我国地下水预测与管理系统

地下水数值模拟简介

　　地下水数值模拟是各种数值方法在水文地质计算中的应用，是目前定量研究地下水水资源量的重要手段。20世纪60年代以来，随着计算机技术的迅速发展，数值方法作为一种求解近似解的方法被广泛用于地下水水位预报和资源评价中。数值方法是采用离散化的方法来求解数学模型，从而得到研究区域内有限个离散点上的未知函数值。离散化的方法是将研究区域划分成为若干个较小的子区域或称为单元，即化整为零，这些单元的集合体代表的研究区域，即又积零为整。虽然所得解为数值解(即是数值的集合，是数学模型的近似解)，但是只要将单元大小和时段长短划分得当，即对空间步长和时间步长取值合适，计算所得的数值解便可较好的逼近实际情况而满足计算精度的要求。由于数值方法可以较好的反映复杂条件下的地下水流状态，具有较高的仿真度，因此在理论和实际应用方面都得到了较快的发展。

　　数值法求解地下水流数学模型的基本步骤如下：

　　(1)将研究区域按照某种规则进行剖分或称离散化。剖分的原则和剖分后形成的子区域形状取决于所采用的数值方法，从而将研究区域划分为若干个子区域单元。对于非稳定流问题，尚需将计算时间也进行离散化，即将计算时间离散为若干个时段。
　　(2)将每个小单元作为地下水的小均衡域，并定义特征点上的各种物理量。
　　(3)建立某一个时段内结点之间制约各种物理量的关系式，关系式一般表达为代数方程。
　　(4)利用初始条件和边界条件(即初边值问题)，建立在某一个划分时段内边界结点与内部结点的关系式。
　　(5)求解上述(3)、(4)所构成的代数方程组，就可求得某一计算时刻，研究区域上各离散点的水位H值，其集合{H}即是渗流区域上某一时刻地下水水位H的近似解，单元剖分的越小，{H}的仿真度就越高。
　　(6)重复(3)～(5)，可计算下一时刻的水头{H}集合值。
　　由于建立代数方程组的方法不同，也就产生了各种不同的离散化方法，即不同的数值方法。目前，地下水流计算常用的数值方法有有限差分法（FDM）、有限单元法（FEM）、边界元法（BEM）、有限分析法（FAM）等。

　　国内外研究进展

　　1、国外地下水数值模拟研究进展

　　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。
　　（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，尤其是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。

　　2、国内地下水数值模拟研究进展

　　我国自1973年以来在地下水的数值模拟方面发展很快，它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。高校、科研院所与生产部门相结合，已运用数值模拟解决了很多国民经济建设中急需解决的各类问题，其中包括水资源评价问题；地下水污染问题，水岩作用和生物降解作用的模拟；非饱和带水分和盐分运移问题；海水入侵、高浓度咸水/卤水入侵问题；热量运移和含水层贮能问题；地下水管理与合理开发、井渠合理布局和渠道渗漏问题； 地下水-地表水联合评价调度问题；地面沉降问题； 参数的确定问题。所建立的模型囊括了包括识别模型、预报模型以及管理模型等在内所有的地下水模型类型。

　　近几年，随着新技术、新方法的广泛应用，我国水文地质工作者能够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；并且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。

　　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、地下水系统随机模拟研究滞后

　　近二十年来随机理论迅速地应用于地下水中污染物运移模拟等领域的研究，并取得了一批突破性的成果，从而改变了人们对化学物质在地下水中运移、弥散的传统认识。这项研究很大程度上是从研究含水介质的非均质性及其尺度效应开始的。而在我国，无论是非均质性研究，还是随机理论的应用与相应模型的建立，基本上还都是空白。

　　2、勘探技术水平不高，难以满足飞速发展的计算机数值模拟需求

　　随着计算机的广泛应用，计算机软件实现了对大量水文地质学及地下水动力学问题的模拟，其计算能力远远超过人们获取数值模型所需野外资料的能力，勘探技术水平需要提高。在地下水系统数值模拟中，对水文地质条件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外试验数据和资料，包括地质结构、含水层参数、各类均衡项随时空变化的数据和资料，而这些资料的获取是建立数值模型最困难的工作，需要耗费大量人力、财力和物力。

      3、重模型，轻地质条件、轻基础理论研究现象严重。

　　基础理论的实验研究重视不够，近年来又出现了轻视具体地质条件研究，过多依赖模拟技术的苗头。建立模型不重视地质条件的调查、研究，不能正确地建立反映当地具体条件的概念模型，或者不是根据具体地质、水文地质条件来建立模型，而是削足就履。更有甚者，既不尊重事实，也不尊重科学，甚至弄虚作假，为了获取“理想”的拟合效果，在实测数据和模拟结果的选用上大作文章，任意剔除不“理想”的数据和结果。

　　4、模型后期维护不足

　　我国自1973 年以来在地下水的数值模拟方面发展很快，它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门，几乎每个与地下水有关的项目都会涉及的数值模拟的问题。这样的结果往往是不同的部门在同一研究区各自建立各自的模型，模型建完后便了事，重模型建设，而轻后期维护。下次需要时，再重新建起。不仅浪费了人力物力，还影响了地下水模拟技术的进一步发展。

　　5、尚未建立地下水动态模拟体系

　　近几年来，随着GIS技术的发展和普及，GIS已被广泛接受为管理、存储、查询分析有关地理空间分布信息的成熟的工具和技术。随着其本身空间分析功能和相关学科的迅猛发展，应用领域不在拓宽。随着信息化成为当今社会发展的潮流和趋势，地下水动态模拟评价系统信息化已成为水文地质工作的工作方向。如何充分利用GIS在数据采集、存储、处理和可视化表达等地下水模拟重要环节上的优势，把GIS与地下水模型结合起来，为地下水模拟工作提供更为简单适用的新方法和统一高效的GIS平台环境，已成为目前地下水动态评价系统信息化建设的关键步骤，也是GIS在地下水研究应用中向深层次发展的瓶颈问题。尽管地下水模型与GIS集成的重要性已为越来越多的专业人员所共识，但是，GIS与地下水模型的集成研究基本上尚处于空白。

　　应用实例——华北平原地下水模型研究

　　华北平原第四系地下水是一个巨大的、复杂的地下水系统，在埋藏条件和含水介质的控制下，地下水的水力特征在空间上表现出明显的差异性。华北平原第四系地下水是一个巨大的、复杂的地下水系统，在埋藏条件和含水介质的控制下，地下水的水力特征在空间上表现出明显的差异性。传统上将第四系含水岩系划分为四个含水层组。

　　在基于地质统计学方法的水文地质结构模型基础上，综合考虑地下水开发利用层位的特点，将模型在垂向上概化为三层：一、二含水组水力联系紧密，且实际开采多以混采井居多，概化为模型第一含水层，底界埋深为120~170m；第三含水组概化为模型第二含水层，底界埋深为250~350m；第三系明化镇组含水层概化为模型第三层，底界埋深为550~600m。在概化基础上，利用GMS软件建立了华北平原三维地下水数值模型。

      地下水预测与管理系统（GEMS）是一个全面解决地下水资源管理问题的系统，它是由水利部中央地下水委员会（CGWB）为水文工程开发的，也是世界银行资助的一个项目。将地下水预测与管理系统应用于印度的九个邦，能够同时满足全国191个观测站上475位使用者的需求。

      地下水预测与管理系统提供了有效的编译，可视化，以及分析水文地质和地下水资源相关属性等程序。通过集成多个领域的商业软件，使得它能够彻底的、全面的解决地下水资源的勘探、规划、开发和管理等问题。地下水预测与管理系统采用MapInfo Professional（地理信息系统）、 MapInfo Vertical Mapper（空间插值和网格轮廓）、SPSS（统计分析）和R2V（光栅矢量数据转换）。MapInfo的解决方案提供了一个独特的软件组合，允许客户映射、可视、图解、比较和依信息行事。

      地下水预测与管理系统涉及地球物理调查、水质研究、钻孔/测井记录、水位的时间序列分析、降雨量和其他气象数据分析，以及定位和预测地下水资源的空间分析。经过具体的调试，地下水预测与管理系统可以很好地满足以上领域的需求。在地下水预测与管理系统中，MapInfo提供了基于GIS的空间分析工具，如空间插值、网格轮廓、预测模型等，能够有效地用于分析以上领域的数据。

      在人口增长、城市化速度加快以及人们生活水平提高的同时，灌溉、生活和工业用水等不同用途的需水量也在不断增加。此外，水质也呈现出持续恶化状态。水作为最重要的自然资源，其作用仅次于空气。因此，需要一种综合的方法来分析地下径流，确定潜在的地下水污染区，并进行脆弱性研究。