地下水数值模拟的研究与应用进展

来源:用户上传      作者:

　　【摘 要】地下水数值模拟技术由于其廉价、高效及能较好地对地下水系统数值仿真而成为研究解决地下水问题的重要手段。简单地介绍了几种广泛使用的地下水数值模拟软件平台和模型求解方法。分析了地下水数值模拟的应用进展，从水资源的评估和管理，逐渐扩展到水质方面的研究。最后分析了地下水数值模拟的发展趋势，对地下水数值模拟技术的应用和推广提供了一定的参考。
　　【关键词】地下水;模拟软件;应用进展;发展趋势
　　中图分类号： TP319;P641 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0123-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.056
　　0 引言
　　全国大部分城市的工农业用水都以地下水为主要的供给源。例如：2008年石家庄市，地下水供水量25.66×108立方米，占全市供水量的83.1，处于超采的状态[1]。由于没有节制的过量开采地下水导致出现地面沉降、地下水资源枯竭等一系列的问题。因此合理的开采和使用地下水资源就成为了人们关注的重点。数值模拟软件由于其有效性、灵活性和相对廉价性的特点在地下水研究领域被广泛采用[2]。其中包括水资源的配置和评价，地下水的溶质迁移和热量运移等方面。本文通过介绍几种国际上常用的地下水数值模拟软件和数值模拟的模型求解方法，再结合实际的应用进展为相关的地下水研究提供参考。
　　1 地下水数值模拟软件
　　随着社会的进步，特别是在人机交互、计算机图形学和可视化领域的技术不断地创新和发展，地下水数值模拟软件的可视化功能越来越强大，带有可视化功能的模拟软件逐渐占据主流地位。目前，在国际上具有影响力的软件有：Visual MODEFLOW、GMS、FEFLOW、Visual Groundwater、MT3DMS、RT3D、HST3D等。
　　地下水数值模拟软件各有优点。其中GMS功能最为全面、应用最为广泛基本涵盖了众多的地下水数值模型，在地下水数值模拟的各个阶段：模型概化、模型建立、模型的校正、模型的后处理和可视化等问题都能有效的解决，但是在地下水的混合井流的问题上还无有效的解决办法。Visual MODEFLOW则可以进行三维水流模拟和溶质运移模拟。FEFLOW主要用于二维、三维饱和或不饱和水流和溶质的运移模拟。MT3DMS用于三维地下水的溶质运移。
　　2 模型求解方法
　　2.1 有限单元法
　　有限单元法求解思想是将计算区域划分为有限个互相不重叠的单元，在每一个单元中选择适当的控制点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选的插值函数组成的线性表达式，借助变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。由于有限单元法对地下水水流、溶质的数值模拟的计算过程基本一致，所以在处理不同问题之间的“嫁接”较为方便。但是其對于计算机的内存和硬件要求较高，并且运算时间较长，对于处理一些大区域数值模拟问题会拖慢进程。典型的代表软件有GMS、FEFLOW等。
　　2.2 有限差分法
　　有限差分法的基本思想是将求解域划分成为差分网格，然后用有限个网格节点替代连续的求解域。采用泰勒级数展开，再把控制方程里的导数用网格节点的函数值的差商代替进行离散，建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。有限差分法在一维以及二维流等问题的解决中计算过程简单，清晰;在地下水水流数值模拟过程中，精度较高。但是在处理不规则含水层边界、各向异性和非均质岩层时较为困难，同时对于溶质运移问题精度较差。Visual MODEFLOW、 MT3DMS等软件主要运用这种算法。
　　3 地下水数值模拟的应用进展
　　3.1 地下水水流数值模拟
　　研究地下水流动能更好地去了解研究区的水文地质情况，采用先进的地下水模拟系统，建立区域三维地下水流模型，对于评价区域水资源、研究地下水时空分布和水风险具有重要的意义。
　　邵景力等[3]运用FEFLOW地下水模型在黄河下游（河南段）建立黄河影响带三维地下水流模拟模型，评价地下水资源和研究地下水水资源开发规划并探究黄河防渗墙工程对地下水系统的影响。杨青春等[4]在吉林省西部地区将实际水文地质条件加以概化，采用Visual MODEFLOW软件建立地下水水流模拟模型对地下水资源量进行了评价，预测了地下水可开采资源量。
　　3.2 地下水水位模拟
　　地下水水位预测对合理开发地下水资源和保护生态环境具有重要的作用，建立数值模型为水资源合理开发提供定量的依据，尤其是在矿区开采时，预测地下水位动态变化，论证其是否在环境承受范围内，显得极为重要。
　　裴晶晶等[5]运用MODFLOW软件对新疆东部哈密盆地绿洲带在现状开采条件下的地下水位变化情况进行了预测， 其结果表明在当前开采条件下，研究区地下水位会出现大幅度的下降。于翠翠[6]根据地下水动态观测资料，采用GMS在山东济南明水泉域建立了三维地下水流模型，并在此基础上运用时间序列分析法对泉水水位进行了动态分析，模型结果表明泉水水位变化主要与降水有关。魏光辉等[7]在有长时间序列地下水观测数据的新疆希尼尔水库周边区域，建立自记忆模型对该区域进行地下水水位变化模拟，发现该模型精度较高可用于区域地下水水位预测。吴亚安[8]应用Visual Modflow软件建立呼吉尔特矿区三维地下水流模型量化煤炭开采对地下水水位的影响，判断煤炭开采对地下水的影响是否在合理范围，结果表明，在当地环境条件下地下水水位降低速率处于合理范围。
　　3.3 地下水溶质运移模拟
　　地下水溶质运移模拟对探寻污染物在地下水中的运动规律，分析污染物浓度分布，判读污染范围具有重要意义，通过建立数学模型进行数值模拟为地下水污染修复和治理提供定量的数据，从而对保护地下水资源起到积极的作用。 　　李华等[9]运用GMS软件模拟了云南德厚水库下游废弃砒霜厂地下水溶质运移，论证了污染源的分布和污染羽的扩展范围，但是未考虑化学反应、吸附作用、淋溶作用对污染物的影响。朱瑞田等[10]采用FEFLOW软件，对奎河周边浅层地下水进行了溶质运移模拟，选取硝酸盐为模拟因子，并以实际观测资料进行识别和校验，模拟效果较好。王英刚等[11]运用GMS软件对铜矿尾库地下水溶质运移进行模拟，分析了污染物的浓度分布和迁移距离。孟勤宪等[12]应用GMS软件模拟了页岩气钻采过程中溶质在地下水中运移状况，主要模拟COD、氯化物和石油类在地下水中迁移过程，为页岩气钻采对地下水的污染分析提供重要的数据。但没有考虑不同污染物之间的相互作用，使得模型结果不够准确。
　　4 结论与展望
　　随着社会的快速发展，对于水资源的需求日益增加，地下水的开采量逐渐变大，人类活动对地区地下水环境影响将不断加深，与地下水相关问题的难度和广度也随之增大，地下水数值模型也将在未来应用实践中发挥越来越重要的作用[13]。地下水数值模拟是对地下水系统的实际状态的复制和再现，是高精度的数学概化[14]。但是由于地下水运动的通道多孔介质系统的隐蔽性和复杂性以及溶质运移过程中的生物—化学作用导致模型的精度较低，因此从当前动向来看，地下水数值模拟技术将有以下发展趋势。
　　1）信息技术的无缝连接。地下水模拟软件与3S技术的高度结合增强数据处理和可视化程度，同时实现地质参数数据共享已成为必然的趋势。
　　2）多学科相互交叉耦合。伴随着其他学科的发展，使人们逐渐意识到溶质之间的相互作用和生物降解会对污染物浓度分布和迁移规律产生影响，因此考虑物化和生化反应，将会是地下水溶质运移模拟的一个重要趋势。
　　【参考文献】
　　[1]王志芳.石家庄市水资源状况概述[J].企业导报，2011（09）：180.
　　[2]李思达，林曼利，孙瑞.Feflow在任楼井田第四含水层水流场模拟中的应用[J].工程与建设，2012，26（01）：21-23+26.
　　[3]邵景力，崔亚莉，赵云章，贺国平.黄河下游影响带（河南段）三维地下水流数值模拟模型及其应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2003（01）：51-55.
　　[4]杨青春，卢文喜，马洪云.Visual Modflow在吉林省西部地下水数值模拟中的应用[J].水文地质工程地质，2005（03）：67-69.
　　[5]裴晶晶，郭伟，奥斯曼.哈密盆地绿洲带现状开采条件下及优化布局后的地下水位模拟预测[J].水利规划与设计，2018（03）：54-56.
　　[6]于翠翠.济南明水泉域岩溶地下水数值模拟及泉水水位动态预测[J].中国岩溶，2017，36（04）：533-540.
　　[7]魏光輝，马亮.基于自记忆方程的干旱区地下水水位动态模拟[J].节水灌溉，2016（03）：58-60+64.
　　[8]吴亚安.呼吉尔特矿区大型煤矿开采对地下水水位影响的数值模拟研究[J].黑龙江科技信息，2016（09）：86.
　　[9]李华，吴静，徐世光，徐梓矿.基于GMS的云南德厚水库下游废弃砒霜厂地下水溶质运移模拟[J].水资源与水工程学报，2014，25（02）：209-212+217.
　　[10]朱瑞田，王锦国，胥稳.奎河周边浅层地下水流及溶质运移数值模拟[J].人民黄河，2014，36（01）：75-77+81.
　　[11]王英刚，李小川，孙宏亮，陈晓博，马溶涵，高丹.基于GMS的某金属尾矿库地下水溶质运移模拟[J].沈阳大学学报（自然科学版），2018，30（02）：87-92+173.
　　[12]孟勤宪，赵齐宣，邹凯.基于GMS的页岩气钻井地下水环境影响预测研究[J].中国环保产业，2017（09）：66-72.
　　[13]王浩，陆垂裕，秦大庸，桑学锋，李扬，肖伟华.地下水数值计算与应用研究进展综述[J].地学前缘，2010，17（06）：1-12.
　　[14]徐晓民，刘华琳，焦瑞，廖梓龙，梁文涛.锡林浩特市地下水数值模拟模型建立[J].人民珠江，2017，38（12）：5-10.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14984755.htm