第44卷第4期2013年2月
人民长江Yangtze River Vol．44，
No．4Feb．，2013
收稿日期：2012－12－03
作者简介：杜志达，男，教授，研究方向为土壤水动力学与节水灌溉。E －mail :duzhida@dlut．edu．cn
文章编号：1001－4179（2013）04－0081－05
地下水埋深较大条件下农田深层渗漏模拟研究
杜志达1，邵龙潭
2
（1．大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024；2．大连理工大学工程力学系，辽宁大连116024）
摘要：为了能够在设计灌溉制度时充分考虑深层渗漏的影响，以辽宁大连地区地下水埋深比较大的农田玉米种植为例，采用VADOSE /W 程序建立一维有限元模型，在对多年长系列气象资料进行分析的基础上，对枯水年、中水年和丰水年3种典型年在雨养、喷灌、畦灌条件下农田土壤水分的变化过程进行了长历时的模拟，并与实测值进行对比，以分析深层渗漏的产生规律。结果表明，在地下水埋深较大的情况下，深层渗漏占有效降雨与灌溉水量的比例，雨养条件下小于5%，喷灌条件下为5% 9%，畦灌条件下为7% 13%;70% 95%的深层渗漏由灌溉引起;13% 28%的有效灌溉水量会转化为深层渗漏。在设计灌溉制度时，深层渗漏的影响不容忽视。关
键
词：深层渗漏;灌溉;数值模拟;玉米种植;水量平衡
中图法分类号：S157
文献标志码：A
深层渗漏是作物根区底部向下运移的水分通量，在利用根区水量平衡模型进行灌溉制度设计或评价
时，一般假定深层渗漏为零［1］
。研究表明，在地下水
埋深较大的情况下，
农田的深层渗漏不可避免［2，3］
。在设计灌溉制度时，完全忽略深层渗漏是不合理的，因
此有必要对地下水埋深较大条件下农田深层渗漏的产
生规律进行深入研究。农田的深层渗漏很难直接测
量，通常采用的研究方法是数值模拟［4］
。以Richards 方程为基础的土壤水动力学模型，可以模拟土壤剖面
任一深度的含水量和水分通量的变化过程，是进行深
层渗漏模拟通常采用的数值模型
［5－8］
。本文对多年长系列水文气象资料进行分析，选取并构建了年降水保
证率P =75%（枯水年）、P =50%（中水年）、P =25%（丰水年）3种典型年，以辽宁大连地区地下水埋深较大的农田玉米种植为例，采用VADOSE /W 程序建立一维有限元模型，
对3种典型年在雨养、喷灌、畦灌条件下农田土壤水分的变化过程进行长历时的模拟，分析深层渗漏的产生规律，希望为类似条件下的节水灌溉设计提供参考。
1试区概况
研究选取的试区为位于北纬38?59'50?，东经
121?24'30?的辽宁省大连市营城子地区。该试区地处辽东半岛南端，
东临黄海，属于沿海低台地，海拔15 30m ，地下水埋深10 15m 。试区内土壤属于耕型黄土状棕壤，成土母质为第四纪黄土状物质，土体深厚，质地均一，除耕层外，土体中很少见到砾石和粗砂，土壤质地为中壤或重壤。试区所处地区属暖温带湿润、半湿润大陆性季风气候，四季分明，气候温和，降雨集中，季风明显，表现出一定的海洋性气候特点。试区内主要农作物为玉米，地层、气候等自然状况具有非常强的代表性。
2模型简介
研究主要考虑地势较为平坦的大面积农田，由于
试区所在地区降雨量偏低，农田基本不会出现地表产流现象，在地下水埋深较大的情况下，农作物根区侧向流动过程不是十分重要，因此可以建立一维模型进行模拟分析。
可供选择的模型很多，常见的一维模型包括GLEAMS ，HYDRUS _1D ，LEACHM ，Soilcover ，SHAW ，SWIM ，UNSAT －H ，SWAP ，WAVE ，WAVES 等，二维模
型包括HYDRUS －2D ，
SEEP /W ，SWMS －2D ，VA-DOSE /W ，VS2DTI 等［9］。这些模型都可用于进行一维
人民长江2013年
的模拟分析计算。
有些研究者根据实测值对HYDRUS、UNSAT－H、
VADOSE/W和LEACHM等模型的水量平衡模拟精度
进行了分析比较［10－15］。这些研究的普遍结论是，各种
模型都能很好地模拟水量平衡各项参数的总体变化过
程和趋势，在众多影响因素中，地表产流容易产生更大
的误差，从而对深层渗漏等其他参数的模拟精度造成
不利影响。但从这些研究中目前尚难以得出哪种模型
更为优越的结论。
本文选择VADOSE/W作为研究使用的模型。该
模型由GEO－SLOPE公司开发，能够进行水分运动和
热传递的耦合分析，满足该研究进行农田长历时土壤
剖面水分变化模拟的要求，同时，该程序可以随时中止
计算，提取中间结果进行分析，在修改参数后仍可从中
断点继续进行计算，这为根据土壤水分状况进行实时
控制灌溉的模拟提供了很大的方便。
3模型构建
3．1区域离散与边界条件
VADOSE/W为二维模型，本文采用单列单元模型
模拟一维流动的情况。模型深度16m，土壤分为耕层
和基层两层，单元宽度20cm，地表下2m范围单元高
度为5cm，2 16m共50个单元，单元高度从5cm渐
变到35cm，地下水深度为15m，模拟过程中保持水位
恒定。模型上部边界为气象边界，0 100cm范围为
能够施加气候边界条件的表层单元，植物实际蒸发将
分配到当时根系深度范围内的各个结点中，成为这些
结点的源汇项。
3．2参数设置
基于土水特性曲线（SWCC）和非饱和土壤导水率
曲线，使用Van Genuchten－Mualem构建如下关系方
程［16－17］：
θ=θr+
θs－θr
［1+（ah）n］m
（1）
k（h）=K
s （S
e
）0．5［1－（1－S1/m
e
）m］2（2）
S
e
=
θ－θr
θs－θr
（3）
式中，θ为土壤含水量；h为吸力值，kPa；θr为残余含水量；θs为饱和含水量；S e为饱和度；K s为饱和渗透系数；α为进气参数；n为空隙尺寸分布参数、m=1－1/n。根据实测数据和配线结果，土壤各项特性参数见表1。
大连地区玉米整个生育期从播种计约145d。根据中国东北地区一般种植条件下的实测数据以及叶面积指数与积温之间的关系模型［18］，推求出叶面积指数曲线用于模拟。玉米根系几乎全部集中在1m深的土层内，超过1m的根系所占比重非常小［19］。因此，模型中设定的气候边界影响到的根层深度为1m。根系伸展深度的生长变化过程采用如下经验公式［20］：
R
t
=－0．6389+0．9742J
d
（4）式中，R t为根系深度，cm；J d为播种后的天数，d。
根系吸水限制函数PML，根据EHler和Van Ge-nuchten的研究［21－22］，采用如下形式：
PML=［1/（1+h/0．43）3］（5）式中，h为吸力值，MPa。
表1土壤特性参数
土层
深度/
cm
土壤持水量/
（cm3·cm－3）
干密度/
（g·cm－3）
θs/
（g·cm－3）
θr/
（g·cm－3）
a/
（1·cm－1）
n
K s/
（cm·s－1）耕层0 300．221．250．520．0010．10681．7196．60?10－4基层＞300．291．430．460．0010．10701．7502．43?10－4
试区多年长系列实测气象资料可通过中国气象科学数据共享服务网免费下载，目前可以得到大连地区1904 1950年逐月统计的气象资料以及1951 2011年逐日统计的气象资料。逐日气象资料包括每日的最高气温、最低气温、平均相对湿度、最低相对湿度、平均风速、降雨量、蒸发量、日照时数、水汽压等。净辐射值可根据上述气象数据采用［23］FAO－56中推荐的方法计算获得。
3．3典型年分析
对1904 2011年实测年降雨量进行频率分析，采用皮尔逊型Ⅲ型曲线进行配线，得到丰水年、中水年和枯水年相对应的年降雨量，分别为718．7，591mm和476mm。
由于各种实测气象资料的逐日分布过程在年际之间存在非常大的差异，如果直接使用年降雨量与各水平年设计值接近年份的实测资料进行模拟，模拟结果在各水平年之间难以比较分析。因此，本研究选取各月降雨量与多年平均值最为接近的1971年作为典型年，丰水年、中水年和枯水年的日降水分布统一采用1971年的日降雨分布，日降雨量根据1971年的年降雨量711．3mm和各水平年的年降雨量设计值进行同比例缩放。模拟中需要的其他气象资料均采用1971年的实测值。
3．4初始值条件
为了使初始值更接近实际，首先用程序给出的方法按地下水位估算初始值对1970年进行模拟，其他模拟过程则全部采用1970年12月31日的模拟结果作为初始值。
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第4期杜志达，等：地下水埋深较大条件下农田深层渗漏模拟研究
3．5模型验证
2009年5 9月，选择面积约1000m2的地块，按照实际降雨和灌溉过程模拟土壤水分变化，同时实测1m根层范围土壤含水量，测试模型模拟精度。共实测了9次含水量分布，每次实测都随机均匀布置12个测点，用直径4cm的土钻，在各点1m深度范围内以5cm的层厚逐层钻取土样，在每层土样中部取土，用烘干法测量含水量。
土壤贮水量模拟值和实测值的变化规律比较一致。80cm和100cm根区模拟值与实测值的最大相对误差分别为29．7%和19．7%，发生在6月末至7月初根层土壤比较干燥的时段，其他时段的误差基本都小于10%。
大连气象站的位置距测试地块约25km，两地气象数据存在差异是模拟产生误差的主要原因。考虑到研究目的是探讨整个地区的总体规律，所以认为模型的模拟精度在可接受的范围内。
4不同灌溉条件3种水平年模拟
采用前述模型，对3种典型年在雨养、喷灌、畦灌条件下农田土壤水分的变化过程进行长历时的模拟，分析深层渗漏的产生规律。
降雨考虑玉米冠层截留的损失，按照康绍忠等介绍的方法计算有效降雨量输入［20］，灌溉水量为完全渗入土壤的有效水量。
喷灌的灌水时间和每次灌水量按照根区土壤平均含水量实时控制，根据玉米在整个生长期各阶段适宜的土壤相对含水量［24］制定含水量控制标准，在4月25日实施播种前的首次喷灌，之后每隔一段时间即中止计算，提取该时段内根区含水量分布数据，计算各天计划湿润层的平均含水量，找出上一次喷灌后最早满足喷灌条件（计划湿润层平均含水量低于最低含水量标准）的具体日期，如果接下来的5 7d没有超过10 mm的降雨过程，就在该日期的后一天实施喷灌，喷灌水量按计划湿润层从当前含水量增加到田间持水量计算。喷灌时间和水量确定后，修改模型中原有的降雨过程，在确定的喷灌日加入喷灌水量，然后以前一天模拟数据为初始值继续进行计算。重复如上过程，即得到各水平年应当进行喷灌的时间和每次灌溉水量。
畦灌采取相对固定的灌溉制度，在4月中旬播种前、5月中旬拔节孕穗期和6月中旬抽雄开花期各灌水1次，每次灌水定额135mm。
5模拟结果
各种条件下，1m根区水量平衡模拟结果的年度值统计如表2所示，1m根区底部深层渗漏的各月模拟结果见表3。
表2各水平年及灌溉方式下年度1m根区水量平衡模拟结果
灌溉
方式
水平年
P/
%
有效降雨
总量/
mm
蒸发/
mm
蒸腾/
mm
年度
需水量/
mm
1m根区
贮水量
变化/mm
1m根区
深层渗漏/
mm
深层渗漏
占有效降雨
灌溉量的百分比/%雨养75448．3194．7314．3509．0－53．4－7．4－1．65 50559．6248．4348．5596．9－41．64．40．79
25684．4316．9358．4675．3－18．627．84．06
喷灌75931．3451．0401．5852．410．069．07．40 50926．7474．5401．3875．8－1．852．75．69
251040．5538．6401．6940．18．491．88．82
畦灌75853．3404．2392．5796．7－7．764．37．53 50964．6465．5393．2858．710．695．39．88
251089．4536．8393．6930．417．5141．412．98注:负值为深层补给。
表31m根区底部深层渗漏的各月模拟结果
灌溉
方式
水平年
P/%
1m根区底部深层渗漏/mm
1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
合计/
mm 雨养752．31．92．11．91．40．9－2．8－6．0－3．9－2．4－1．5－1．3－7．4 502．31．92．12．11．81．0－2．3－5．0－0．81．20．2－0．14．4
252．31．92．12．11．60．6－1．70．26．06．23．92．727．8喷灌752．31．92．11．92．15．615．618．311．23．82．21．969．0 502．31．92．12．12．45．511．38．08．24．32．72．052．7
252．31．92．12．12．35．817．423．924．56．61．41．591．8畦灌752．31．92．12．914．516．715．13．21．41．91．31．064．3 502．31．92．14．015．417．320．613．511．73．51．51．695．3
252．31．92．14．115．118．428．133．430．45．7－0．60．6141．4注:负值为深层补给。
分析表明，雨养条件下，年度水量不平衡，降雨量小于实际需求；喷灌和畦灌条件下，水量供需基本平衡。
6讨论
模拟结果表明，在3种水平年的雨养和各种灌溉条件下，土壤中发散型零通量面的最底深度，除了雨养有些月份在1 1．5m之间，其他都在1m以上。从最底部的发散型零通量面直到地下水位，土壤的总水势是持续下降的。这说明在大多数情况下，降雨和灌溉水分一旦向下运动到1m根区底部，就会一直向下运动直到地下水位，不会再向上运移重新回到根区。
从水量平衡分析结果还可以看出，1m根区底部水分通量的年度总量，只有枯水年在雨养条件下为7．4 mm的深层补给，其他所有情况下均为深层渗漏。所以在大连地区种植玉米，无论采用何种灌溉方法，深层渗漏都不可避免，即使不采取灌溉措施，在雨养条件下，绝大部分年份也都会产生深层渗漏。
灌溉条件下，深层渗漏是降雨和灌溉共同作用的结果，所以无法统计深层渗漏量来自降雨和灌溉的比例。为了能够近似衡量降雨和灌溉水量分别对深层渗
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人民长江2013年
漏的贡献，把各种灌溉条件下年度渗漏量与相同水平
年雨养条件下的深层渗漏量进行比较，求出增加值及
其相对净灌水量的百分比和相对渗漏总量的百分比，
统计结果见表4。上述的深层渗漏增加值，可以近似
看作是由于灌溉引起的深层渗漏量，增加值相对有效
灌溉水量的百分比可以近似看作灌溉水量以深层渗漏
形式损失的比例，增加值相对渗漏总量的百分比可以
近似看作深层渗漏来自灌溉水量的比例。
表4灌溉条件下深层渗漏与相同年份雨养条件相比的增加值
灌溉方式水平年
P/%
增加值/
mm
增加值占灌溉
水量的百分比/%
增加值占深层渗漏
总量的百分比/%
喷灌7569．014．29100．00
5048．313．1691．65
2564．017．9669．70畦灌7564．315．88100．00
5090．922．4695．39
25113．628．0580．34
如表4所示，畦灌各项指标都明显高于喷灌，主要原因在于畦灌灌水时间间隔长，单次灌水量比较大。所以减少深层渗漏的重要途径，是在灌溉方式上做出改进，使灌水量在时间分布上更均匀并且适合降雨的实际分布。
单纯考虑深层渗漏占年有效降雨和灌溉总量的比例，灌溉条件下深层渗漏并不大，如表2所示，仅为5% 13%，节水灌溉在控制深层渗漏方面能够挖掘的潜力似乎不大。但是如果以上述的灌溉条件下深层渗漏与相同年份雨养条件相比的增加值作为评价指标，灌溉水量转化为深层渗漏的比例还是很可观的，达到13% 28%，同时约70%以上的深层渗漏来自灌溉水量，所以控制深层渗漏对节水灌溉具有重要意义，在进行灌溉制度设计时，对深层渗漏应当给予充分的重视。
7结论
（1）地下水埋深较大的情况下，在绝大多数年份，降雨和灌溉引起的1m根区底部的深层渗漏都是不可避免的。
（2）在地下水埋深较大的情况下，1m根区深层渗漏占年有效降雨和灌溉总量的比例为：雨养条件下小于5%（枯水年可能为轻微的深层补给），喷灌条件下约5% 9%，畦灌条件下约7% 13%。各种年份雨养条件下产生的深层渗漏总体偏小，但在实施灌溉后，深层渗漏会显著增加，并且随着有效入渗水量的增加而持续加大，所以，灌溉是深层渗漏产生的主要原因。
（3）以灌溉条件下深层渗漏与相同年份雨养条件相比的增加值、增加值占总渗漏量比例和占净灌溉水量比例作为近似的评价指标，可以认为喷灌产生的深层渗漏为48 65mm，有效灌溉水量的13% 18%转化为深层渗漏，丰水年约70%的深层渗漏由灌溉引起，中水年和枯水年90%以上的深层渗漏由灌溉引起。畦灌产生的深层渗漏64．3 113．6mm，有效灌溉水量的16% 28%转化为深层渗漏，丰水年约80%的深层渗漏由灌溉引起，中水年和枯水年95%以上的深层渗漏均由灌溉引起。因此，在进行灌溉制度设计时，深层渗漏的影响不容忽视。
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(编辑:朱晓红)
Study on simulation of deep percolation in fields with greater groundwater depth
DU Zhida1，SHAO Longtan2
（1．School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China；2．Department of Engineering Mechanics，Dalian University of Technology，Dalian116024，China）
Abstract：In order to consider the effect of the deep percolation on the irrigation scheduling adequately，one－dimensional fi-nite element model is built by VADOSE/W procedure with the case of maize cultivation in the field with greater groundwater depth in Dalian．The soil water variation in the field under the rain－fed，sprinkler irrigation and border irrigation is simulated in dry years，normal years and rainy years respectively，through analyzing the years－long period meteorological data．Furthermore，the rules of deep percolation are analyzed by the comparison with the measured value．The results show that the ratio of deep per-colation to the effective precipitation and irrigation water amount is less than5%under rain－fed，5% 9%under sprinkler irri-gation，7% 13%under the border irrigation respectively．Meanwhile，70% 95%of deep percolation is produced by irriga-tion and about13% 28%of effective irrigation water amount is converted to deep percolation．As a result，the effect of the deep percolation on the irrigation scheduling should not be ignored．
Key words：deep percolation；irrigation；numerical simulation；maize cultivation；
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
water balance
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国务院三建委办公室致信感谢长江委
近日，国务院三峡工程建设委员会办公室致信长江水利委员会，对长江委2012年给予三峡工作的大力支持和帮助表示感谢。感谢信中说，刚刚过去的2012年，是迎接党的十八大胜利召开的喜庆之年，也是三峡事业承前启后的关键之年，三峡工程各项工作顺利推进，工程防洪、发电、航运等巨大综合效益全面发挥，成功经受了建库以来最大洪峰考验，年发电量创历史新高，工程扫尾任务有序推进，库区社会总体稳定，后续工作有序展开。这些成绩是党中央、国务院正确决策、坚强领导的结果，是全体三峡工程建设者无私奉献、辛勤工作的结果，是国务院三峡工程建设委员会各成员单位着眼大局、密切协作的结果。在此，对长江委一年来给予三峡工作的大力支持和帮助表示崇高的敬意和诚挚谢忱。
国务院三峡工程建设委员会办公室表示，2013年将继续贯彻中央关于三峡工作的一系列决策部署和指示精神，以更加饱满的热情、科学的态度、扎实的作风，积极促进三峡库区经济社会发展，大力推进库区生态文明建设，建设和谐美丽的新库区。衷心期盼长江委一如既往地重视、关心三峡库区，继续对国务院三峡工程建设委员会办公室的工作给予大力支持和帮助，共同推动三峡后续工作稳步健康发展。(长江)
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1 引言 为保护和合理开发地下水资源，防止和控制地下水污染，保障人民身体健康，促进经济建设，特制订本标准。 本标准是地下水勘查评价、开发利用和监督管理的依据。 2 主题内容与适用范围 2.1 本标准规定了地下水的质量分类，地下水质量监测、评价方法和地下水质量保护。 2.2 本标准适用于一般地下水，不适用于地下热水、矿水、盐卤水。 3 引用标准 GB 5750 生活饮用水标准检验方法 4 地下水质量分类及质量分类指标 4.1 地下水质量分类 依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了生活饮用水、 工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量划分为五类。 Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。 Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。 Ⅲ类以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。 Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。 Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。
表1 地下水质量分类指标
根据地下水各指标含量特征，分为五类，它是地下水质量评价的基础。以地下水为水 源的各类专门用水，在地下水质量分类管理基础上，可按有关专门用水标准进行管理。 5 地下水水质监测 5.1 各地区应对地下水水质进行定期检测。检验方法，按国家标准GB 5750《生活饮用 水标准检验方法》执行。 5.2 各地地下水监测部门，应在不同质量类别的地下水域设立监测点进行水质监测，监 测频率不得少于每年二次(丰、枯水期)。 5.3 监测项目为：pH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化
陕西颐信网络科技有限责任公司 2014年9月22日 陕西颐信网络科技有限责任公司 地下水监测系统 整体解决方案
目录 一、概述.................................................................................................................................................... - 1 - 1.1项目背景...................................................................................................................................... - 1 - 1.2新产品研究.................................................................................................................................. - 2 - 二、系统简介............................................................................................................................................ - 2 - 三、系统功能............................................................................................................................................ - 3 - 四、系统方案............................................................................................................................................ - 4 - 4.1数据流程及组网.......................................................................................................................... - 4 - 4.2系统组成...................................................................................................................................... - 4 - 4.3数据采集...................................................................................................................................... - 5 - 4.4数据传输格式.............................................................................................................................. - 5 - 五、系统软件............................................................................................................................................ - 5 - 5.1软件平台...................................................................................................................................... - 5 - 5.2数据接收软件.............................................................................................................................. - 5 - 5.3数据查询分析软件...................................................................................................................... - 6 - 六、系统特点.......................................................................................................................................... - 10 - 七、产品性能.......................................................................................................................................... - 10 - 7.1一体化智能水位采集装置........................................................................................................ - 10 - 7.1.1产品特点....................................................................................................................... - 11 - 7.1.2技术指标......................................................................................................................... - 12 - 7.2无线手持参数设置仪................................................................................................................ - 12 - 八、工程实例.......................................................................................................................................... - 14 -
当前应用于地下水模拟领域内的常用软件： 1、MODFLOW (The modular finite –difference groundwater flow model)是由美国地质调查局(ＵＳＧＳ)开发的用来模拟地下水流动和污染物迁移等特性的计算机程序，MODFLOW使用有限差分方法。其局限是仅在DOS模式下运行。在MODFLOW的基础上，各国研究人员又开发了可视化的扩展型软件Visual MODFLOW。Visual MODFLOW是由加拿大waterloo hydrogeologic Inc.在MODFLOW 软件基础上,应用现代可视化技术开发研制的,1994年8月首次在国际上公开发行，该系统目前国际上流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟的标准可视化专业软件系统。可应用于评价地下水安全供水量、评价地下水修复系统、优化灌溉抽水量等方面。 Visual MODFLOW 的最大特点是功能强大同时易学易用，合理的菜单结构，友好的可视化交互界面和强大的模型输入输出支持，使之成为许多地下水模拟专业人员的选择对象。 2、MT3D99是郑春苗博士设计开发的模拟三维地下水溶质运移程序 MT3D(1990)的升级版，MT3D99的易于使用、精确、快速的优良性能使得它获得了政府有关部门、地下水研究咨询公司以及用户的广泛认可，成为目前世界上首屈一指的溶质运移模拟软件。 MT3D99能够模拟地下水系统中的平流、扩散、衰减、溶质化学反应、线性与非线性吸附作用等现象，能够对承压含水层，不承压含水层，承压与不承压交替的含水层以及倾斜的和单元厚度变化的含水层进行空间离散。 MT3D99提供了丰富的求解方法。一个隐含求解方法是基于带高效 Lanczos/ORTHOMIN加速格式的广义共轭梯度法的迭代求解方法，能够花费比传统方法少得多的机时来求解范围广泛的问题。MT3D99采用了三阶 TVD(total-variation-diminishing)格式用于求解对流项，具有保持质量守恒和使数值弥散和人为振动最小化的特点，在其它求解技术失败时，此格式往往是有效的。MT3D99还将三种常用的运移求解技术结合在统一的代码中，这三种求解方法是：标准有限差分法、基于Eulerian-Lagrangian的粒子跟踪方法和高阶有
高 校 地 质 学 报 Geological Journal of China Universities 2010 年 3 月，第 16 卷，第 1 期，1-6页March 2010，Vol. 16， No.1， p. 1-6中国地下水数值模拟的现状与展望 薛禹群 （南京大学 地球科学与工程学院 水科学系, 南京 210093） 摘要：回顾了中国地下水数值模拟的发展历程，指出了当前地下水模拟研究领域中存在的问题：基础理论的实验研究重视不够；过多依赖模拟技术，盲目追求软件的版本和模拟结果的可视化程度；轻视水文地质问题和条件的研究；以致于取得的成果跟踪性的占多数，原始创新的很少等。因此作出地下水数值模拟的展望，并指出该领域今后十年（2011~2020年）优先发展的8个研究方向。 关键词：地下水；数值模拟；优先发展方向 中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1006 -7493（2010） 01-0001-06 Abstract: The present situation of research on groundwater numerical simulation in China is briefly reviewed and analyzed. Problems existing in the development process are summarized. The prospect of the groundwater numerical simulation and some preferential development orientations of this field in the coming decade (2011~2020) is put forward.Key words: groundwater; numerical simulation; preferential development orientation XUE Yu -qun Department of Hydrosciences, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China Present Situation and Prospect of Groundwater Numerical Simulation in China 收稿日期：2009-11-20；修回日期：2010-02-05 作者简介：薛禹群，男，1931年生，教授，中国科学院院士，主要从事水文地质和地下水模拟的教学和科研工作；E -mail: yuqunx@https://www.doczj.com/doc/0310954451.html, 经过三十五、六年的发展，地下水模拟在中国经历了从无到有、从简单的水流模型到比较复杂的物质和热量运移模型；从仿制到独立研制，最后走向世界的艰难发展历程。现在可以说中国已经差不多建立了国际上讨论的各类模型：预报模型、管理模型和识别模型。研究范围涉及饱和带、非饱和带和饱和－非饱和带。基本满足了国民经济发展建设的需要。但还应从更高的角度冷静地查看我们发展中存在的问题，还应从国际上地下水模拟的发展趋势和国民经济发展对地下水的要求来制订发展规划，把我国地下水模拟事业推向一个新的、更高的高度，做出与中国作为世界大国相匹配的贡献。 1 研究现状 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 DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2010.01.005
地下水质量标准 集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]
1 引言 为保护和合理开发地下水资源，防止和控制地下水污染，保障人民身体健康，促进经济建设，特制订本标准。 本标准是地下水勘查评价、开发利用和监督管理的依据。 2 主题内容与适用范围 本标准规定了地下水的质量分类，地下水质量监测、评价方法和地下水质量保护。 本标准适用于一般地下水，不适用于地下热水、矿水、盐卤水。 3 引用标准 GB 5750 生活饮用水标准检验方法 4 地下水质量分类及质量分类指标 地下水质量分类 依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了生活饮用水、工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量划分为五类。 Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。
Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。 Ⅲ类以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。 Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。 Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。 表1 地下水质量分类指标
根据地下水各指标含量特征，分为五类，它是地下水质量评价的基础。以地下水为水源的各类专门用水，在地下水质量分类管理基础上，可按有关专门用水标准进行管理。 5 地下水水质监测 各地区应对地下水水质进行定期检测。检验方法，按国家标准GB 5750《生活饮用水标准检验方法》执行。 各地地下水监测部门，应在不同质量类别的地下水域设立监测点进行水质监测，监测频率不得少于每年二次(丰、枯水期)。 监测项目为：pH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠菌群，以及反映本地区主要水质问题的其它项目。 6 地下水质量评价 地下水质量评价以地下水水质调查分析资料或水质监测资料为基础，可分为单项组分评价和综合评价两种。 地下水质量单项组分评价，按本标准所列分类指标，划分为五类，代号与类别代号相同，不同类别标准值相同时，从优不从劣。 例：挥发性酚类Ⅰ、Ⅱ类标准值均为L，若水质分析结果为L时，应定为Ⅰ类，不定为Ⅱ类。 地下水质量综合评价，采用加附注的评分法。具体要求与步骤如下： 参加评分的项目，应不少于本标准规定的监测项目，但不包括细菌学指标。
第一部分：数值模拟技术研究文献综述 浅析数值模拟技术 1．引言 近年来，随着我国大规模地进行“西部大开发”和“南水北调”等巨型工程，越来越多的岩土工程难题摆在我们面前，单纯依靠经验、解析法显然已不能有效指导工程问题的解决，迫切需要更强有力的分析手段来进行这些问题的研究和分析。自R.W. Clough 上世纪60年代末首次将有限元引入某土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的普及及计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能。在这样的背景下，数值模拟特别是三维数值模拟技术逐渐成为当前中国岩土工程研究和设计的主流方法之一，也使得岩土工程数值模拟技术成为当今高校和科研院所岩土工程专业学生学习的一个热点。 采用大型通用软件对岩土工程进行数值模拟计算，在目前已成为项目科研、工程设计、风险评估等岩土类项目的必须，学习和掌握Ansys、FLAC3D、UDEC 等数值计算软件已成为学校、科研院所对工程从业人员的基本要求。 数值模拟方法主要有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等，各种方法都有其对应的软件。 2.数值模拟的发展趋势 可以说, 继理论分析和科学试验之后, 数值模拟已成为科学技术发展的主要手段之一。随着软件技术和计算机技术的发展, 目前国际上数值模拟软件发展呈现出以下一些趋势： （1）. 由二维扩展为三维。早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现, 才开始研制和发展更多的三维计算程序。现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如LS-DYNA2D 和LS - DYNA3D、AUTODYN2D 和AUTO-DYN3D。 （2）.从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值模拟方法。近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流等求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时，空气冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播，这就需要用固体力学和流体动力学的数值模拟结果交叉迭代求解。 （3）.由求解线性问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决。众所周知，非线性的数值模拟是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和资金，开发了诸如LS- DYNA3D、ABAQUS和AU-TODYN等专长求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效
地下水水质标准 1 引言 c为保护和合理开发地下水资源，防止和控制地下水污染，保障人民身体健康，促进经济建设，特制订本标准。本标准是地下水勘查评价、开发利用和监督管理的依据。 2 主题内容与适用范围 2.1 本标准规定了地下水的质量分类，地下水质量监测、评价方法和地下水质量保护。 2.2 本标准适用于一般地下水，不适用于地下热水、矿水、盐卤水。 3 引用标准 GB 5750 生活饮用水标准检验方法 4 地下水质量分类及质量分类指标 4.1 地下水质量分类依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了生活饮用水、工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量划分为五类。 Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。 Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。 Ⅲ类以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。 Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水。 Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。 4.2 地下水质量分类指标(见表1)
根据地下水各指标含量特征，分为五类，它是地下水质量评价的基础。以地下水为水源的各类专门用水，在地下水质量分类管理基础上，可按有关专门用水标准进行管理。 5 地下水水质监测 5.1 各地区应对地下水水质进行定期检测。检验方法，按国家标准GB 5750《生活饮用水标准检验方法》执行。5.2 各地地下水监测部门，应在不同质量类别的地下水域设立监测点进行水质监测，监测频率不得少于每年二次(丰、枯水期)。 5.3 监测项目为：pH、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、挥发性酚类、氰化物、砷、汞、铬(六价)、总硬度、铅、氟、镉、铁、锰、溶解性总固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠菌群，以及反映本地区主要水质问题的其它项目。 6 地下水质量评价 6.1 地下水质量评价以地下水水质调查分析资料或水质监测资料为基础，可分为单项组分评价和综合评价两种。 6.2 地下水质量单项组分评价，按本标准所列分类指标，划分为五类，代号与类别代号相同，不同类别标准值相同时，从优不从劣。例：挥发性酚类Ⅰ、Ⅱ类标准值均为0.001mg/L，若水质分析结果为0.001mg/L时，应定为Ⅰ类，不定为Ⅱ类。 6.3 地下水质量综合评价，采用加附注的评分法。具体要求与步骤如下： 6.3.1 参加评分的项目，应不少于本标准规定的监测项目，但不包括细菌学指标。 6.3.2 首先进行各单项组分评价，划分组分所属质量类别。 6.3.3 对各类别按下列规定(表2)分别确定单项组分评价分值Fi。 表2 6.3.4 按式(1)和式(2)计算综合评价分值F。 式中：－各单项组分评分值Fi的平均值； Fmax－单项组分评价分值Fi中的最大值； n－项数
国外地下水模拟软件的发展现状与趋势 丁继红 (吉林大学数学科学学院) 周德亮, 马生忠 (吉林大学综合信息矿产预测研究所) 通过对目前国际上最有影响的几个地下水模拟软件的分析，概述了地下水模拟软件的发展现状，指出组件化、与GIS 集成、前后处理功能强化、科学可视化的深入应用将是未来地下水模拟软件发展的主要趋势。 一、引言 利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法以其有效性、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或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用。一个完整的地下水模拟过程包含3个部分：前处理、模型计算和后处理。前处理是指在进行模拟计算之前对计算过程中所需数据的整理、组织、输入及计算网格的编号与生成。模型计算是进行地下水流动或水质运移正反演计算，常用的方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等。后处理是将计算所产生的结果数据，用图形或表格显示或存放起来，以供研究人员方便地进行分析和使用。传统的地下水模拟过程复杂繁琐，前后处理所花费的时间往往是计算时间的几倍，甚至是几十倍。如何获取、组织和输入模拟计算所必备的含水层复杂结构、庞大的数据与参数，如何分析和理解模拟计算过程中所产生的庞大的结果数据，如何减轻研究人员的劳动强度，缩短研究工作时间，成为传统地下水模拟研究工作面临的突出问题和困难。计算机技术的快速发展，在不断驱使研究人员对更为复杂的含水层系统中的地下水运动及溶质运移进行数值模拟的同时，又不断为解决问题提供新的技术和手段。近年来，在人机交互、计算机图形学和科学可视化等技术的推动下，国外地下水模拟软件不论是在数量还是质量上都有了巨大的发展和提高，前后处理的可视化功能日益强大。 二、最有影响的几个传统地下水模拟软件 通过近二十年的研究与发展，国际上已经形成了一批非常有影响的地下水模拟DOS版本的软件，它们今天在国际地下水模拟研究领域依旧非常活跃，如MODFLOW、MT3DMS、MT3D99、PEST、MODPATH、UCODE等。 1、MODFLOW MODFLOW是由美国地质调查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。自从它问世以来，MODFLOW已经在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。这种普及性是由其如下的特点决定的。 程序结构的模块化。MODFLOW包括一主程序和若干个相对独立的子程序包(Package)。每个子程序中有数个模块，每个模块用以完成数值模拟的一部分。例如河流子程序包用来模拟河流与含水层之间水力联系；井流子程序包用来模拟抽水井和注水井对含水层的影响。MDFLOW的这种模块化结构使得其程序易于理解、操作、修改和添加。MODFLOW问世以来，不断有新的子程序包被开发出来，例如用来模拟抽水引起地面沉降的子程序包(Leake和Prudic,1998)，用来模拟水平流动障碍(Horizontal flow-barrier)的子程序包(Hsieh和Freckleton,1993)等。新子程序的加入，使MODFLOW的应用范围不断扩大。 离散方法的简单化。MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。差分法易于程序的普及和数据文件的规范。其主要缺点是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元，延长程序的运行时间，随着计算机速度的迅速提高，计算机受网格数量的限制越来越小，差分法的优势越来越大，MODFLOW解决地下水流运动问题已经将含水层剖分到多达360×360×18个网格单元。 MODFLOW引进了应力期(Stress Period)概念，它将整个模拟时间分为若干个应力期，每个应力期又可再分为若干个时间段。在同一应力期，各时间段既可以按等步长，也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内，所有的外部源汇项的强度应保持不变。这样就简化、规范了数据文件的输入，而且使得物理概念更为明确。 求解方法的多样化。迄今为止，MODFLOW已经含有强隐式法、逐次超松弛迭代法、预调共轭梯度法等子程序包。可以预见，MODFLOW的求解子程序包必将更加多样化，应用范围也更为广泛。大量实际工作表明，只要恰当使用，MODFLOW也可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。不仅如此，经过合理的概化，MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动
GWI-A5地下水系统划分导则 中国地质调查局 2004年11月
1主题内容与适用范围 1.1 本导则为中国地质调查局地质调查项目《全国地下水资源及其环境问题调查评价》（以下简称“项目”）专门制定。 1.2 本导则规定了地下水系统的基本概念、地下水系统划分的原则，并阐述了地下水系统分区分级的基本原则要求。 1.3 本导则只适用于“项目”中地下水系统划分。 1.4 本导则可供有关调查评价工作参考。 2引用标准及规范 供水水文地质勘查规范GB 50027-2001 区域水文地质工程地质环境地质综合勘查规范(1﹕50 000) GB/T 14158-93 矿区水文地质工程地质勘探规范GB 12719-91 水文地质术语GB/T 14157-93 3术语与基本概念 3.1地下水系统Groundwater system 是具有水量、水质和能量输入、运移和输出的地下水基本单元及其组合。是指在时空分布上具有共同地下水循环规律的一个独立单位。它可以包括若干次一级的亚系统或更低的单位。 3.2地下水系统边界Groundwater system boundary 地下水系统边界是指两个地下水系统之间或地下水系统与其环境之间所存在的界线。地下水系统边界具有时空四维性。 3.3地下水系统环境Environment of groundwater system 地下水系统环境是指存在于地下水系统外的与之有密切联系的物质的、经济的、信息的和人际的相关因素的总称。与地下水系统有密切联系的环境分为三类：自然环境、技术经济环境和社会环境。 3.4地下水系统结构Groundwater system structure 地下水系统结构是指不同多孔介质组成的地下水补给、径流和排泄以及水化学演化的场所或由构造断裂、溶洞、裂隙、节理等组成的地下水补给、径流和排泄以及水化学演化的空间网络。地下水系统结构是地下水系统保持整体性以及具有一定功能的内在依据。 3.5 地下水系统分级Groundwater system classification 地下水系统分级是指根据地下水系统结构、水动力或水化学特征等将一个独立的地下水系统划分为不同层次的若干次级系统。 3.6地下水系统区Groundwater system section 地下水系统区是指具有相似的水循环特征且在地域上相互毗邻的地下水系统组合体。地下水系统区内的地下水系统的输入和输出受相似气候条件或地表水系等的影响，使得区内所
中华人民共和国国家标准GB/T 14848-9 1、引言 为保护和合理开发地下水资源、防止和控制地下水污染、保障人民身体健康、促进经济建设，特制订本标准。 本标准是地下水勘查评价、开发利用和监督管理的依据。 2、主题内容与适用范围 2.1、本标准规定了地下水的质量分类、地下水质量监测、评价方法和地下水质量保护 。 2.2、本标准适用于一般地下水，不适用于地下热水、矿水、盐卤水。 3、引用标准 GB 5750 生活饮用水标准检验方法 4、地下水质量分类及质量分类指标 4.1、地下水质量分类 依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照了生活饮用水、工业、农业用水水质最高要求，将地下水质量划分为五类： Ⅰ类：主要反映地下水化学组分的天然低背景含量，适用于各种用途 Ⅱ类：主要反映地下水化学组分的天然背景含量，适用于各种用途 Ⅲ类：以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水 Ⅳ类：以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水 Ⅴ类：不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用 4.2、地下水质量分类指标（见表一） 表一地下水质量分类指标 项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类 色（度）≤5 ≤5 ≤15 ≤25 >25 嗅和味无无无无有 浑浊度（度）≤3 ≤3 ≤3 ≤10 >10 肉眼可见物无无无无有 PH 06.5～8.5 5.5～6.5 8.5～9 <5.5，>9 总硬度（以CaCO3计）（mg/l）≤150 ≤300 ≤450 ≤550 >550 溶解性总固体（mg/l）≤300 ≤500 ≤1000 ≤2000 >2000 硫酸盐（mg/l）≤50 ≤150 ≤250 ≤350 >350 氯化物（mg/l）≤50 ≤150 ≤250 ≤350 >350 铁（Fe）（mg/l）≤0.1 ≤0.2 ≤0.3 ≤1.5 >1.5 锰（Mn）（mg/l）≤0.05 ≤0.05 ≤0.1 ≤1.0 >1.0 铜（Cu）（mg/l）≤0.01 ≤0.05 ≤1.0 ≤1.5 >1.5 锌（Zn）（mg/l）≤0.05 ≤0.5 ≤1.0 ≤5.0 >5.0 钼（Mo）（mg/l）≤0.001 ≤0.01 ≤0.1 ≤0.5 >0.5 钴（Co）（mg/l）≤0.005 ≤0.05 ≤0.05 ≤1.0 >1.0 挥发性酚类（以苯酚计）（mg/l）≤0.001 ≤0.001 ≤0.002 ≤0.01 >0.01 阴离子合成洗涤剂（mg/l）不得检出≤0.1 ≤0.3 ≤0.3 >0.3
8.1 系统概述 一、系统概念的提出 贝塔朗菲（1901～1972），美籍奥地利生物学家，一般系统论和理论生物学创始人，50年代提出抗体系统论以及生物学和物理学中的系统论，并倡导系统、整体和计算机数学建模方法和把生物看作开放系统研究的概念，奠基了生态系统、器官系统等层次的系统生物学研究。 系统论系统概念系统思想与方法 系统思想与方法的核心是：把研究的对象看成一个有机整体（系统），并从整体的角度去考察、分析与处理事物。
二、系统相关概念（钱学森，1978年） 系统结构：系统内部各要素相互联系和作用的方式便是系统的结构。 系统方法认为：不应当将系统理解为各组成部分（要素）的简单集合，而应将其理解为诸要素以一定规则组织起来并共同行动的整体。 系统：由相互作用和相互依赖（联系）的若干组成部分结合而成的具有特定功能的（有机）整体。 系统的概念所涉及的范围广泛 1+1=21+1＞2 1+1＜2
三、系统与环境 一个系统不仅内部各个要素间存在相互作用，而且整个系统与外部环境之间还存在相互作用，即系统接受环境的物质、能量、信息的输入，然后经过系统变换，再向环境输出物质、能量和信息。即系统与环境间存在物质、能量、信息的交换。
环境对系统的作用称之为激励；系统在接受激励后对环境的反作用称之为响应；环境的输入（激励）经过系统的变换而产生对环境的输出（响应），这种变换取决于系统的结构： S=f（I，O）（INPUT，OUTPUT） 在此提供了一种研究系统内部结构的方法，即通过输入、输出研究系统内部结构
例如，在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌乃至分布范围大小不同，泉流量的变化各不相同。 系统分析的意义： 一方面，分析系统输入与输出（激励与响应）的对应关系有助于了解系统结构； 另一方面，对系统结构的了解有助于我们预测“激励——响应”关系。 再如，在不同的地下水系统中，以同种方式开采同样数量的地下水，地下水位的降低也有很大差别。 H S W ???=μ
中国地质大学 研究生课程论文封面地下水数值模拟模型建立的一般步骤 课程名称：地下水数值模拟 教师： 研究生： 研究生学号： 研究生专业： 所在院系： 类别： B.硕士 日期：2014 年12月31日
注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，水资源的供需矛盾日渐突出，大量开采地下水，产生了诸多的地质环境问题，如区域水位大幅下降，漏斗不断扩大，产生地面沉降、塌陷、水质恶化、泉水干涸等问题。因此对地下水资源的合理开发利用提出了更高的要求，即要从定量角度对地下水资源进行预测和评价，建立合理的开发利用方案。但水文地质条件客观的复杂性，限制了用地下水动力学中建立的解析法解决问题的广泛性。于是，70年代初以来，随着电子计算机的发展，地下水数值模拟技术逐渐渗透到水文地质学科，开拓了水文地质领域的定量计算。人们通过地下水数值模拟技术，来获得满足一定工程要求的数值解，尤其在水量计算、资源评价、地下水污染预测、地下水的合理开发和地下水资源管理等方面应用更加广泛。经过20年的探索和实践表明，地下水数值模拟对水文地质学科中某些理论和实际问题的解决起了很大作用，构成现代水文地质学科形成和发展的重要推动力之一，己成为人们揭示水文地质规律和资源评价与管理中必不可少的工具。 地下水系统数值模拟是定量分析地下水资源和地下水环境变化的手段。其实现过程为：在给定的地下水系统水文地质条件下，从初始状态开始，根据初始水位及地面标高等确定初始蒸发量、灌溉入渗量及泉水溢出量，再由边界附近的初水力梯度确定边界流量，然后通过上述定解条件对数学模型离散求解，得到下一时刻各点的水位（包括边界水位）。根据求得的水位，确定新的蒸发量、灌溉入渗量、泉水溢出量、边界水力梯度和边界流量，为下一步计算提供依据。不断重复上述过程，就可实现地下水动态数值模拟。此模拟过程避免了定解条件的先验给定，由具体的开采规划和开采后的水文地质环境来确定新的补排关系。 地下水数值模拟广泛应用于地下水位预测、地下水资源开发利用规划、地下水循环机制研究、地下水溶质及热运移研究、地下水资源预报与评价等，并在我国取得了巨大成就。 关键词：地下水数值模拟；溶质运移；模型建立；
1.地下水水质在线自动监测系统 一技术方案 1.系统组成及概述 1、1系统结构组成 地下水水质自动监测系统由以下两部分构成:监控子站(地下水子站),水质监控中心平台。 1、2监控子站组成及概述 1、2、1 地下水水质在线自动监测系统 采用投入式、免试剂多参数水质分析仪,仪器通过地下水监测井悬吊于待监测水层中,对地下水体实施现场原位连续自动监测。采用太阳能供电方式,通过无线通讯技术实现地下水监测系统与中心监控平台之间的数据传输与远程控制。 系统由供电系统,数据采集传输单元、水位水温传感器、水质多参数分析仪、地下水监测信息管理平台等组成。 地下水监测系统示意图
地下水监测系统效果图 1、2、2地下水水质监测站配置 1、标准配置 目前国内地下水监测常规因子: 水文监测因子:水温、水位; 水质监测因子:溶解氧、电导率、浊度、PH 监测因子选择原因 水位地下水总量控制 水温地下水的温度场与压力场与化学场的变化密切相关 溶解氧溶解氧对饮用水地下原水的除铁、锰的效果有影响 电导率(EC) 地下水的电导率异常与其污染状况密切相关 浊度浊度就是地下水透明度的衡量指标 pH 地下水水化学特征的因子 2、可选配置 地下水监测可扩展监测因子: 水质监测因子:总溶解性固体、氨氮、硝酸盐、氯化物、氟化物、钙、CODmn、盐度、矿化度、水中油等
1、3系统特点 ●太阳能、市电、电池供电多种模式 ●长期、连续、定点在线监测,全自动无人值守工作 ●适合于各种水文地质类型含水层水文、水质监测 ●多通道数据采集传输设备,并有数据记录、处理、报警功能 ●根据野外环境,具备相应避雷保护、抗干扰功能,提高系统野外适应性 ●野外环境长期专用传感器,高精度、高稳定性 ●传感器多层抗生物污染设计:环境安全防垢部件与防垢涂层;独特的双清洗刷装置 ●标准化接口,模块化设计,安装简易、灵活,可根据需求扩展监测参数 ●采用光谱分析、电化学分析技术,对水体进行免试剂原位监测,不对环境产生二次污染
地下水数值模拟任务、步骤及常用软件 1地下水模拟任务 大多数地下水模拟主要用于预测，其模拟任务主要有 4 种： 1)水流模拟 主要模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。 2)地下水运移模拟 主要模拟地下水、热和溶质组分的运移速率。这种模拟要特别考虑到“优先流”。所谓“优先流”就是局部具有高和连通性的渗透性，使得水、热、溶质组分在该处的运移速率快于周围地区，即水、热、溶质组分优先在该处流动。 3)反应模拟 模拟水中、气 -水界面、水 -岩界面所发生的物理、化学、生物反应。 4)反应运移模拟 模拟地下水运移过程中所发生的各种反应，如溶解与沉淀、吸附与解吸、 氧化与还原、配合、中和、生物降解等。这种模拟将地球化学模拟 (包括动力学模拟 )和溶质运移模拟 (包括非饱和介质二维、三维流 )有机结合，是地下水模拟的发展趋势。要成功地进行这种模拟，还需要研究许多水 -岩相互作用的化学机制和动力学模型。 2模拟步骤 对于某一模拟目标而言，模拟一般分为以下步骤： 1)建立概念模型 根据详细的地形地貌、地质、水文地质、构造地质、水文地球化学、岩石 矿物、水文、气象、工农业利用情况等，确定所模拟的区域大小，含水层层 数，维数(一维、二维、三维)，水流状态(稳定流和非稳定流、饱和流和非饱和流)，介质状况 (均质和非均质、各向同性和各向异性、孔隙、裂隙和双重介质、
流体的密度差 )，边界条件和初始条件等。必要时需进行一系列的室内试验与野 外试验，以获取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。 2)选择数学模型 根据概念模型进行选择。如一维、二维、三维数学模型，水流模型，溶质 运移模型，反应模型，水动力 -水质耦合模型，水动力 -反应耦合模型，水动力 - 弥散 -反应耦合模型。 3)将数学模型进行数值化 绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。数值化就是将数学模型转化为 可解的数值模型。常用数值化有有限单元法和有限差分法。 4)模型校正 将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在给定的误差范 围内与实测结果吻合。调参过程是一个复杂而辛苦的工作，所调整的参数必须 符合模拟区的具体情况。所幸的是，最近国外已花费巨力开发研究了自动调参 程序 (如 PEST)，大大提高了模拟者的工作效率。 5)校正灵敏度分析 校正后的模型受参数值的时空分布、边界条件、水流状态等不确定度的影响。 灵敏度分析就是为了确定不确定度对校正模型的影响程度。 6)模型验证 模型验证是在模型校正的基础上，进一步调整参数，使模拟结果与第二次 实测结果吻合，以进一步提高模型的置信度。 7)预测 用校正的参数值进行预测，预测时需估算未来的水流状态。
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 water level 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