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地下水数值模拟研究现状及实践进展

来源：花匠小妙招时间：2025-10-30 02:57

崔程

成都市河道监管事务中心四川省成都市 610011

摘要：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。所以实行对地下水的研究十分重要，地下水数值模拟技术已经成为研究地下水水质水量问题、提供水资源，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。

关键词：地下水;数值计算;研究现状；发展趋势

0引言

地下水数值模拟,是指基于计算机技术利用数值地下水数值模拟,是指基于计算机技术利用数值方法,获得地下水流及地下水溶质运移耦合方程组的近似解的过程,以求得物理化学生物等因素的交互影响下,地下水流的时空分布情况及地下水中溶质在地下水中的运动过程及结果。

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。

1∙2 地下水数值模拟的参数反演方法

模型的参数反演也就是解逆问题即根据试验或实际检测到的地下水状态（流量、水位、地下水化学组分的浓度、温度等）作为模拟的目标以水文地质参数或其他不确定要素作为未知量进行求解。逆问题的复杂性在于不适定性问题即解的不唯一性和不稳定性例如微小的水头差异会引起参数计算的巨大误差。地下水参数反演的方法很多Neu man最先把反演方法分为两类：一类是直接法即通过已知的流场分布及其随空间坐标的导数把地下水控制方程逆变为以待识别参数为未知变量的一阶偏微分方程并结合边界条件进行求解；第二类是间接法实际上是试算法即先假定水文地质参数初值对地下水控制方程进行求解得到模拟的水位再通过实测结果与模拟结果的对比不断修正水文地质参数直到满足要求为止。

2、地下水模拟软件概述

国际上比较盛行的地下水模拟软件有GMS、FEFLOW、Visual MODEFLOW、Visual Groundwater、MIKE SHE、MT3DMS、TOUGH2等。地下水模型是模拟软件的核心，即软件的主要模拟功能依赖于模型或模型耦合，目前MODFLOW、MT3D、PEST、MODPATH、UCODE 等模型已经被国际上很多专业机构和研究学者使用，并运用到具体的地下水模拟软件中，为解决不同水文地质条件提供模型参考。

地下水模拟软件的主要求解方法包括解析法、数值法和物理模拟法。然而绝大部分数学模型是无法用解析法求解的，数值法是目前求解模型所用的主要方法。常用的数值法主要有有限差分法、有限单元法、积分有限差分法、半解析半数值法和边界元法，地下水数值模型中常采用有限差分法和有限单元法。上述两种方法的共同特点均是将定解问题转化成简单的代数问题，求出有限点上不同时刻的数值解。

3、国内外地下水数值模型的应用

（1）地下水位预测。王晓梅等以苏锡常整个大区域为研究区建立统一的主采层地下水流模拟模型并利用校正过的模型对该地区禁采后地下水水位恢复情况进行了预测为解决苏

锡常地区因量开采引起的环境地质问题提供了数据支持；王贵玲等结合河北省栾城县农业节水措施的实施采用FEFlow软件和有限差分方法进行了农业节水措施的实施对地下水影响的模型研究研究表明采取综合农业节水措施后缓解地下水位下降效果明显；韩瑞光等建立了海河流域平原区浅层地下水模型并结合开采方案利用率定后的模型计算海河流域地下水位变化；任洪雨等利用地下水数值模型对河南省商丘经济开发区进行模拟进行了允许开采量计算并预测了该地区未来20年地下水位变化。

（2）地下水资源开发利用规划。陈建卓等在河北省冀北高原区建立地下水模型以地下水资源开发现状为基础对地下水开采现状和未来机井抽取地下水产生的影响进行了预测指导和规划了未来农业节水灌溉工程发展规模和位置并根据项目区地下水下降幅度的允许范围指出地下水开采潜力区、限制区、限采区；李宜花针对青海省香日德巴隆开发区在引用香日德河河水进行农业灌溉的过程中地下水埋深较浅易引起土壤次生盐碱化的问题利用地下水模型对地表水与地下水的转换、平衡关系进行分析提出了水资源的统一开发利用的比选方案；骆祖江等建立了盐城市地下水资源规划。

4、展望

（1）对地下水更复杂规律和机制的研究。目前多数地下水数值模型原理都基于达西定律和质量守恒定律适合于模拟地下水层流和连续介质的情况。20世纪末以来随着研究的深入一些新的地下水问题逐渐引起人们的重视。裂隙岩石中水流问题、水文地质参数的尺度效应问题、溶岩地区大孔隙流问题、多重介质问题如孔隙-裂隙流、多重过程耦合问题如水流-热扩散、水流-应力变化、多相流动问题如水-油、水-气等等均需要新的数值模拟方法目前已经成为全球水文地质学家的研究热点和新的突破方向。

（2）与其他学科交叉。地下水循环过程作为地球水循环中的重要一环存在着与其他循环过程之间的密切联系地表、土壤、植被、土地利用、气候、人类活动等都对地下水的运动规律存在直接或间接的影响。研究复杂下垫面和强人工干扰条件下地下水系统与土壤水系统、地表水系统之间的水分循环转化机制发展以地下水系统水循环评估预测为主体耦合与地下水循环系统密切相关的多圈层边界综合模拟预测技术对丰富现代地下水研究的基础理论和模型方法具有重要意义和实践需求。

参考文献：

[1]屈永清，陈建信，任书影．我国地下水污染现状与防治对策［J］．西部资源,2016(4):125－126．

[2]王凤瑞，王玉智．沧州市地下水污染现状分析及防治对策探析［J］．地下水，2017，39(1):59－61．

[3]刘姝媛，王红旗．某水源地地下水中石油烃分布特征研究［J］．环境科学与技术，2016，39(S2):418－421．

[4]雷洁宇，莫辉艳，潘晓雯，等．常用地下水模拟软件的特点及在我国的应用［J］．南方农机，2017(14):15－116．

[5]李广来，倪艳芳，孙宏亮等典型案例地下水污染模拟预测评估［J］．环境科学与管理，2017，42(7):16－18．