王軍進(jìn)　張洪偉　張國(guó)珍　武福平　雷楷

摘要：地下水?dāng)?shù)值模擬方法是解決地下水相關(guān)問題的一個(gè)重要的手段。本文系統(tǒng)闡述了地下水模擬的發(fā)展過程、常見數(shù)值模擬方法和數(shù)值模擬的應(yīng)用進(jìn)展，分析了地下水?dāng)?shù)值模擬存在著模型應(yīng)用不夠全面、與各交叉學(xué)科耦合不夠緊密以及過度追求模擬軟件的可視化程度等問題，最后對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。文章使讀者能夠較為全面地認(rèn)識(shí)地下水模擬技術(shù)，了解地下水?dāng)?shù)值模擬的優(yōu)缺點(diǎn)，掌握不同的水文地質(zhì)條件下最優(yōu)數(shù)值模擬方法的選擇，為地下水?dāng)?shù)值模擬方法的推廣應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地下水；模擬方法；發(fā)展過程；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：X11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）06-0103-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.060

Abstract：Groundwater numerical simulation method is an important means to solve groundwater related problems. This paper systematically elaborates the development process of groundwater simulation， common numerical simulation methods and application progress of numerical simulation. It also analyzes the problems of groundwater numerical simulation such as incomplete application of model， incompatibility with various cross disciplines， and excessive pursuit of visualization of simulation software. Finally， the future development trend of groundwater numerical simulation is forecasted. The article enables the reader to understand the groundwater simulation technology more comprehensively， understand the advantages and disadvantages of groundwater numerical simulation， master the choice of optimal numerical simulation methods under different hydrogeological conditions， and provide reference for the promotion and application of groundwater numerical simulation methods.

Key words：Groundwater； Simulation method；Development process； Development trend

最近幾十年來頻繁的人類活動(dòng)對(duì)地下水資源的質(zhì)和量造成了許多負(fù)面影響，如過量開采引起的水資源枯竭、海水入侵、地面沉降，三廢任意排放造成地下水不同程度地受到污染等[1]。除此之外，在實(shí)際工程實(shí)踐中，諸多不良的工程地質(zhì)現(xiàn)象如滑坡、巖溶、潛蝕、土體鹽漬化，以及工程病害如地基沉陷與邊坡滑塌，道路凍脹與翻漿等都與地下水的存在和活動(dòng)有關(guān)，有些地下水甚至還對(duì)結(jié)構(gòu)物有化學(xué)侵蝕作用，使其結(jié)構(gòu)破壞。因此，評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)地下水質(zhì)和量的影響、評(píng)價(jià)地下水資源的合理開發(fā)，以便可持續(xù)地利用地下水資源、預(yù)測(cè)地下水污染發(fā)展趨勢(shì)、選擇最佳防治措施等等，這些當(dāng)代迫切需要解決的問題都需要借助于求解地下水?dāng)?shù)值模型才能找到比較滿意的解答[2]。本文從地下水模擬的發(fā)展過程、常見數(shù)值模擬方法、數(shù)值模擬的應(yīng)用進(jìn)展以及存在的問題幾方面進(jìn)行了闡述，并分析了地下水?dāng)?shù)值模擬的優(yōu)缺點(diǎn)及最佳模擬方法的選擇。

1 地下水模擬的發(fā)展過程

地下水模擬是基于計(jì)算機(jī)利用數(shù)值方法來分析和預(yù)測(cè)不同條件下局部或區(qū)域地下水系統(tǒng)行為的一種手段。而早期的地下水模擬采用的是電類比模型，它采用被動(dòng)電阻電容網(wǎng)絡(luò)模擬并用電流代替地下水流，但類比法除了能在一定程度上給出對(duì)流計(jì)算的流速場(chǎng)之外；并不能夠描述復(fù)雜的地下水溶質(zhì)遷移的問題，但它作為一種研究水文問題的模擬手段；為后來的溶質(zhì)遷移模擬奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代，地下水水流模擬逐漸從類比法過渡到數(shù)值法，數(shù)值模擬方法就是在計(jì)算機(jī)上采用離散化的方式去求解數(shù)學(xué)模型，得到數(shù)學(xué)模型的近似解[3]。由于這種方法具有較高的仿真度，能夠很好地反應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下的地下水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此這種方法很快發(fā)展成為地下水模擬的一種主流方法。20世紀(jì)70年代以來地下水溶質(zhì)遷移模擬領(lǐng)域發(fā)展很快，特別是三維水流模型與有限元算法程序這兩方面的引入，推動(dòng)了溶質(zhì)遷移技術(shù)的發(fā)展，但其主要原因是由于對(duì)地下水水質(zhì)的強(qiáng)烈關(guān)注引發(fā)的信息需求和飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)使得工程人員和水文地質(zhì)工作者可以對(duì)野外項(xiàng)目進(jìn)行模擬。20世紀(jì)80年代早期，裂隙含水層的溶質(zhì)遷移問題和多相流動(dòng)系統(tǒng)的研究成為了研究的焦點(diǎn)課題[4]，研究范圍包括了飽和帶、非飽和帶以及飽和—非飽和帶[5]。數(shù)值模擬方法以其方便靈活，適用于各種復(fù)雜水文地質(zhì)條件的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于地下水資源預(yù)測(cè)、水資源環(huán)境分析、水流影響評(píng)價(jià)之中[6-8]。

2 常見的地下水?dāng)?shù)值模擬方法

解決地下水問題的數(shù)值方法有多種，但目前數(shù)值模擬方法主要有有限差分法（FDM）、有限元法（FEM，也稱有限單元法，有限元素法）、邊界元法（BEM）和有限分析法（FEM）等[9]，其中有限差分法和有限元法應(yīng)用較廣泛[10]。除了上述主要數(shù)值方法外，近年來還出現(xiàn)新的數(shù)值方法如混合有限元法、多尺度有限元法等[11]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，20世紀(jì)80年代地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算方法已趨于成熟[12]。但由于地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性，不同方法的功能及適用條件的差異性，還沒有任何一種方法或軟件能解決一切地下水問題[13]。表1從各個(gè)數(shù)值方法的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及典型代表軟件方面對(duì)數(shù)值法進(jìn)行了介紹，以便在進(jìn)行地下水模擬之前就能夠掌握各個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)和缺陷，根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件選擇最優(yōu)的數(shù)值模擬方法。

3 地下水?dāng)?shù)值模擬方法的應(yīng)用進(jìn)展

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬法已經(jīng)發(fā)展成為解決地下水各種問題的主要方法。研究者們對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬方法進(jìn)行了大量的研究。馬鈞霆、陳鎖忠、朱曉婷等[14]以有限元數(shù)值方法和三維地理信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出了孔隙地下水在模擬過程在3D-GIS下的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)框架；江思珉、朱國(guó)榮、王浩然等[15]提出采用基于區(qū)域分解原理的快速自適應(yīng)組合網(wǎng)格方法FAC法并將其應(yīng)用于防滲墻的防滲研究；邵景力等[16]在黃河下游采用FEFLOW軟件建立了三維地下水流模型，并用模型模擬了截滲墻建成后黃河側(cè)滲量和地下水流場(chǎng)的變化；郭小銘[17]采用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)預(yù)測(cè)了不同疊加情況下地下水水位變化，為合理確定地下水抗浮水位、制定建筑物防水措施提供了科學(xué)依據(jù)；高維春、潘俊、張永祥等[18]通過建立沈陽沈北新區(qū)溪泉湖水源地地表水與地下水聯(lián)合運(yùn)用的耦合模型， 利用Visual MODFLOW軟件，得出了濕地構(gòu)建儲(chǔ)備水源地10a后地下水環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化；高小文等[19]運(yùn)用Visual MODFLOW建立溶質(zhì)運(yùn)移模擬模型對(duì)小型銅礦尾礦庫對(duì)地下水污染進(jìn)行了模擬，確定其污染物的影響范圍及運(yùn)移距離。由此可見，地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在地下水領(lǐng)域中應(yīng)用十分的廣泛，成為解決地下水相關(guān)問題的一個(gè)重要的手段。

4 地下水模擬中存在的問題及展望

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，地下水?dāng)?shù)值模擬方法已經(jīng)應(yīng)用到地下水問題的各個(gè)方面，已經(jīng)從單一的地下水位、水量模擬過渡到對(duì)地下水污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和環(huán)境影響方面進(jìn)行應(yīng)用研究的高級(jí)階段[20]。但地下水系統(tǒng)是一個(gè)統(tǒng)一的水動(dòng)力及物理-化學(xué)系統(tǒng)，由于認(rèn)識(shí)和科學(xué)技術(shù)的限制，在實(shí)際應(yīng)用中還存在著如下問題：

與地理信息技術(shù)和各交叉學(xué)科耦合不過緊密。將高新的信息技術(shù)引入到地下水模擬中來，不僅可大大的簡(jiǎn)化模型輸入前后繁瑣的數(shù)據(jù)處理；減少模擬工作者的工作量，而且對(duì)模擬精度和模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的提高具有重大影響。可以預(yù)見未來的地下水?dāng)?shù)值模擬必然會(huì)向著多學(xué)科耦合、多領(lǐng)域交叉的方向發(fā)展。模擬前數(shù)據(jù)信息的獲取是未來數(shù)據(jù)模擬主要發(fā)展的核心趨勢(shì)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為地下水?dāng)?shù)值模擬帶來了許多的便利，各種數(shù)值模擬軟件已經(jīng)成為許多地下水工作者進(jìn)行地下水模擬工作的首選，但有的過度追求模擬軟件的可視化程度，而忽視了具體的水文地質(zhì)得認(rèn)識(shí)、概化，不重視概念模型的建立和數(shù)值模型的識(shí)別、檢驗(yàn)等工作。

模型應(yīng)用不夠全面，目前多數(shù)地下水?dāng)?shù)值模型原理都是以達(dá)西定律和質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)的，適合于模擬地下水是層流和連續(xù)介質(zhì)的情況，在裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)中的地下水?dāng)?shù)值模擬相關(guān)技術(shù)還沒有完全解決，因此模型的應(yīng)用范圍仍受到一定的限制。隨著研究的進(jìn)一步深入這些問題有望在同一地下水系統(tǒng)模型中解決。

由于含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜、尺度多種多樣，會(huì)使模型參數(shù)和邊界條件存在著不確定性，這不確定性將會(huì)導(dǎo)致地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果的不確定性，從而致使模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果存在著一些誤差。為了得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，就必須對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行不確定性分析。這就要求未來數(shù)值模擬就必須對(duì)不確定性分析方法有創(chuàng)新性的突破。

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收稿日期：2018-05-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：51468033）；甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：17YF1NA056） ；甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：1604ZCRA014，1606RJZA039）

作者簡(jiǎn)介：王軍進(jìn)（1993-），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼浪h(huán)境。

通訊作者：張國(guó)珍（1969-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事環(huán)境管理與規(guī)劃、隧道水環(huán)境及水污染治理等方面的研究工作。