陸垂裕,吳 初,何 鑫,唐克旺
(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100038,北京)
我國(guó)地下淡水天然資源量占國(guó)內(nèi)水資源總量的1/3,受氣候變化和人類活動(dòng)影響,地下水開采量占可采量比例持續(xù)增長(zhǎng),相當(dāng)?shù)貐^(qū)地下水處于超采狀態(tài)。長(zhǎng)期超采地下水,嚴(yán)重威脅區(qū)域用水安全,引發(fā)系列生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。2021年12月1日《地下水管理?xiàng)l例》正式施行,水利部先后印發(fā)《關(guān)于復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的指導(dǎo)意見》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》,水利部辦公廳印發(fā)《“十四五”時(shí)期復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境實(shí)施方案》,對(duì)地下水管理與保護(hù)提出了更高的要求。
地下水模型可以求解許多水文地質(zhì)問(wèn)題,如地下水資源評(píng)價(jià)、地下水中污染物質(zhì)的運(yùn)移等。國(guó)外在加強(qiáng)地下水管理與保護(hù)方面多借助于模型技術(shù),如美國(guó)的MODFLOW和德國(guó)的FEFLOW等,在世界范圍內(nèi)廣泛使用。我國(guó)地下水模型研究起步較晚,發(fā)展至今也提出了系列模型,但都沒(méi)有公開。
在水利高質(zhì)量發(fā)展的新階段,亟須推出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地下水通用模型,解決“卡脖子”技術(shù)問(wèn)題,同時(shí)開展全國(guó)地下水模型應(yīng)用推廣,為加強(qiáng)地下水管理和保護(hù)提供技術(shù)支撐。
地下水模型是以水文地質(zhì)概念模型為基礎(chǔ)所建立的,能刻畫和再現(xiàn)實(shí)際地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特征和各種滲透要素的一組數(shù)學(xué)表達(dá)式。模型求解的發(fā)展歷程主要為1935—1950年的解析解法、1950—1965年的電網(wǎng)絡(luò)模擬和現(xiàn)階段的數(shù)值模擬,本文就地下水模型的數(shù)值模擬及全國(guó)尺度地下水模型展開討論。
(1)地下水模型發(fā)展歷程
從20世紀(jì)70年代開始,國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開展了廣泛的地下水模型研發(fā),在90年代有一個(gè)集中的爆發(fā)期,現(xiàn)今流行的模型如MODFLOW、FEFLOW、MIKE SHE和HydroGeoSphere等紛紛面世。
地下水模型在模型流派上主要分為“狹義”和“廣義”兩種:狹義的地下水模型指僅以地下水系統(tǒng)為研究對(duì)象的數(shù)值模擬模型,其基本原理是建立地下水三維流體方程,在網(wǎng)格上通過(guò)數(shù)值法求解,外界與地下水系統(tǒng)間的水分通量需顯示給定,代表性模型軟件有MODFLOW和FEFLOW等;廣義多指從流域水循環(huán)轉(zhuǎn)化整體過(guò)程角度出發(fā)的耦合模型,地下水模擬作為模型的一個(gè)組成部分(或模塊),計(jì)算有粗有細(xì),其基本原理是采用概念性的線性水庫(kù)(不考慮側(cè)向流動(dòng))或三維地下水?dāng)?shù)值模擬,外界與地下水系統(tǒng)間水量通量由模型通過(guò)不同系統(tǒng)間的耦合模擬自動(dòng)確定,代表性模型軟件有SWAT和MIKESHE等。
從近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)看,狹義地下水模型增加了地表水、地面過(guò)程等模塊,廣義耦合地下水模型在地下水方面更加精細(xì)化,兩者間的界限更加模糊。國(guó)外地下水模型發(fā)展的另一個(gè)特點(diǎn)是用戶圖形界面逐漸普及,使地下水模型的操作門檻降低,不同的圖形界面可能所用的地下水模型是一樣的,如GMS和Visual-Modflow。同時(shí),帶圖形界面的模型多為付費(fèi)商業(yè)化軟件。
(2)全國(guó)尺度的模型應(yīng)用
隨著地下水模型技術(shù)的發(fā)展,一些國(guó)家逐漸開展了全國(guó)尺度的模型應(yīng)用,并作為地下水管理的重要輔助工具。
①美國(guó)
目前美國(guó)沒(méi)有官方的全國(guó)尺度地下水模型。美國(guó)境內(nèi)一共有大大小小30余個(gè)地下水盆地,每一個(gè)主要的地下水盆地都有相對(duì)應(yīng)的模型,多采用MODFLOW。美國(guó)的“國(guó)家水資源普查”,類似我國(guó)的水資源評(píng)價(jià),將盆地尺度地下水模型的輸出結(jié)果匯總到一起,包括地下水儲(chǔ)量、補(bǔ)給量、排泄量。美國(guó)有全國(guó)統(tǒng)一的地表水模型“國(guó)家水文模型基礎(chǔ)設(shè)施”,其中包括了土壤水模塊,但一般認(rèn)為此模型不屬于地表—地下水耦合模型。
②荷蘭
荷蘭水文模型研發(fā)歷史悠久,擁有全國(guó)尺度的地表—地下水耦合模型“荷蘭水文工具(NHI)”,其由荷蘭知名的水務(wù)研究機(jī)構(gòu)Deltares研發(fā),已于2014年開始正式上線運(yùn)行,持續(xù)在官方網(wǎng)站向社會(huì)公布相關(guān)信息。從地表到地下,NHI一共集合了5組模型代碼,分別針對(duì)不同的水文過(guò)程,地下水模塊是基于MODFLOW。
③英國(guó)
英國(guó)擁有全國(guó)尺度的地下水模型“國(guó)家地下水模型系統(tǒng)(NGMS)”,是專門針對(duì)地下水而建立,由英國(guó)環(huán)保部委托荷蘭Deltares研發(fā)。目前為非公開的內(nèi)部運(yùn)行,當(dāng)前版本覆蓋了英格蘭和威爾士地區(qū)。NGMS采用了通用模型可視化界面Delft-FEWS,其內(nèi)核是基于MODFLOW,特點(diǎn)是易用性強(qiáng),用戶可以自行設(shè)定氣候、地下水開采等情景,系統(tǒng)反饋該情景所產(chǎn)生的影響。
④丹麥
丹麥擁有全國(guó)尺度的地下水模型“丹麥國(guó)家水資源模型(DKModel)”,自1996年開始,由丹麥與格陵蘭地調(diào)局(GEUS)負(fù)責(zé)開發(fā),也是全球范圍較早開始研發(fā)全國(guó)尺度地表—地下水耦合模型的國(guó)家。模型代碼是由丹麥水利研究所(DHI)開發(fā)的MIKESHE模型,對(duì)地表—地下水水文過(guò)程進(jìn)行了緊密耦合,地下水模擬算法類似MODFLOW。將全國(guó)分為7個(gè)子模型,分別建模后再進(jìn)行拼接,網(wǎng)格大小為500 m×500 m,模型數(shù)據(jù)對(duì)外開放。DK model可以生成主要地表水、地下水變量的全國(guó)分布圖,以及全國(guó)各個(gè)區(qū)域地下水水均衡。
總體而言,目前開展全國(guó)尺度地下水模型應(yīng)用的國(guó)家還較少,主要是歐洲國(guó)土面積偏小和地下水賦存形式較單一的國(guó)家。全國(guó)尺度地下水模型建模難度相對(duì)較小,模型主要以模擬自然過(guò)程為主。使用的模型多為MODFLOW,也有的使用MIKE SHE這樣的耦合模型。
(1)地下水模型技術(shù)研發(fā)
從20世紀(jì)七八十年代開始,我國(guó)知名地下水學(xué)者均在地下水?dāng)?shù)值計(jì)算方法上開展了大量研究工作。如林學(xué)鈺提出了承壓含水層中二維溶質(zhì)運(yùn)移和彌散的微機(jī)模擬;薛禹群研制了地下水污染模型,耦合海水入侵、大區(qū)域地面沉降模塊;武強(qiáng)提出了地表水、地下水和土壤水之間的水力耦合模型;陳崇希研制了基于多邊形網(wǎng)格的三維地下水流有限差分模擬系統(tǒng)等。但這些模型均未形成國(guó)內(nèi)流行的計(jì)算軟件,多數(shù)作為內(nèi)部使用,這可能與國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的普及程度、商業(yè)軟件開發(fā)能力等有關(guān)。
中國(guó)水利水電科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱“水科院”)從20世紀(jì)80年代開始開展地下水模型研究工作,經(jīng)過(guò)幾十年的研究積累,目前水科院已擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地下水模型COMUS。COMUS模型是基于C++語(yǔ)言面向?qū)ο竽K化開發(fā),輸入/輸出依靠數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的地下水模型,其數(shù)值算法是基于網(wǎng)格單元中心差分法。在河流—地下水相互作用模擬方面,COMUS能夠模擬由自然河道、灌區(qū)渠系構(gòu)成的復(fù)雜地表水系統(tǒng)的引水、分水、用水、排水等人工行為,在灌區(qū)條件下的地表—地下水作用模擬方面具有顯著優(yōu)勢(shì),充分體現(xiàn)自然—人工二元特色;在湖泊—地下水相互作用模擬方面,COMUS模型采用“傾斜湖底”的算法,能夠盡量減少含水層垂向分層,較好解決了湖泊邊界條件的連續(xù)性問(wèn)題和收斂性問(wèn)題,模擬計(jì)算成本更低。
此外,水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的變密度地下水?dāng)?shù)值模擬與預(yù)測(cè)軟件平臺(tái)Visual VFT3D,其耦合MODFLOW、MT3DMS、PHREEQC三個(gè)模型功能,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水文條件下變密度地下水流及多組分溶質(zhì)反應(yīng)性遷移過(guò)程的模擬,利用該模型完整模擬了大沽河流域水文循環(huán)過(guò)程及海水入侵過(guò)程。陳崇希等開發(fā)了地下水三維流多邊形有限差分法數(shù)值模擬系統(tǒng)(PGMS),能夠完成含水層系統(tǒng)的三維流數(shù)值模擬,其離散化方式為分層的三維任意多邊形有限差分網(wǎng)格,有利于處理復(fù)雜的邊界條件和水文地質(zhì)特征。
(2)地下水模型應(yīng)用
我國(guó)華北平原地下水超采最為嚴(yán)重,問(wèn)題也最為復(fù)雜,很多學(xué)者都先后在華北平原開展過(guò)模型研究工作,如邵景力等應(yīng)用GMS和FEFLOW等軟件構(gòu)建地下水流數(shù)值模型,模擬與預(yù)測(cè)氣候變化和人類活動(dòng)雙重作用下地下水流變化特征。其次,西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源極度短缺,生態(tài)環(huán)境脆弱,開發(fā)利用敏感,也是國(guó)內(nèi)研究地下水模型的熱點(diǎn)區(qū),如張光輝等構(gòu)建黑河流域地表水—地下水流耦合模型,揭示區(qū)域水循環(huán)演化模式。在國(guó)內(nèi)其他地區(qū),如吳吉春等在長(zhǎng)江三角洲和山西柳林泉域、錢家忠等在濟(jì)南泉域、田開銘等在東北平原、侯廣才等在鄂爾多斯盆地、唐仲華等在江漢平原、王旭升等在珠江三角洲、許模等在青藏高原地區(qū),均開展了大量地下水模型的研究工作??傮w而言,國(guó)內(nèi)學(xué)者在全國(guó)各地下水重點(diǎn)區(qū)域都開展了地下水模型研究,但所用的模型軟件各不相同,難以在全國(guó)尺度進(jìn)行統(tǒng)一。
《地下水管理?xiàng)l例》提出要強(qiáng)化地下水節(jié)約與保護(hù)措施、嚴(yán)格實(shí)施地下水超采治理措施和加強(qiáng)地下水監(jiān)督管理等。同時(shí),《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)“十四五”時(shí)期復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境實(shí)施方案的通知》明確提出實(shí)行地下水取水總量和水位控制,對(duì)地下水保護(hù)與利用提出了更高的要求。在水利高質(zhì)量發(fā)展的新階段,通過(guò)全國(guó)尺度地下水模型建設(shè)可以為全國(guó)地下水管理“水利一張圖”提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,支撐對(duì)地下水“評(píng)價(jià)—規(guī)劃—管理—保護(hù)”各環(huán)節(jié)實(shí)施方案的科學(xué)論證。在管理方面,基于模型的地下水?dāng)?shù)字孿生和水量水位預(yù)警,可提升地下水信息化管理水平和強(qiáng)化地下水監(jiān)管等;在保護(hù)方面,基于模型的生態(tài)補(bǔ)水效果模擬和儲(chǔ)備量模擬評(píng)價(jià),可支撐河湖生態(tài)補(bǔ)水效果評(píng)價(jià)和建立地下水儲(chǔ)備制度。
同時(shí),水利部《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》明確提出要加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系,為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng),地下水模型是其中的重要內(nèi)容,也是目前智慧水利規(guī)劃和建設(shè)中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),迫切需要加強(qiáng)研制。全國(guó)尺度地下水模型建設(shè)可以支撐地下水“四預(yù)”功能建設(shè),模型可對(duì)區(qū)域水均衡、地下水流場(chǎng)、地下水水位等信息進(jìn)行預(yù)報(bào);對(duì)重點(diǎn)防護(hù)區(qū)的地下水水位、開采量、泉流量等指標(biāo)設(shè)置預(yù)警;針對(duì)日常和應(yīng)急管理需求(如特殊干旱,突發(fā)污染),制定不同方案進(jìn)行預(yù)演預(yù)練;根據(jù)預(yù)演結(jié)果,對(duì)日常和應(yīng)急情形,分別制定多套地下水利用和保護(hù)預(yù)案。
全國(guó)尺度地下水模型建設(shè)的可行性主要分為三個(gè)方面:核心計(jì)算模型研發(fā)、全國(guó)尺度模型集成平臺(tái)和數(shù)據(jù)底板。
在核心計(jì)算模型研發(fā)方面,首先要擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),針對(duì)國(guó)內(nèi)地下水特色進(jìn)行研發(fā),以滿足大多數(shù)地區(qū)地下水模擬和管理應(yīng)用需求。其次研發(fā)的模型要進(jìn)行實(shí)際工程檢驗(yàn),確保計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定可靠,并公開模型代碼和設(shè)計(jì)接口,供國(guó)內(nèi)科研人員監(jiān)督學(xué)習(xí)。
在集成平臺(tái)建設(shè)方面,應(yīng)基于同一套底圖,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化的海量數(shù)據(jù)與成果的展示與共享;支持并集成全國(guó)各區(qū)域地下水模型建模,為通用模型的模擬和預(yù)測(cè)提供輸入數(shù)據(jù)處理服務(wù),為模擬結(jié)果輸出提供匯總分析服務(wù);展示全國(guó)地下水資源量(總地下水補(bǔ)給量和排泄量、儲(chǔ)存資源量)的空間和時(shí)間分布;更需要支持云計(jì)算(遠(yuǎn)程)和云儲(chǔ)存等功能。
在數(shù)據(jù)底板方面,目前全國(guó)1:20萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查完成面積為724萬(wàn)km2,基本能夠支撐構(gòu)建全國(guó)尺度地下水模型;國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程一期已完成,全國(guó)監(jiān)測(cè)井2萬(wàn)余眼,全國(guó)平均站網(wǎng)密度約為5.8站/1 000 km2。至少在重點(diǎn)盆地和平原區(qū),地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能較好支撐構(gòu)建全國(guó)尺度地下水模型;全國(guó)地下水資源及開發(fā)利用評(píng)價(jià)有關(guān)地下水資源、水質(zhì)、供用水量等數(shù)據(jù)基本覆蓋了水資源三級(jí)區(qū)套縣或縣級(jí)尺度,也為全國(guó)尺度地下水模型的驅(qū)動(dòng)提供了可行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
近幾十年我國(guó)在地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用上取得很多成果,但原始創(chuàng)新相對(duì)較少,多數(shù)是跟蹤性的。當(dāng)前地下水新技術(shù)、新方法的開發(fā)主要由歐美發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo),這些問(wèn)題和我們的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱有關(guān)。新階段通過(guò)科技創(chuàng)新加強(qiáng)地下水管理與保護(hù),建立全國(guó)尺度地下水模型是關(guān)鍵技術(shù)因素。
地下水模型技術(shù)方面。目前全國(guó)各重點(diǎn)地區(qū)都構(gòu)建了地下水模型,但所用技術(shù)大都是國(guó)外模型且各有不同,很難統(tǒng)一。建議加快研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地下水通用模型,打破國(guó)外技術(shù)壟斷,避免“卡脖子”技術(shù)問(wèn)題。
全國(guó)尺度地下水模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面。構(gòu)建模型需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如水文地質(zhì)條件、地下水水位、地下水取用水量等,一是建議水利部、自然資源部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部等多部門協(xié)調(diào)合作,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享,使模型計(jì)算更加精確;二是建議加快推進(jìn)國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程二期,在空間上提供更緊密的地下水位監(jiān)測(cè),更好地服務(wù)于模型的構(gòu)建與驗(yàn)證,模型也可以反饋監(jiān)測(cè)工程的實(shí)效性。
建立全國(guó)尺度地下水模型方面。我國(guó)地形復(fù)雜多樣,水文地質(zhì)條件差異性較大,然而全國(guó)重點(diǎn)平原和盆地區(qū)位置分散,地下水系統(tǒng)各自基本不影響。建議在重點(diǎn)平原和盆地分區(qū)建立模型,再集成為全國(guó)尺度地下水模型。 ■