地下水数值计算与应用研究进展综述_王浩
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第 17 卷 第 6 期 2010 年 11 月
Earth S cien ce Fronti ers ( Chi na U ni versit y of G eosci ences( Bei jing) ; Peking U niversit y)
地 学前缘( 中国地质大学( 北京);北京大学)
ห้องสมุดไป่ตู้
V ol . 17 N o . 6 N ov . 2010
基金项目 : 国家重点基础研究发展计划“ 973” 项目( 2006C B403401) ; 国家自然科学基金项目( 50809076) ; 国家自然科学基金创新研究群体基 金项目( 50721006) 作者简介 : 王 浩( 1953 —) , 男 , 教授 , 中国工程院院士 , 博士生导师 , 水文水资源专业 。 E - mai l : w anghao @ i w hr . com
摘 要 : 地下水数值计算是 研究分析地下水各种问题的重要手段 。 文中对近年来地下水数值模拟计算相关方 法研究进展 、地下水数值模 拟工作程序的方法论 、地下水数值模拟的参数反演方 法 、国际流行的地下水数值模 型及软件平台 、目前国内地 下水数值模型的相关应用等几个方面 进行了综 述 , 力 图从相对全 面的角度 认识当 前地下水计算技术的发展 。 在回顾地下水以上研究进展的基础上 , 对现代信息技术在地下水数值计算技术中 的积极促进作用 、地下水更深入和复 杂规律的研究 、地下水 研究与其他 学科之间 的综合集成 和协同互 补等发 展趋势进行了探讨 , 为相关 研究人员提供一定的参考 。 关键词 : 地下水 ;数值计算 ; 研究现 状 ; 发展趋势 中图分类号 : P 641 .2 文献标志码 : A 文章编号 : 1005-2321( 2010) 06 0001-12
[ 3-5]
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 。 张祥伟等[ 20] 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 。 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 , 首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 的微观拓扑结构 。 林琳等 综合考虑区域饱和-非 饱和地下水分流动存在的运动尺度问题 , 提出一种 拟三维数学模型 , 简化饱和-非 饱和区域问题 的维 数 , 减少数值分析的计算工作量 , 以进行准确高效的 数值模拟 。 Neum an 等对二维地下水运动方程有限 元解法中的非稳定流问题进行了分析 , 推测了不合 理的时间步长有可能导致解的不稳定 。 针对 New [ 24] [ 23] [ 22] [ 21]
针对现有
地下水有限元解法比较复杂的问题 , 提出了有限元 解法的显式格式 , 但是对于此法的稳定性和收敛性 检验还需要深入进行 。 除了以地下水流为主的模拟研究 , 近年来伴生
王 浩 , 陆垂裕 , 秦大庸 , 等/
地学前缘 ( Ear th Science F ro ntiers) 2010 , 17 ( 6)
＊ 通讯作者简介 : 陆垂裕( 1976 —) , 男,
博士 , 高级工程师 , 水文水资源专业 。 E - mai l : cylu @iw hr . com
2
王 浩 , 陆 垂裕 , 秦大庸 , 等/
地学前缘 ( Earth Science F ro ntiers) 2010 , 17 ( 6)
China Inst it ute o f Water Resources & H ydro pow er Research , Bei j i ng 100044 , China
Wang Hao , Lu Chuiyu, Qin Dayong , et al .Advances in method and application of groundwater numerical simulation.Earth Science Frontiers , 2010 , 17( 6): 001-012 Abstract : N umerical simulatio n is an impo rtant too l to analy ze complicated g ro undwa te r pr oblems . T his ar ticle summarizes the advance s in gr oundwa te r research o n fiv e a spects , including g ro undwa ter simulatio n methodology , w o rking pr ocedure in doing g ro undw ater simulatio n , parametric inver sion in simula tion , gr oundw ater simulatio n model and sof tw are platfo rm and their cur rent applica tions in China .A t the end o f the ar ticle , a sho rt discussio n o f adv ance of g ro undwa te r numerical simulatio n in the future is made , which is abo ut facilitation to gr oundw ater re sear ch by co ntempo rary infor matio n techno lo gy , mo re complicated r ules and law s to be found and simulated in later g ro undw ater re search , and the sy nthesis integ ra tion and coo pe rative re search of g roundw ater w ith o ther discipline s .T he aim of the article is to o ffer some references to g ro undwater resea rche rs . Key words :g roundw ater ;numerical simulation ; current re sear ch status ; advance in the future
[ 32] [ 29] [ 26]
1 地下水数值模拟的理论和方法
1 . 1 地下水数值模拟计算方法进展 用来刻画饱和地下水流及饱和溶质在多孔介质 中运移过程的数值模型称为地下水数值模型 , 即通 过数值方法求解描述地下水各种状态的偏微分方程 定解问题 。 当前地下水系统数值模拟方法主要有有 限差分法 、 有限单元法 、边界元法和有限体积法等 , 其中有限差分法和有限单元法应用居多 , 其他方法 较少 。 经过几十年的发展 , 20 世纪 80 年代 末期地 下水数值模拟计算方法已经比较成熟 。 经过进一步 研究 , 近年来国内外不少学者提出了自己关于模型 计算和建模理念方面的新见解 。 薛禹群[ 7] 介绍了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
。 任何科学技术的发展总是与生产实践的要
求紧密联系 , 地下水计算技术正是随着人类对地下 水需求的不断增加而发展 。 作为对地下水运动定量 根据砂槽实验提出达西公式 , 自此以后 , 地下水计算 技术经历了稳定流 、非稳定流的解析研究阶段 、 物理 模拟方法阶段和计算机数值模拟阶段[ 6-7] 。 近几十 年来数值模拟技术取得了长足进步 , 不仅能够有效 解决地下水流问题 , 还能解决水质问题 、污染物 在地下水中的运移问题[ 10-11] 、淡-咸水分界面移动问 题[ 12] 、地下水热运移 及含水介质形变问题[ 13-15] 、地
3
地下水 流过 程 的 溶质 运 移[ 7] 、热 运 移[ 33] 、地 面 沉 降
[ 8-9]
认识的起始 , 1856 法国工 程师达西( Henry Darcy ) 系的宏观拓扑结构和基于同构或异构几何模型关系
下水最优管理问题等等 。 并且人们分析地下水问题 m an 等的推测 , Wo od 提出了二维地下水运动有 的能力有了突破性的提高[ 16-19] 。 理论上来说 , 对于 限元计算的时间步长条件 。 Ghassemi 等[ 25] 指出三 任意复杂的地下水问题 , 使用数值方法都能得出相 应精度的解 , 目前主要限制在于对实际地下水系统 海量基础信息获取的详细程度 。 本文的主要目的在 于总结与地下水数值计算相关的几个主要方面 , 包 括其理论和方法进展 、 模拟软件发展情况 、 在国内的 主要应用情况 、今后的发展趋势等 , 力图从相对全面 的角度认识当前地下水计算技术的发展 , 为地下水 相关研究人员提供一定的参考 。 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 。 Mazzia 等 提出一种特殊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 等[ 27] 指出数值模型还不能解决预报 的不确定性因素问题 , 并提出一种随机地下水模型 , 用以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题 。 Mehl 等[ 28] 提出二维局部网格细分法的有限差分地 下水模型 , 并提供 了新的插值和 误差分析的方法 。 王浩然等 综合有限元和边界元法两种 方法的优 势 , 提出了一种有限元和边界元耦合的方法 : 在需要 重点研究的地段采用有限单元法处理 , 而非重点研 究的外围地区则采用边界单元法 , 在保证一定精度 的情况下 , 能够有效减少模拟的计算工作量 。 张志 忠等[ 3 0] 针对河水和地下水转化问题 , 利用地表水文 学和水文地质学理论 , 提出了一种复杂的河水和地 下水流耦合模拟模型 , 并借此详细研究了黑河流域 下游水资源间的相互转化 。 潘世兵等[ 31] 提出了一 种基于河流越流系数的处理方法 , 能够适合河流切 割多个含水层系统的情况 。 李存法等
地下水数值计算与应用研究进展综述
王 浩, 陆垂裕
＊
, 秦大庸 , 桑学锋 , 李 扬, 肖伟华
中国水利水电科学研究院 , 北京 100044
Wang H ao , L u Chuiyu ＊ , Qi n Day ong , Sang Xuefeng , Li Yang , Xiao Weihua
问题 。 随着人类对自然改造能力的提高 , 规模越来 越大的人类影响正在使地下水资源在数量和质量上 不断减少和恶化 , 并引起其他方面的不良后果 , 促使 目前国内外对地下水研究的逐渐重视 。 地下水研究 的一项重要任务就是用各种理论和方法评估和预测 这些影响的规 模和速 度 , 以便 提出相 应的 治理 措 施
地下水是一种十分宝贵的资源 , 同时又是环境 的基本要素 , 当今世界所面临的“ 人口 、资源 、 环境” 三大问题都直接或间接地与地下水有关[ 1] , 尤其在 我国北方缺水地区 , 由于地表水资源不足或污染严
收稿日期 : 2010-08 -15 ; 修回日期 : 2010 - 10 -26
重 , 地下水的开采利用在用水结构中占有越来越大 的比例[ 2] 。 对地下水的研究不仅关系到正确评价水 资源 、 合理布置取水工程的问题 , 还关系到如何充分 利用水资源又不至于引起水资源枯竭 、 水质恶化的
Earth S cien ce Fronti ers ( Chi na U ni versit y of G eosci ences( Bei jing) ; Peking U niversit y)
地 学前缘( 中国地质大学( 北京);北京大学)
ห้องสมุดไป่ตู้
V ol . 17 N o . 6 N ov . 2010
基金项目 : 国家重点基础研究发展计划“ 973” 项目( 2006C B403401) ; 国家自然科学基金项目( 50809076) ; 国家自然科学基金创新研究群体基 金项目( 50721006) 作者简介 : 王 浩( 1953 —) , 男 , 教授 , 中国工程院院士 , 博士生导师 , 水文水资源专业 。 E - mai l : w anghao @ i w hr . com
摘 要 : 地下水数值计算是 研究分析地下水各种问题的重要手段 。 文中对近年来地下水数值模拟计算相关方 法研究进展 、地下水数值模 拟工作程序的方法论 、地下水数值模拟的参数反演方 法 、国际流行的地下水数值模 型及软件平台 、目前国内地 下水数值模型的相关应用等几个方面 进行了综 述 , 力 图从相对全 面的角度 认识当 前地下水计算技术的发展 。 在回顾地下水以上研究进展的基础上 , 对现代信息技术在地下水数值计算技术中 的积极促进作用 、地下水更深入和复 杂规律的研究 、地下水 研究与其他 学科之间 的综合集成 和协同互 补等发 展趋势进行了探讨 , 为相关 研究人员提供一定的参考 。 关键词 : 地下水 ;数值计算 ; 研究现 状 ; 发展趋势 中图分类号 : P 641 .2 文献标志码 : A 文章编号 : 1005-2321( 2010) 06 0001-12
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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 。 张祥伟等[ 20] 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 。 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 , 首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 的微观拓扑结构 。 林琳等 综合考虑区域饱和-非 饱和地下水分流动存在的运动尺度问题 , 提出一种 拟三维数学模型 , 简化饱和-非 饱和区域问题 的维 数 , 减少数值分析的计算工作量 , 以进行准确高效的 数值模拟 。 Neum an 等对二维地下水运动方程有限 元解法中的非稳定流问题进行了分析 , 推测了不合 理的时间步长有可能导致解的不稳定 。 针对 New [ 24] [ 23] [ 22] [ 21]
针对现有
地下水有限元解法比较复杂的问题 , 提出了有限元 解法的显式格式 , 但是对于此法的稳定性和收敛性 检验还需要深入进行 。 除了以地下水流为主的模拟研究 , 近年来伴生
王 浩 , 陆垂裕 , 秦大庸 , 等/
地学前缘 ( Ear th Science F ro ntiers) 2010 , 17 ( 6)
＊ 通讯作者简介 : 陆垂裕( 1976 —) , 男,
博士 , 高级工程师 , 水文水资源专业 。 E - mai l : cylu @iw hr . com
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王 浩 , 陆 垂裕 , 秦大庸 , 等/
地学前缘 ( Earth Science F ro ntiers) 2010 , 17 ( 6)
China Inst it ute o f Water Resources & H ydro pow er Research , Bei j i ng 100044 , China
Wang Hao , Lu Chuiyu, Qin Dayong , et al .Advances in method and application of groundwater numerical simulation.Earth Science Frontiers , 2010 , 17( 6): 001-012 Abstract : N umerical simulatio n is an impo rtant too l to analy ze complicated g ro undwa te r pr oblems . T his ar ticle summarizes the advance s in gr oundwa te r research o n fiv e a spects , including g ro undwa ter simulatio n methodology , w o rking pr ocedure in doing g ro undw ater simulatio n , parametric inver sion in simula tion , gr oundw ater simulatio n model and sof tw are platfo rm and their cur rent applica tions in China .A t the end o f the ar ticle , a sho rt discussio n o f adv ance of g ro undwa te r numerical simulatio n in the future is made , which is abo ut facilitation to gr oundw ater re sear ch by co ntempo rary infor matio n techno lo gy , mo re complicated r ules and law s to be found and simulated in later g ro undw ater re search , and the sy nthesis integ ra tion and coo pe rative re search of g roundw ater w ith o ther discipline s .T he aim of the article is to o ffer some references to g ro undwater resea rche rs . Key words :g roundw ater ;numerical simulation ; current re sear ch status ; advance in the future
[ 32] [ 29] [ 26]
1 地下水数值模拟的理论和方法
1 . 1 地下水数值模拟计算方法进展 用来刻画饱和地下水流及饱和溶质在多孔介质 中运移过程的数值模型称为地下水数值模型 , 即通 过数值方法求解描述地下水各种状态的偏微分方程 定解问题 。 当前地下水系统数值模拟方法主要有有 限差分法 、 有限单元法 、边界元法和有限体积法等 , 其中有限差分法和有限单元法应用居多 , 其他方法 较少 。 经过几十年的发展 , 20 世纪 80 年代 末期地 下水数值模拟计算方法已经比较成熟 。 经过进一步 研究 , 近年来国内外不少学者提出了自己关于模型 计算和建模理念方面的新见解 。 薛禹群[ 7] 介绍了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
。 任何科学技术的发展总是与生产实践的要
求紧密联系 , 地下水计算技术正是随着人类对地下 水需求的不断增加而发展 。 作为对地下水运动定量 根据砂槽实验提出达西公式 , 自此以后 , 地下水计算 技术经历了稳定流 、非稳定流的解析研究阶段 、 物理 模拟方法阶段和计算机数值模拟阶段[ 6-7] 。 近几十 年来数值模拟技术取得了长足进步 , 不仅能够有效 解决地下水流问题 , 还能解决水质问题 、污染物 在地下水中的运移问题[ 10-11] 、淡-咸水分界面移动问 题[ 12] 、地下水热运移 及含水介质形变问题[ 13-15] 、地
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地下水 流过 程 的 溶质 运 移[ 7] 、热 运 移[ 33] 、地 面 沉 降
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认识的起始 , 1856 法国工 程师达西( Henry Darcy ) 系的宏观拓扑结构和基于同构或异构几何模型关系
下水最优管理问题等等 。 并且人们分析地下水问题 m an 等的推测 , Wo od 提出了二维地下水运动有 的能力有了突破性的提高[ 16-19] 。 理论上来说 , 对于 限元计算的时间步长条件 。 Ghassemi 等[ 25] 指出三 任意复杂的地下水问题 , 使用数值方法都能得出相 应精度的解 , 目前主要限制在于对实际地下水系统 海量基础信息获取的详细程度 。 本文的主要目的在 于总结与地下水数值计算相关的几个主要方面 , 包 括其理论和方法进展 、 模拟软件发展情况 、 在国内的 主要应用情况 、今后的发展趋势等 , 力图从相对全面 的角度认识当前地下水计算技术的发展 , 为地下水 相关研究人员提供一定的参考 。 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 。 Mazzia 等 提出一种特殊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 等[ 27] 指出数值模型还不能解决预报 的不确定性因素问题 , 并提出一种随机地下水模型 , 用以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题 。 Mehl 等[ 28] 提出二维局部网格细分法的有限差分地 下水模型 , 并提供 了新的插值和 误差分析的方法 。 王浩然等 综合有限元和边界元法两种 方法的优 势 , 提出了一种有限元和边界元耦合的方法 : 在需要 重点研究的地段采用有限单元法处理 , 而非重点研 究的外围地区则采用边界单元法 , 在保证一定精度 的情况下 , 能够有效减少模拟的计算工作量 。 张志 忠等[ 3 0] 针对河水和地下水转化问题 , 利用地表水文 学和水文地质学理论 , 提出了一种复杂的河水和地 下水流耦合模拟模型 , 并借此详细研究了黑河流域 下游水资源间的相互转化 。 潘世兵等[ 31] 提出了一 种基于河流越流系数的处理方法 , 能够适合河流切 割多个含水层系统的情况 。 李存法等
地下水数值计算与应用研究进展综述
王 浩, 陆垂裕
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, 秦大庸 , 桑学锋 , 李 扬, 肖伟华
中国水利水电科学研究院 , 北京 100044
Wang H ao , L u Chuiyu ＊ , Qi n Day ong , Sang Xuefeng , Li Yang , Xiao Weihua
问题 。 随着人类对自然改造能力的提高 , 规模越来 越大的人类影响正在使地下水资源在数量和质量上 不断减少和恶化 , 并引起其他方面的不良后果 , 促使 目前国内外对地下水研究的逐渐重视 。 地下水研究 的一项重要任务就是用各种理论和方法评估和预测 这些影响的规 模和速 度 , 以便 提出相 应的 治理 措 施
地下水是一种十分宝贵的资源 , 同时又是环境 的基本要素 , 当今世界所面临的“ 人口 、资源 、 环境” 三大问题都直接或间接地与地下水有关[ 1] , 尤其在 我国北方缺水地区 , 由于地表水资源不足或污染严
收稿日期 : 2010-08 -15 ; 修回日期 : 2010 - 10 -26
重 , 地下水的开采利用在用水结构中占有越来越大 的比例[ 2] 。 对地下水的研究不仅关系到正确评价水 资源 、 合理布置取水工程的问题 , 还关系到如何充分 利用水资源又不至于引起水资源枯竭 、 水质恶化的