地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（DOC 6頁）

1、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 天馬行空官方博客： ;qq:1318241189目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法主要有有限差分法(fdm)、有限單元法(fem)、邊界元法(bem)和有限分析法(fam)等。20世紀(jì)60年代中期以來，隨著快速大容量電子計算機的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，數(shù)值計算方法在地下水資源分析評價中得到逐步推廣，具有明顯的通用性和廣泛的適用性。尤其近十幾年，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬取得了長足進(jìn)步。一、國外地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀目前，國外該領(lǐng)域的研究主要針對數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統(tǒng)中大量的不確定性和模糊因素。

2、1、該領(lǐng)域科學(xué)家在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的工作程序、步驟方面達(dá)成了一致，強調(diào)對水文地質(zhì)條件合理概化的重要性，并深入探討尺度轉(zhuǎn)換問題和量化不確定因素問題。根據(jù)anderson等提出的工作程序，要建立一個正確且有意義的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，應(yīng)進(jìn)行以下工作：確定模型目標(biāo)，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，模型設(shè)計及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗證和預(yù)報，預(yù)報靈敏度分析，模型設(shè)計與模型結(jié)果的給出，模型后續(xù)檢查以及模型的再設(shè)計。ewing提出地下水污染流模擬和建模需要強調(diào)3個方面的問題：有效地模擬復(fù)雜的流體之間以及流體與巖石之間的相互作用； 必須發(fā)展準(zhǔn)確的離散技術(shù)，保留模型重要的物理特性；發(fā)揮計

3、算機技術(shù)體系的潛力，提供有效的數(shù)值求解算法。針對newman等的推測，wood提出了二維地下水運動有限元計算的時間步長條件。kim等對抽取地下水造成的noordbergum effect (reverse water level fluctuation)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，闡述了其機理性原因。scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其運移行為。ghassemi指出三維模型可以詳細(xì)說明含水層系統(tǒng)的三維邊界條件以及抽水應(yīng)力情況，而二維模型就不能恰當(dāng)處理。porter等指出dfm (data fusion modeling)可以量化各種各樣的水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的數(shù)據(jù)及模型的不確定性，可以

4、用于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)整合和模型校準(zhǔn)。mazzia等提出特別的數(shù)值方法用于求解重鹽地下水運移模擬的二維非線性動力學(xué)控制方程，效果很好。li shu-guang等指出數(shù)值模型還不能解決預(yù)報的不確定性因素問題，并開創(chuàng)性地提出一種隨機地下水模型，可以解決均值分布和小尺度過程的不同尺度問題。mehl等提出二維局部網(wǎng)格細(xì)分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和錯誤分析的方法。模擬結(jié)果的可靠性得到了提高。2、國外開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，以其模塊化、可視化、交互性、求解方法多樣化等特點得到廣泛的使用，尤其modflow，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計，modflow幾乎占地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬

5、軟件總應(yīng)用次數(shù)的一半，這些年其功能更是不斷完善。地理信息系統(tǒng)(gis)與地下水模型的整合強化了數(shù)據(jù)的輸入、傳遞、方案調(diào)整和空間分析等。遙感(rs)提供了判斷地質(zhì)邊界、地貌單元和估算地表蒸發(fā)等的工具。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更擴(kuò)展了其發(fā)展空間，可以解決更多的實際問題。juan等運用arc/info和modflow模擬了美國jackson hole地區(qū)的沖積含水層，并通過補給、排泄和水均衡的評估對模型進(jìn)行了合理的校準(zhǔn)。winston專門介紹了許多modflow相關(guān)的免費和共享的網(wǎng)絡(luò)資源，為人們學(xué)習(xí)和應(yīng)用該軟件提供了方便。olsthoorn指出基于有限差分法的modflow與基于解

6、析元法的mlaem模型都各有優(yōu)勢，modflow的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于實現(xiàn)與gis的整合。harrington等運用cmc(compartmental mixing-cell)和modflow模擬區(qū)域地下水系統(tǒng)的水化學(xué)和同位素變化情況，并強調(diào)了做細(xì)致準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)流分析對于瞬時流分析的重要性。brodie使用rdbms(a relational database management system)存儲鉆孔資料，設(shè)計gis管理空間數(shù)據(jù)資料，有很好的推廣價值。ataie-ashtiani 等運用基于有限元的二維數(shù)值模型sutra模擬含水層邊界條件周期性變化的地下水流，對基本方程和模型進(jìn)行相應(yīng)的修改，得到了

7、很好的模擬結(jié)果。wingle介紹了uncert模型，該模型可用于地下水流和污染物運移模擬，得到相關(guān)行業(yè)研究人員的一致認(rèn)可并廣泛使用。ramireddygari等通過對potyldr地表水模型與modflow地下水模型的修改并增強，用于模擬wetwalnut creek流域。osman等使用改進(jìn)的modflow代碼和mobflow模型，模擬得出地下水滲流和含水層情況，與用swms-2d所做結(jié)果吻合很好。samani等指出軸對稱井流是地下水力學(xué)非常重要的課題，新出版的modflow 2000加入了精確模擬軸對稱井流的標(biāo)定方法，提高了模擬的仿真性。dahan等提出多變量混和單元模型描述水化學(xué)過程，m

8、odflow模擬水文地質(zhì)情況，兩種方法的結(jié)合不但可以模擬水頭變化，而且可以模擬反映地球化學(xué)特征的地下水流線。facchi等建立滲流地帶模擬與基于modflow的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬耦合模型，用gis來控制空間分布式參數(shù)以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評估作物水分消耗值在時間和空間上的分布情況。研究人員廣泛應(yīng)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件和3s技術(shù)，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，使功能不斷加強，并通過與其他模型耦合發(fā)揮其獨特優(yōu)勢。二、國內(nèi)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀1、近幾年，隨著新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，我國該領(lǐng)域科學(xué)家也做了大量的工作，在建立地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型中發(fā)現(xiàn)問題，在理論和方法上不斷創(chuàng)新，通

9、過數(shù)值模型理論與相關(guān)研究方向的理論結(jié)合，不斷提高模擬結(jié)果的可靠性。陳家軍等指出在進(jìn)行區(qū)域地下水位估值時線性漂移的泛克立格法即可取得很好的效果。卞錦宇等較好地解決了相對隔水層缺失區(qū)越流系數(shù)無法調(diào)試的問題。王瑋提出了用人工查點法、半自動查點法、數(shù)字化地形圖提取法等獲取數(shù)字高程模型(dem)的方法，并給出了通過數(shù)字高程模型計算節(jié)點地面標(biāo)高的方法。盧文喜對地下水運動數(shù)值模擬中的邊界條件進(jìn)行了分析，提出在模型預(yù)報前要考慮自然因素、人類活動因素及鄰區(qū)水流條件因素產(chǎn)生的耦合效應(yīng)問題，先對邊界條件進(jìn)行預(yù)報。武強等通過對地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究分析，抽象出空間類層次結(jié)構(gòu)，并提出了基于屬性關(guān)系的宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于

10、同構(gòu)或異構(gòu)幾何模型關(guān)系的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用三維空間拾取技術(shù)提供了友好的人機交互環(huán)境。張明江等采用“滲流管流耦合模型”、“入滲滯后補給法”和“參數(shù)迭代法”提高了模型的仿真性及對地下水資源評價的精度。張祥偉等根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計、逆問題理論和地下水運動理論提出了大區(qū)域地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的理論和方法。廖華勝等指出平穩(wěn)隨機的假定不能真實反映空間小尺度變異性與大尺度非平穩(wěn)性間的相互作用。薛禹群等介紹了ms-fem(多尺度有限元法)的基本原理，并將其應(yīng)用于非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的流動問題，通過計算結(jié)果的比較得出多尺度有限元法比傳統(tǒng)有限元法有效的結(jié)論。魏連偉等基于模擬退火算法(sa)這一全局優(yōu)化技術(shù)，耦合地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬

11、的有限元模型，給出水文地質(zhì)參數(shù)的反演方法。綜上所述，針對數(shù)值模擬過程中需要處理的地面標(biāo)高、初始水位、邊界條件、源匯項和水文地質(zhì)參數(shù)等問題，可采取數(shù)字高程模型(dem)及各種耦合模型，結(jié)合地球動力學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計、逆問題理論和三維空間拾取技術(shù)等來提高模擬效果。2、國內(nèi)在運用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以及地理信息系統(tǒng)的強大功能，并結(jié)合相鄰學(xué)科的模型方面，也做了積極的探索。陳鎖忠等以gis為主控模塊，選擇gms和地面沉降模擬模型系統(tǒng)(compac)進(jìn)行集成分析和設(shè)計。陳勁松等分析了modflow中不同求解方法對精度的影響，選用pcg2法或sip法求解結(jié)果滿足精度要求，而選用ssor法獲得結(jié)果無法滿足精度要求

12、。高佩玲等采用系統(tǒng)分解合成方法，利用develop studio軟件編制計算程序，得到了區(qū)域地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)分布與水文地質(zhì)勘察所得含水層結(jié)構(gòu)特點及富水區(qū)分布基本相符。楊旭等提出了基于gis 的“點”、“線”、“面”的模型擬合技術(shù)路線，實現(xiàn)了基于gis的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的可視化擬合。陳鎖忠等研究基于gis的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散實現(xiàn)的技術(shù)路線，提出了基于gis的孔隙水文地質(zhì)層不規(guī)則六面體元的三維空間離散方法，具有較高的實用價值。陳喜等揭示了獨特沙丘地形和土壤特性對地下水補排量的影響，利用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型modflow和非飽和帶水平衡模型對處于半干旱半濕潤沙丘地區(qū) (s

13、andhills)的地下水位進(jìn)行了模擬，效果很好。羅毅通過對國際上著名的ceres(wheat，maize)作物模型、swat分布式水文模型、modflow地下水動力學(xué)模型的融合、集成和功能擴(kuò)展，研制出地表水、地下水耦合模型，改進(jìn)了地下水接受土壤水補給的計算和淺層地下水蒸發(fā)的計算。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以其組件化、智能化、可視化和多樣化受到普遍歡迎，gis與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的整合具有整體化、自動化、可視化和實時性的優(yōu)點，相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更使其有了廣泛的發(fā)展空間，目前國內(nèi)外對具體問題的處理方法具有很好的參考應(yīng)用價值，大量的研究強化了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢。三、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中存

14、在的問題隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究有了長足的進(jìn)步，但由于實際水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，野外試驗數(shù)據(jù)的缺乏，模擬技術(shù)的不合理運用，多學(xué)科交叉存在的難度等，發(fā)展中還存在一些問題：1、各學(xué)科之間難以溝通，側(cè)重的時間或空間尺度存在較大差異，地下水、地表狀況、土壤、植被、氣候變量和土地利用等都存在時空變異性，模型的耦合集成存在較大的難度。該領(lǐng)域研究工作的深入越來越依賴于綜合集成和跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮互補作用，可以解決各學(xué)科不同模型存在的一些缺陷，同時，該領(lǐng)域與其他學(xué)科合作建立的耦合模型有更好的實用價值，可以綜合解決流域管理中存在的復(fù)雜問題，如地下水與地表水模型的耦合，陸面過

15、程模擬、分布式水文模型模擬、基于遙感的生態(tài)模型與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的耦合等。只有模型之間有了充分的交互，對模型的評價才更合理。同時需要指出，面對模型耦合的大問題，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的其他方法也發(fā)揮著不可替代的作用。2、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的水文地質(zhì)參數(shù)可以通過參數(shù)優(yōu)化來調(diào)整，但參數(shù)調(diào)整的范圍缺少準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。模型通過參數(shù)調(diào)整與實測值擬合較好，但應(yīng)用到其他區(qū)域或年份時又會出現(xiàn)較大誤差，說明對基本物理過程的描述還不夠準(zhǔn)確。模型反演求參時，解的不唯一問題一直是水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的環(huán)節(jié)。模型中參數(shù)的不確定性將導(dǎo)致計算的水頭、流速的不確定性，從而影響到模擬結(jié)果的可靠性。如何加強參數(shù)的研究，

16、提高地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的精度仍是亟待解決的問題。研究工作者僅僅通過模型參數(shù)調(diào)整提高參數(shù)精度是徒勞的，應(yīng)加強模型參數(shù)的野外原位測定方法的改進(jìn)、空間變異分析和新數(shù)學(xué)方法的運用，一個地區(qū)、一個流域或一個水文地質(zhì)單元，應(yīng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這個參數(shù)應(yīng)有一定的代表性，應(yīng)加強標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)集的制備，這樣可以輕松地進(jìn)行檢查、評價和修改。3、隨著計算機的廣泛應(yīng)用，計算機軟件實現(xiàn)了對大量水文地質(zhì)學(xué)及地下水動力學(xué)問題的模擬，其計算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們獲取數(shù)值模型所需野外資料的能力，勘探技術(shù)水平需要提高。在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中，對水文地質(zhì)條件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外試驗數(shù)據(jù)和資料，包括地質(zhì)

17、結(jié)構(gòu)、含水層參數(shù)、各類均衡項隨時空變化的數(shù)據(jù)和資料，而這些資料的獲取是建立數(shù)值模型最困難的工作，需要耗費大量人力、財力和物力，同時國內(nèi)缺乏三維水頭和溶質(zhì)濃度等資料，因此三維數(shù)值模擬的工作受到限制。長期持續(xù)的三維觀測數(shù)據(jù)的獲取及具有更高實際價值的三維模型的建立是值得重視的工作。另外，在應(yīng)用外國先進(jìn)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件的同時，要加快研發(fā)有我國自主產(chǎn)權(quán)的通用軟件。4、根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在解決地下水不合理利用造成的問題，尤其是日益嚴(yán)重的西部環(huán)境和生態(tài)問題方面，急需該領(lǐng)域科學(xué)家深入研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動力學(xué)特征，提供決策依據(jù)。重點研究荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運動規(guī)律，特別是淺層地

18、下水變化的地表生態(tài)效應(yīng)及深層地下水賦存規(guī)律，為荒漠、巖溶地區(qū)淺層地下水合理利用提供新的途徑。西部不同水文地質(zhì)單元(尤其是干旱區(qū)和巖溶山區(qū))地下水流系統(tǒng)具有什么樣的特征? 地下深層水循環(huán)與淺層水循環(huán)之間的關(guān)系是什么? 淺層地下水開發(fā)對地表生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生什么影響？如何運用地下水溶質(zhì)運移模型分析邊界條件的變化、水化學(xué)作用和地球化學(xué)環(huán)境的演變情況? 如何從數(shù)值法的角度評價并預(yù)測地下水的水質(zhì)? 量化氣候、土地利用和人類活動對地下水有何影響? 如何實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用? 對這些問題的回答具有重要的理論和實際意義。同時，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬是依據(jù)對地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬模型的數(shù)值離散解法，并不能代表整個地下

19、水系統(tǒng)研究，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法本身也存在問題，如裂隙介質(zhì)巖溶介質(zhì)中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，地下水水質(zhì)模擬的可靠性問題有待深入分析，所以地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結(jié)合應(yīng)用具有更大的價值。四、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究展望隨著地下水資源需求的增加，與地下水有關(guān)問題的范圍和復(fù)雜性也隨之增大。農(nóng)業(yè)活動區(qū)和城市的人類活動對區(qū)域地下水水位、水質(zhì)的影響日益突出。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬可以量化地下水的動態(tài)變化與人類活動的關(guān)系，可以比較不同開采方案并預(yù)報開采對環(huán)境帶來的影響，以便人們了解采取什么行動來保證含水層的可持續(xù)利用，維持合適的生態(tài)水位。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型在國家制定區(qū)域水政策和方針中將發(fā)揮越來越重要的作用。近年來，隨著計算機的發(fā)展和gis技術(shù)的進(jìn)步，帶來了科學(xué)決策和管理信息的新方法，有利于水文水資源工作者了解地下水在時間和空間上的變化情況，并提供良好的數(shù)據(jù)維護(hù)、更新和分析功能，有了完備的數(shù)據(jù)做支持，一方面可以提高模擬的仿真性，另一方面又可大大減輕處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工作負(fù)擔(dān)。