地下水数值模拟技术的探讨

王琳　李屹田　张庆晓

摘 要： 随着计算机技术的发展，使水文地质学由定性描述进入定化分析取得了重大突破。因此地下水数值模拟也伴随着人类对地下水定量评价的发展而发展起来`。地下水数值模拟技术以其灵活性和成本低廉已经成为对水资源进行定量评价管理中最有效的工具。本文在分析地下水模拟技术的基础上对数值模拟技术的发展进行了展望。

关键词： 地下水数值模拟;发展方向

【中图分类号】TV1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）20-0220-01

随着社会经济的不断发展，越来越多国家逐步认识到地下水资源的合理利用及保护的重要性，地下水资源的定量评价已经成为各国水资源管理中的重要问题。为更合理的为水资源管理提供科学依据，对地下水的分布规律，地下水的补给、径流和排泄条件，区域地下水的分布状况，地下水水位的变化规律展开研究，对地下水系统进行预报预测成为越来越受关注的问题。

1 地下水数值模拟工作方法及特点

地下水数值模拟就是在计算机上采用离散化的方法建立地下水流连续方程及求其定解条件对地下水资源量和地下水系统变化进行的定量分析，最终求解出的是其数学模型的近似解。地下水数值模拟技术已经大量的被用于地下水资源评价、预报和管理之中。

数值模拟方法能够反映连续的地下水动态，结果真实性较高，在定量地评价地下水系统工作中逐渐成为了定量模拟水文特征和水资源管理的强有力的主流工具。根据Anderson等提出的地下水数值模拟工作程序的三个阶段，实现地下水数值模拟工作的三个阶段为：①水文地质条件的概化，即给定地下水系统的水文地质条件、设置边界流量等数值、给定模拟参数等;②根据历史观测资料对模型進行求解和校正，通过对数学模型的离散求解计算个点水位，依照实际情况不断调整获得最准确的计算结果;③最终模型的实际应用，如地下水资源量评价，未来情况的预测等。

利用数值模型对地下水水流和溶质运移问题进行模拟以其灵活有效、成本低廉和可预测性已经成为研究地下水各种问题的重要方法和实用技术，在地下水资源评价和相关领域的得到了普遍的应用。地下水数值模拟技术可以科学和较准确的对水文地质条件进行仿真，并通过对网格的剖分、参数的调整等接近真实的地下水源汇项情况，对水文地质条件有了更深入、更科学的认识。同时运用地下水数值模拟技术能够预测地下水的分布状态和其变化趋势，通过不同情境和条件的设置，可以人为调整和改变降雨入渗量、开采量等，从而对不同条件下的地下水可开采量进行预测，为地下水资源的管理和保护奠定基础。

2 地下水数值模拟常用软件

随着计算机科学的不断发展以及对地下水模型的需求不断增强，地下水数值模拟技术和相关模型也在不断发展和完善，在此过程中开发了许多功能完善、扩展性强的模拟程序。其中大多数来源于国外，包括MODEFLOW、FEFlow、SUTRA、HST3D、TOUGH等。与此同时，一些研究组织和商业机构针对数值模拟也开发了许多数值模拟相关的可视化平台，包括最常用的Visual Groundwater、GMS、FEFLOW、FEWATER、Processing MODFLOW等数值模拟软件。

在实际工作中选用合理的地下水模拟软件搭建区域地下水数值模型，通过模拟技术评价区域地下水资源情况，从而对地下水对各变异条件的响应和变化趋势做出预测。

MODEFLOW是美国地质调查局在20世纪80年代所开发的出的程序，它是基于地下水有限差分方法的地下水水水流模拟程序。MODEFLOW是采用FORTRAN进行语言编程，使用者可以自行下载源程序并对程序进行自主改编。很多地下水流模拟软件中的水流模型都应用了MODEFLOW进行开发。FEFlow是基于有限元的地下水数值模拟模型，它在1979年由德国的Ways规划系统研究所开发，被广泛的应用于水流及容重运移的模拟中，同时FEFlow还可以用来应用于解决在复杂水文地质条件下的模拟问题，如各向异性条件下地下水水流、溶质和热运移模拟。同时FEFlow与GIS具有良好的接口，使操作更灵活和便捷。GMS软件是由美国Brigham Young University 环境模型研究实验室所开发的，是主要基于地下水概念模型的地下水模拟软件综合性、多功能软件。GMS软件整合了多个模型和程序包，如MODEFLOW、MODPATH、MT3D等，能够很好地对孔隙介质进行三维的地下水水流、溶质运移及反应运移模拟。HST3D、TOUGH等可以很好地进行含水层的热运移模拟，FEFLOW、TOUGH、FEWATER等还可以用于进行非饱和-饱和水流的相关模拟。

3 地下水数值模拟技术的发展方向

通过地下水数值模拟技术的不断发展和数值模型的不断优化，数值模拟已经为国内外地下水研究工作提供了可靠的研究方法，为区域地下水资源的正确认识、评价以及合理的管理开发提供了重大帮助。在未来通过计算机技术的发展，数值模拟技术在模拟精度，参数不确定性和模型耦合等方面将进行优化和提升。首先需要对地下水数值模拟领域的基础理论展开更深入的理论研究。由于相关实验研究周期长，投入较高，以往相关工作开展较少，但只有增强对理论研究的实验论证工作，才能为数值模拟技术的应用奠定最坚实的基础。其次现在模型虽然很多，但缺少通用型的模型。在解决一些简单的问题时，需要每次重新建立模型，造成工作量的增加。因此，今后通过对地下水数值模拟理论研究的深入，增加实验论证工作，不断提升模型的精度，同时加强对数值模拟随机性认识。同时随着对地下水管理模型的需要，如何将地下水数值技术与地下水管理需求更好的结合也是重要的发展方向。其中最关键的是各类模型与地下水管理模型更加科学、合理的耦合，从而更好的解决于地下水管理中的问题，满足地下水资源管理的需求。

4 结论

总体上地下水数值模拟为研究地下水时空变化，水量均衡，管理规划提供了很好的解决方法。未来，区域地下水数值模拟技术与信息技术的发展将越来越紧密的联系，对地下水复杂规律和机制的研究和地下水与其他学科的交叉讨论将通过数值模拟技术更好的实现。

参考文献

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