的離散求解計(jì)算個(gè)點(diǎn)水位，依照實(shí)際情況不斷調(diào)整獲得最準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果;③最終模型的實(shí)際應(yīng)用，如地下水資源量評(píng)價(jià)，未來(lái)情況的預(yù)測(cè)等。

利用數(shù)值模型對(duì)地下水水流和溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題進(jìn)行模擬以其靈活有效、成本低廉和可預(yù)測(cè)性已經(jīng)成為研究地下水各種問(wèn)題的重要方法和實(shí)用技術(shù)，在地下水資源評(píng)價(jià)和相關(guān)領(lǐng)域的得到了普遍的應(yīng)用。地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)可以科學(xué)和較準(zhǔn)確的對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行仿真，并通過(guò)對(duì)網(wǎng)格的剖分、參數(shù)的調(diào)整等接近真實(shí)的地下水源匯項(xiàng)情況，對(duì)水文地質(zhì)條件有了更深入、更科學(xué)的認(rèn)識(shí)。同時(shí)運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)能夠預(yù)測(cè)地下水的分布狀態(tài)和其變化趨勢(shì)，通過(guò)不同情境和條件的設(shè)置，可以人為調(diào)整和改變降雨入滲量、開(kāi)采量等，從而對(duì)不同條件下的地下水可開(kāi)采量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為地下水資源的管理和保護(hù)奠定基礎(chǔ)。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬常用軟件

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展以及對(duì)地下水模型的需求不斷增強(qiáng)，地下水?dāng)?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(guò)程中開(kāi)發(fā)了許多功能完善、擴(kuò)展性強(qiáng)的模擬程序。其中大多數(shù)來(lái)源于國(guó)外，包括MODEFLOW、FEFlow、SUTRA、HST3D、TOUGH等。與此同時(shí)，一些研究組織和商業(yè)機(jī)構(gòu)針對(duì)數(shù)值模擬也開(kāi)發(fā)了許多數(shù)值模擬相關(guān)的可視化平臺(tái)，包括最常用的Visual Groundwater、GMS、FEFLOW、FEWATER、Processing MODFLOW等數(shù)值模擬軟件。

在實(shí)際工作中選用合理的地下水模擬軟件搭建區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模型，通過(guò)模擬技術(shù)評(píng)價(jià)區(qū)域地下水資源情況，從而對(duì)地下水對(duì)各變異條件的響應(yīng)和變化趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)。

MODEFLOW是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在20世紀(jì)80年代所開(kāi)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(jìn)行語(yǔ)言編程，使用者可以自行下載源程序并對(duì)程序進(jìn)行自主改編。很多地下水流模擬軟件中的水流模型都應(yīng)用了MODEFLOW進(jìn)行開(kāi)發(fā)。FEFlow是基于有限元的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，它在1979年由德國(guó)的Ways規(guī)劃系統(tǒng)研究所開(kāi)發(fā)，被廣泛的應(yīng)用于水流及容重運(yùn)移的模擬中，同時(shí)FEFlow還可以用來(lái)應(yīng)用于解決在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的模擬問(wèn)題，如各向異性條件下地下水水流、溶質(zhì)和熱運(yùn)移模擬。同時(shí)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(guó)Brigham Young University 環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室所開(kāi)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(gè)模型和程序包，如MODEFLOW、MODPATH、MT3D等，能夠很好地對(duì)孔隙介質(zhì)進(jìn)行三維的地下水水流、溶質(zhì)運(yùn)移及反應(yīng)運(yùn)移模擬。HST3D、TOUGH等可以很好地進(jìn)行含水層的熱運(yùn)移模擬，F(xiàn)EFLOW、TOUGH、FEWATER等還可以用于進(jìn)行非飽和-飽和水流的相關(guān)模擬。

3 地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展方向

通過(guò)地下水?dāng)?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(guó)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(rèn)識(shí)、評(píng)價(jià)以及合理的管理開(kāi)發(fā)提供了重大幫助。在未來(lái)通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jìn)行優(yōu)化和提升。首先需要對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論展開(kāi)更深入的理論研究。由于相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究周期長(zhǎng)，投入較高，以往相關(guān)工作開(kāi)展較少，但只有增強(qiáng)對(duì)理論研究的實(shí)驗(yàn)論證工作，才能為數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用奠定最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。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(jiǎn)單的問(wèn)題時(shí)，需要每次重新建立模型，造成工作量的增加。因此，今后通過(guò)對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬理論研究的深入，增加實(shí)驗(yàn)論證工作，不斷提升模型的精度，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)數(shù)值模擬隨機(jī)性認(rèn)識(shí)。同時(shí)隨著對(duì)地下水管理模型的需要，如何將地下水?dāng)?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(lèi)模型與地下水管理模型更加科學(xué)、合理的耦合，從而更好的解決于地下水管理中的問(wèn)題，滿(mǎn)足地下水資源管理的需求。

4 結(jié)論

總體上地下水?dāng)?shù)值模擬為研究地下水時(shí)空變化，水量均衡，管理規(guī)劃提供了很好的解決方法。未來(lái)，區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展將越來(lái)越緊密的聯(lián)系，對(duì)地下水復(fù)雜規(guī)律和機(jī)制的研究和地下水與其他學(xué)科的交叉討論將通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)更好的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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