地下水数值模拟研究进展和发展趋势

地下水数值模拟研究进展和发展趋势
第一篇：地下水数值模拟研究进展和发展趋势
地下水数值模拟研究进展与发展趋势
摘要：地下水数值模拟的应用研究进展国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。

国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距，主要应用研究在地下水位预测、地下水资源开发利用、地下水循环机制研究、地下水资源预报评价等水量、水位问题方面，但在加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题方面的应用研究逐渐增多，并已取得了一定的成果。

关键词：数值模拟、进展、发展趋势
随着计算机技术的快速发展，科学有效的数值计算方法在处理地下水污染、分析地下水资源评估等问题中的应用越来越广泛;利用数值模拟软件对地下水流等问题进行模拟，以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法［1］。

尤其针对加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题，建立准确的数值模型进行预测是查明污染物污染潜水范围、程度及其分布特征最有效最直观的方法之一，同时还可以为污染区实施污染防治与修复等优化配置提供科学技术支持［2］。

地下水数值模拟的应用研究进展国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。

国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距，主要应用研究在地下水位预测、地下水资源开发利用、地下水循环机制研究、地下水资源预报评价等水量、水位问题方面，但在加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处
置场等污染场地污染物的迁移问题方面的应用研究逐渐增多，并已取得了一定的成果［4］。

近几十年来，随着地下水科学和计算机科学的发展，地下水数值模拟也得到了快速发展，主要体现在：加拿大Borden基地、美国Cape Cod基地与Columbus基地开展的大型野外试验场研究，大大丰富了地下水溶质运移的理论和方法，取得不少新的认识，并为发展和检验溶质运移理论和相应数学模型提供了大量数据（MacKay et al，1986；LeBlanc et al，1991；Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；随机方法在非均质介质渗流和溶质运移的模拟中得到比较多的应用，从而加深、甚至改变了人们对此类介质中流体运动和溶质运移的认识（Dagan and Neuman，1997；Zhang D，2002）；通过多孔介质中水流运动、溶质运移和化学反应，甚至生物过程的耦合建立模型来集成地研究这些过程也取得很多进展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。

此外，计算方法也取得不少进展，但溶质运移模拟中数值弥散和振荡问题的解决和地下水模拟逆问题的求解进展比较缓慢（Sun and Yeh，2007）。

由于种种原因，国内地下水数值模拟开展得比较晚，始于20世纪70年代初，当时文化大革命还没有结束，所以从事这项工作困难重重，而且人也不多，主要来自高等学校和研究部门，以后才逐步扩展到产业部门。

为了加快我国地下水数值模拟的发展，深切感到有必要开展相互交流。

于是利用一次在水文地质工程地质研究所开会的机会，在张宗祜所长的支持下，以肖树铁教授为首的几个人（肖树铁、张蔚榛、薛禹群等）进行了酝酿，考虑到当时文化大革命结束不久，还是不成立什么组织为好，不定期在一起碰个头，达到交流的目的就行了。

参加人不要太多，也不叫谁负责。

商定邀请参加的人有：肖树铁、谢春红、孙讷正、陈明佑、杨天行、张蔚榛、薛禹群、张宏仁、崔光中、李文渊、陈雨荪、许涓铭、刘金山等（少数被邀请人没有来，未列入名单的来了），水文所当时不好定人员名单，决定每次请张宗祜所长指定。

每年轮流在一个成员所在地或由他选定的地方开交流会，
交流国内外最新研究内容和进展、以及个人最近研究的心得体会或成果。

交流活动按此原则进行之后，效果很好，也得到各方面人士的支持、肯定，有人称之为“神仙会”。

进入80年代中期后，各类学会逐渐恢复活动，这种最初的交流活动形式也就完成了它的历史使命，在清华大学数学系举行最后一次学术交流后就停止了。

现在回想起来，成员有数学家、水文地质学家、水动力学家的这些活动具有鲜明的学科交叉特点，数学家对我国早期地下水模拟的开展起了很好的帮扶、促进作用，可以少走弯路，加快它的健康发展，对国内出现的少数不正确的苗头也通过交流取得共识。

我国地下水模拟所以能够很快赶上国际先进水平，笔者认为和这个“神仙会”在早期为它奠定良好且正确的基础是密不可分的。

二、三十年过去了，当年的参加者都已进入古稀之年，个别已作古，不少记忆已经模糊，这段历史写在这儿或许有益，也可供后人评述。

目前我国地下水数值模拟的应用已遍及与地下水有关的各个领域，各类模型的研制能够满足国民经济建设的需要，国际上出现的各类模型在中国基本上都有了，如各类常系数、变系数水流模型（薛禹等群，2007）、地下水污染模型（林学钰等，1985；薛禹群等，1997）、海水入侵模型（Xue et al，1995）、高浓度（>100～200 g/L）咸/卤水入侵模型（张永祥，1997；张勇等，1999）、地下水中某些组分运移行为的模型（如海水入侵条件下，交换阳离子运移行为模型）（Wu et al，1996）、大区域地面沉降模型（面积超过17 000 km2）（薛禹群等，2008）、地下水中热量运移和含水层贮能模型（Xue et al，1990）、地下水资源管理模型（吴剑锋等，1999）和井渠合理布局模型（李恩羊，1982；张慧春，1989）、各类坝体渗漏模型（毛昶熙，1999）、渠道渗漏模型、地下水-地表水联合评价调度模型等等。

运移和化学反应耦合模型以及其他一些耦合模型也有人着手考虑了。

上述模型中有些水平比较高，和国际高水平模型基本上处于同一水平。

它们涉及的地质条件多种多样，有潜水，也有承压水，有单个含水层，也有多个含水层存在越流的情况，以及种种复杂的地质构造和岩相变化等。

它们有二维的，也有三维的和准三维的。

国外各类数值方法国
内均有应用，少数数值方法还是将国外数学家的构思加以完善后直接应用于地下水模拟的（Ye et al，2004）、或由中国学者直接构思完成的，因而远早于国外水文地质学者（Xue，1985；薛禹群等，1980）。

随机水文地质的研究虽然起步较晚，但从无到有，成果比较突出，基本能跟上国外同类研究的步伐。

但一般只是跟踪性研究，仅在个别领域接近国际前沿［3］。

如何考虑在下个十年应该优先发展的领域是值得我们思考的，很多国内外学者已经提出了很好的建议（中国地下水科学战略研究小组，2009；中国科学院地学部地球科学发展战略研究组，2008），笔者只是在这儿做些补充或拾遗补漏。

要讨论这个问题，首先要确定如何来遴选，原则是什么。

遴选优先发展领域时先要考虑我国地下水科学的战略定位是什么。

我想应该是：在21世纪的整个地学发展中有所作为，为国家的可持续发展提供科学支持；取得地下水研究重大突破为目标，做出与中国作为世界大国身份相称的贡献；为保证国家社会、经济发展安全供水，提供一定的资源量，实现地下水资源的可持续利用。

同时，还要关注和参与当前国际水文地质学界关心的前沿科学问题。

这是我们的定位，也是我们的展望。

遴选时既要着眼于我国地下水科学需要解决的核心科学问题，又要考虑当前国际前沿科学问题。

当前水文地质学需要解决的核心科学问题主要有：（1）地下水环境的演化和发展趋势；
（2）地下水循环和地下水资源的可持续利用；（3）人类活动与地下水环境。

1 期薛禹群：
中国地下水数值模拟的现状与展望5水文地质学需要解决的核心科学问题找到后，解决其中涉及的地下水模拟问题就是我们需要优先研究的领域。

其次，需要关注的就是当前国际前沿科学问题。

综合上述情况，可以遴选出需要优先研究的领域如下。

1）区域尺度不同地域单元地下水循环过程及其演化趋势的数值模拟
查明区域尺度地下水循环过程及其演化趋势，在此基础上开展整个盆地大尺度水流和溶质运移过程的模拟，才有可能正确评估地下水
的补给量，合理确定开采量，为整个盆地地下水资源的可持续利用奠定坚实基础。

2）地下水污染的形成机理，各类污染物（包括微生物、无机、有机）在地下水中的运移行为的模拟
地下水污染问题日益严重，查明各类污染物在地下水中运移行为、有机污染物的生物降解过程、金属污染物及放射性核素的生物修复过程，并在此基础上赏试通过模拟来再现这些过程，以便找出更有效的修复技术。

3）水文地质参数非平稳场的时空变异性和尺度效应
这是当前国际前沿研究课题，我国还很薄弱，加速这方面的研究不仅是实际需要，也有助于我们追赶国际先进水平。

4）含水层非均质性对地下水流动和污染物运移的影响，随机理论的研究和应用这也是当前国际前沿研究课题，我国也很薄弱，加速这方面的研究是必要的。

5）地下水开发利用所引起的各类环境问题（地面沉降、地裂缝、海水入侵等）的模拟和预测
我国幅员辽阔，地质情况复杂，现有模型远不能满足各地生产实际的需要，何况有些模型，如地裂缝模型、反映生态平衡破坏的模型在我国还属空白。

指望依靠国外商用软件来解决所有这些问题是要失望的。

因此，从各地实际情况出发，研究符合中国国情的各类模型是当务之急，以便为预测和调控提供技术支撑。

6）地下水可持续利用、科学管理与决策模型
过量开采和不合理开采地下水已给我国地下水造成一系列复杂的环境问题和生态平衡破坏，为保证地下水的长期、稳定的可持续供给以满足日益增长的国民经济发展需求已成为非常紧迫的问题，为此盆地尺度地下水资源的可持续性科学管理和决策模型的研究将成为重要的研究方向。

7）随着石油制品的渗漏，引起人们关注的非饱和带多相流问题和介质非均质性非饱和带中的水流和溶质运移过程直接影响与它相通的饱和带中的水流和溶质运移过程；人类活动则通过非饱和带间接影响
地下水系统；反过来，地下水对地表水和生态系统的影响又要通过非饱和带传递，因而，非饱和带成为研究地下水必须关注的领域。

8）地下水模拟中逆问题的研究
由于含水层地质结构通常比较复杂、尺度多种多样，因而给解地下水模拟的逆问题带来很多困难，甚至成为建立和应用数学模型的瓶颈，需要对模型结构的确定、尺度选择、参数识别、可靠性分析等问题加强研究，尽快取得突破。

为了中国地下水模拟领域的发展，迎头赶上国际前进的步伐，有必要积极组织开展以上各方面的研究。

很好完成这些项目以后，相信我国的地下水模拟事业必然会更上一层楼，到达一个新的水平，有可能普遍接近，而在一些领域则达到国际先进水平，做出与中国国际地位相应的贡献［3］。

参考文献
［1］李思达, 林曼利, 孙瑞.Fellow 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(1): 21-23.［2］赵庆辉, 王兴润, 张增强.地下水六价铬运移的仿真及场地修复限值探讨[J].环境工程, 2011, 29(2): 16-19.［3］薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报, 2010(1): 1-6.［4］孙从军, 韩振波, 赵振, 等.地下水数值模拟的研究与应用进展[J].环境工程, 2013, 31(005): 9-13.［5］Winter T C.Numerical simulation of steady state three‐dimensional groundwater flow near lakes[J].Water Resources Research, 1978, 14(2): 245-254.
第二篇：地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势
地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势
郝治福，康绍忠
(中国农业大学中国农业水问题研究中心)
目前地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。

20世纪60年代中期以来，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用，数值计算方法在地下水资源分析评价中得到逐步推广，具有明显的通用性和广
泛的适用性。

尤其近十几年，地下水系统数值模拟取得了长足进步。

一、国外地下水系统数值模拟研究现状
目前，国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。

1、该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序、步骤方面达成了一致，强调对水文地质条件合理概化的重要性，并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。

根据Anderson等提出的工作程序，要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型，应进行以下工作：确定模型目标，建立水文地质概念模型，建立数学模型，模型设计及模型求解，模型校正，校正灵敏度分析，模型验证和预报，预报灵敏度分析，模型设计与模型结果的给出，模型后续检查以及模型的再设计。

Ewing提出地下水污染流模拟和建模需要强调3个方面的问题：①有效地模拟复杂的流体之间以及流体与岩石之间的相互作用；②必须发展准确的离散技术，保留模型重要的物理特性；③发挥计算机技术体系的潜力，提供有效的数值求解算法。

针对Newman等的推测，Wood提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。

Kim等对抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse waterlevel fluctuation)现象进行数值模拟，阐述了其机理性原因。

Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。

Ghassemi指出三维模型可以详细说明含水层系统的三维边界条件以及抽水应力情况，而二维模型就不能恰当处理。

Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各种各样的水文学、地质学和地球物理学的数据及模型的不确定性，可以用于地下水系统数值模拟的数据整合和模型校准。

Mazzia等提出特别的数值方法用于求解重盐地下水运移模拟的二维非线性动力学控制方程，效果很好。

Li Shu-guang等指出数值模型还不能解决预报的不确定性因素问题，并开创性地提出一种随机地下水模型，可以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题。

Mehl等提出二维局部网格细分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和错误分析的方法。

模拟结果的可靠性
得到了提高。

2、国外开发了许多功能多样的地下水系统数值模拟软件，以其模块化、可视化、交
互性、求解方法多样化等特点得到广泛的使用，尤其MODFLOW，据美国地质调查局统计，MODFLOW几乎占地下水系统数值模拟软件总应用次数的一半，这些年其功能更是不断完善。

地理信息系统(GIS)与地下水模型的整合强化了数据的输入、传递、方案调整和空间分析等。

遥感(RS)提供了判断地质边界、地貌单元和估算地表蒸发等的工具。

地下水系统数值模拟模型与相关领域模型的耦合更扩展了其发展空间，可以解决更多的实际问题。

Juan等运用ARC/INFO和MODFLOW模拟了美国Jackson Hole 地区的冲积含水层，并通过补给、排泄和水均衡的评估对模型进行了合理的校准。

Winston专门介绍了许多MODFLOW相关的免费和共享的网络资源，为人们学习和应用该软件提供了方便。

Olsthoorn指出基于有限差分法的MODFLOW与基于解析元法的MLAEM模型都各有优势，MODFLOW的数据结构更易于实现与GIS的整合。

Harrington等运用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模拟区域地下水系统的水化学和同位素变化情况，并强调了做细致准确的稳态流分析对于瞬时流分析的重要性。

Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存储钻孔资料，设计GIS管理空间数据资料，有很好的推广价值。

Ataie-Ashtiani 等运用基于有限元的二维数值模型SUTRA模拟含水层边界条件周期性变化的地下水流，对基本方程和模型进行相应的修改，得到了很好的模拟结果。

Wingle介绍了UNCERT模型，该模型可用于地下水流和污染物运移模拟，得到相关行业研究人员的一致认可并广泛使用。

Ramireddygari等通过对POTYLDR地表水模型与MODFLOW地下水模型的修改并增强，用于模拟WetWalnut Creek流域。

Osman等使用改进的MODFLOW代码和MOBFLOW模型，模拟得出地下水渗流和含水层情况，与用SWMS-2D所做结果吻合很好。

Samani等指出轴对称井流是地下水力学非常重要的课题，新出版的MODFLOW
2000加入了精确模拟轴对称井流的标定方法，提高了模拟的仿真性。

Dahan等提出多变量混和单元模型描述水化学过程，MODFLOW模拟水文地质情况，两种方法的结合不但可以模拟水头变化，而且可以模拟反映地球化学特征的地下水流线。

Facchi等建立渗流地带模拟与基于MODFLOW的地下水系统数值模拟耦合模型，用GIS来控制空间分布式参数以及输入和输出值，与其他类似模型不同的是可以评估作物水分消耗值在时间和空间上的分布情况。

研究人员广泛应用地下水系统数值模拟软件和3S技术，在应用中发现问题，使功能不断加强，并通过与其他模型耦合发挥其独特优势。

二、国内地下水系统数值模拟研究现状
1、近几年，随着新技术、新方法的广泛应用，我国该领域科学家也做了大量的工作，在建立地下水系统数值模拟模型中发现问题，在理论和方法上不断创新，通过数值模型理论与相关研究方向的理论结合，不断提高模拟结果的可靠性。

陈家军等指出在进行区域地下水位估值时线性漂移的泛克立格法即可取得很好的效
果。

卞锦宇等较好地解决了相对隔水层缺失区越流系数无法调试的问题。

王玮提出了用人工查点法、半自动查点法、数字化地形图提取法等获取数字高程模型(DEM)的方法，并给出了通过数字高程模型计算节点地面标高的方法。

卢文喜对地下水运动数值模拟中的边界条件进行了分析，提出在模型预报前要考虑自然因素、人类活动因素及邻区水流条件因素产生的耦合效应问题，先对边界条件进行预报。

武强等通过对地下水系统数值模拟的研究分析，抽象出空间类层次结构，并提出了基于属性关系的宏观拓扑结构和基于同构或异构几何模型关系的微观拓扑结构，用三维空间拾取技术提供了友好的人机交互环境。

张明江等采用“渗流管流耦合模型”、“入渗滞后补给法”和“参数迭代法”提高了模型的仿真性及对地下水资源评价的精度。

张祥伟等根据地质统计、逆问题理论和地下水运动理论提出了大区域地下水系统数值模拟的理论和方法。

廖华胜等指出平稳随机的假定不能真实反映空间小尺度变异性与大尺度非平稳性间的相互作用。

薛禹群等介绍
了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并将其应用于非均质多孔介质中的流动问题，通过计算结果的比较得出多尺度有限元法比传统有限元法有效的结论。

魏连伟等基于模拟退火算法(SA)这一全局优化技术，耦合地下水系统数值模拟的有限元模型，给出水文地质参数的反演方法。

综上所述，针对数值模拟过程中需要处理的地面标高、初始水位、边界条件、源汇项和水文地质参数等问题，可采取数字高程模型(DEM)及各种耦合模型，结合地球动力学、地质统计、逆问题理论和三维空间拾取技术等来提高模拟效果。

2、国内在运用地下水系统数值模拟软件以及地理信息系统的强大功能，并结合相邻学科的模型方面，也做了积极的探索。

陈锁忠等以GIS为主控模块，选择GMS和地面沉降模拟模型系统(compac)进行集成分析和设计。

陈劲松等分析了MODFLOW中不同求解方法对精度的影响，选用PCG2法或SIP法求解结果满足精度要求，而选用SSOR法获得结果无法满足精度要求。

高佩玲等采用系统分解合成方法，利用Develop Studio软件编制计算程序，得到了区域地下水系统水文地质参数，参数分布与水文地质勘察所得含水层结构特点及富水区分布基本相符。

杨旭等提出了基于GIS 的“点”、“线”、“面”的模型拟合技术路线，实现了基于GIS的地下水系统数值模拟模型的可视化拟合。

陈锁忠等研究基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散实现的技术路线，提出了基于GIS的孔隙水文地质层不规则六面体元的三维空间离散方法，具有较高的实用价值。

陈喜等揭示了独特沙丘地形和土壤特性对地下水补排量的影响，利用地下水系统数值模拟模型MODFLOW和非饱和带水平衡模型对处于半干旱半湿润沙丘地区(SandHills)的地下水位进行了模拟，效果很好。

罗毅通过对国际上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水动力学模型的融合、集成和功能扩展，研制出地表水、地下水耦合模型，改进了地下水接受土壤水补给的计算和浅层地下水蒸发的计算。

地下水系统数值模拟软件以其组件化、智能化、可视化和多样化受到普遍欢迎，GIS与地下水系统数值模拟模型的整
合具有整体化、自动化、可视化和实时性的优点，相关领域模型的耦合更使其有了广泛的发展空间，目前国内外对具体问题的处理方法具有很好的参考应用价值，大量的研究强化了地下水系统数值模拟方法的优势。

三、地下水系统数值模拟中存在的问题
随着计算机技术的飞速发展，国内外关于地下水系统数值模拟的研究有了长足的进步，但由于实际水文地质条件的复杂性，野外试验数据的缺乏，模拟技术的不合理运用，多学科交叉存在的难度等，发展中还存在一些问题：
1、各学科之间难以沟通，侧重的时间或空间尺度存在较大差异，地下水、地表状况、土壤、植被、气候变量和土地利用等都存在时空变异性，模型的耦合集成存在较大的难度。

该领域研究工作的深入越来越依赖于综合集成和跨学科协同攻关，发挥互补作用，可以解决各学科不同模型存在的一些缺陷，同时，该领域与其他学科合作建立的耦合模型有更好的实用价值，可以综合解决流域管理中存在的复杂问题，如地下水与地表水模型的耦合，陆面过程模拟、分布式水文模型模拟、基于遥感的生态模型与地下水系统数值模拟模型的耦合等。

只有模型之间有了充分的交互，对模型的评价才更合理。

同时需要指出，面对模型耦合的大问题，地下水系统数值模拟的其他方法也发挥着不可替代的作用。

2、地下水系统数值模拟模型的水文地质参数可以通过参数优化来调整，但参数调整的范围缺少准确的标准。

模型通过参数调整与实测值拟合较好，但应用到其他区域或年份时又会出现较大误差，说明对基本物理过程的描述还不够准确。

模型反演求参时，解的不唯一问题一直是水文地质数学模型数学基础薄弱的环节。

模型中参数的不确定性将导致计算的水头、流速的不确定性，从而影响到模拟结果的可靠性。

如何加强参数的研究，提高地下水系统数值模拟的精度仍是亟待解决的问题。

研究工作者仅仅通过模型参数调整提高参数精度是徒劳的，应加强模型参数的野外原位测定方法的改进、空间变异分析和新数学方法的运用，一个地区、一个流域或。