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浅析地下水数值模拟的研究与应用李鹭【摘要】地下水对于人类社会的进步和发展具有重要意义,地下水数值模拟现已成为研究地下水各种问题的重要手段.文章分析了地下水数值模拟的发展历程,总结了地下水数值模拟的步骤以及常用的方法;简要介绍了当今常用的地下水数值模拟软件,并着重分析了Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW这3款软件;介绍了常用的地下水数值模型,分析了地下水水流数值模拟及地下水污染物运移数值模拟的研究应用进展情况;最后对地下水数值模拟的发展中应注意的问题提出了相关建议.【期刊名称】《江西化工》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P133-136)【关键词】地下水;数值模拟;研究应用【作者】李鹭【作者单位】东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013【正文语种】中文引言水资源是人类生存和发展必不可少的资源，其对促进社会进步和经济发展具有重要意义。
地下水是水资源的重要组成部分，是中国城市生活和工农业用水的重要供水水源[1]。
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。
但是，局部地区因地下水的不合理开采，也导致产生了含水层疏干、降水漏斗扩大、地下水污染、海水入侵、地面沉降等环境地质问题。
随着电子计算机和数值方法的发展，数值模拟逐渐取代传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段，而且其发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有范畴，成为模拟一些水文地质过程发生、发展的重要手段[2]。
利用数值模拟软件对地下水流及地下水污染物等问题进行模拟，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缺少的重要方法[3]。
1 地下水数值模拟地下水的数值模拟是随着地下水资源的定量评价深入研究而发展起来的。
应用数值模型模拟地下水流特征和溶质运移情况逐渐成为此研究领域的一种重要方法，并受到业内人士重视并加以广泛应用[4]。
地下水数值模拟的发展大概经历了三个阶段[5]：即1935年至1950年以解析法为主的第一时期；1950年至1960年，以基于达西定律与电学欧姆定律间相似性所研发产生的电网络模拟为主的第二时期；1965年至今，以数值模拟为代表的第三时期。
数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究一、引言随着人口增长和经济发展，地下水资源的管理和保护变得愈发重要。
为了更有效地开发和利用地下水资源，数值模拟技术被广泛应用于地下水资源开发中。
本文将探讨数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究。
二、地下水模型构建地下水模型是数值模拟技术的核心。
地下水模型通过建立地下水系统的数学方程组来描述地下水流动规律，并运用计算机算法进行求解。
地下水模型的构建包括收集地质、水文数据，选择合适的数学模型，以及制定数值模拟的边界条件等。
三、地下水资源开发与管理1. 地下水开采模拟数值模拟技术可以模拟地下水开采过程中的水位变化、水质变化以及地下水补给量等。
通过数值模拟，可以预测不同开采方案下的水位变化，找到最佳的水源配置方案，以及评估开采对地下水系统的影响。
2. 地下水污染模拟地下水污染是严重威胁地下水资源安全的问题之一。
数值模拟技术可以模拟污染物在地下水中的传输和扩散过程，预测污染物的传播范围和浓度变化，并评估污染物对地下水质量的影响。
这些模拟结果可以为地下水污染防治提供科学依据。
四、数值模拟技术的优势与挑战1. 优势：数值模拟技术具有模拟范围广、模拟结果可视化、预测能力强等优势。
它能够模拟复杂的地下水系统，提供直观的模拟结果，并为决策提供科学依据。
2. 挑战：数值模拟技术在地下水资源开发中也存在一些挑战。
首先，数值模型的建立需要大量的地质、水文数据，数据的质量和准确性对模拟结果有重要影响。
其次，地下水系统的复杂性导致模型的参数不确定性增加，模拟结果的可靠性有待提高。
此外，模型的计算量大，需要高性能计算机设备支持。
五、数值模拟技术在地下水资源开发中的案例应用1. 案例一：某地地下水资源开发规划通过建立地下水模型，模拟不同的开采方案，预测地下水位的变化，并分析开采对地下水系统的影响。
在此基础上，提出合理的开采方案，保证地下水资源的可持续利用。
2. 案例二：某城市地下水污染防治通过建立污染物传输模型，模拟污染物在地下水中的传播过程。
水文地质学发展历史“水文地质学”这一术语，虽然早在19世纪初，就在欧洲被正式提出来，但真正成为地质科学中一门比较完整、系统的独立学科，祗是本世纪30－40年代的事。
特别是第二次世界大战结束以后，随着地质科学的迅速发展，西方许多（包括前苏联）对地下水的研究，开始在地质科学的基础上（如地层学、岩石学、构造地质学、地球化学、地球物理学等），和其他一系列基础自然科学（如数学、物理学、化学、生物学等）以及水文科学相互结合，相互渗透，逐渐发展成为一门跨学科的综合性边缘学科。
水文地质学从研究地下水的自然现象、形成过程和基本规律，发展到对地下水的定性、定量评价；它的基本理论，勘察方法和应用方向，也逐步形成。
从70年代以来，水文地质学又从地下水系统的研究，进一步扩大为研究地下水与人类圈内由资源、环境、生态、技术、经济、社会组成的大系统。
因此水文地质学的研究目标，开始转入到研究整个水系统与自然环境系统和社会经济系统之间相互交叉关系的新时期。
我国对地下水的认识和开发利用，虽具有数千年的悠久历史，但真正运用地质科学的理论与方法，进行地下水的调查研究，仅开端于30年代。
如老一辈的地质学家朱庭祜，谢家荣等，曾于这一时期分别到过江西、河南及南京等地区进行地下水的调查研究，并著有论文或报告。
但水文地质学，作为地质科学领域内一门独立的应用地质学科，是在50年代新中国成立后才迅速发展起来的。
作者曾把我国水文地质学的发展历史，划分为四个阶段，即：①萌芽阶段（20前纪前）；②初始阶段（1900－1950年），开始应用地质学的基本理论研究地下水；③奠基阶段（1950－1970年），主要有前苏联学术思想影响下，奠定水文地质的理论基础，是区域水文地质学与农业水文地质学的开创时期；④成长时期（1970－2000年），是水资源水文地质学与环境水文地质学的发展时期，主要受西方科学技术思想影响，如系统论、系统工程、计算机技术等新理论、新技术的输入，使我国的传统水文地质学，发展到一个以研究水资源与环境问题为重点的现代水文地质学。
第16章当代水文地质学发展趋势及研究方法
当代水文地质学是研究地下水的存储、运移和水文地质环境等方面的学科，它在实践中不断发展和演变。
以下是当代水文地质学发展趋势及研究方法的一些重要方面：
1. 地下水资源管理与保护：随着人口增长和工业化程度的提高，地下水资源管理和保护日益受到关注。
发展可持续的地下水资源利用方案、建立保护策略及水资源调度等，是当前的研究重点。
2. 数值模拟与模型研究：数值模拟在水文地质研究中的应用日益广泛，可以模拟地下水流动、污染传输等过程，为地下水资源管理和环境保护提供科学依据。
3. 地球信息系统（GIS）和遥感技术的应用：GIS和遥感技术可以提供大量的地理空间数据，并帮助分析地下水系统的复杂性。
这些技术被广泛应用于地下水资源评估、水文地质环境分析等方面。
4. 地下水环境污染与修复：随着工业化和城市化的快速发展，地下水环境污染问题日益突出。
研究地下水污染的成因、传输机理以及修复方法，对保护地下水资源具有重要意义。
5. 地下水与气候变化的响应：气候变化对地下水系统的影响是一个前沿研究领域。
研究地下水与气候变化的相互作用，对于预测未来地下水资源的变化以及适应气候变化的水资源管理具有重要意义。
研究方法方面，常用的包括地质勘探和水文地质探测技术、水位观测、水文地质调查、水质监测、数值模拟、实验室测试等。
同时，还需要结合地学、地球化学、力学、化学工程等多学科的知识进行综合分析，以全面理解地下水系统的特征和过程。
地下水系统模拟与数值模拟方法地下水系统是指地下水的流动、贮存和分布所构成的地下水环境系统。
地下水资源是人类生存所必需的一种重要自然资源，对生态环境和社会经济发展有着重要意义。
在地下水资源的管理和保护过程中，需要对地下水系统进行模拟和数值模拟，以便更准确地预测和评估地下水系统的水文地质特征，判断地下水资源的开发潜力和合理利用方案，为实现地下水资源的可持续利用奠定科学依据。
地下水系统模拟方法地下水系统模拟是指通过对地下水系统进行数学模型的建立和仿真，以预测和分析地下水流动、污染传递等水文地质过程的方法。
常用的地下水系统模拟方法有分析模型和数值模型两种。
分析模型是基于对地下水流动或污染物扩散方程的解析求解，分析模型简单、易懂，计算速度快，但只适用于简单的地下水流动或污染扩散问题。
其主要方法包括平衡分析法、线性和非线性回归分析法、空间分析法等。
数值模型则是通过计算机技术，以数值方法求解数学模型的过程，将地下水系统划分成有限的离散单元，通过离散化的方法，将求解大型、复杂的地下水流动或污染扩散方程转化为大量小规模的计算，从而得到地下水流动或污染传输的详细状况。
常用的数值模型包括有限差分法、有限元法、边元法等。
数值模拟方法的分析优势相比分析模型，数值模型在复杂的地下水流动和污染扩散问题中表现出更强的分析优势。
一是用途广泛。
数值模型可以应用于各种类型的地下水问题，如地下水资源、污染物传输、地下水入渗、河流与地下水交互作用、地下水流场演变分析等。
二是精度高。
数值模型可以准确地反映地下水系统的水文地质特征，得到非常细致的地下水流动和污染扩散情况，为分析和预测地下水资源的分布和变化趋势提供了更多的信息。
三是可视化强。
数值模型的结果可以通过数据处理和可视化技术轻松呈现，利用图表、三维可视化等手段，可以帮助决策者更加直观地了解地下水系统、掌握地下水资源的动态变化。
四是模型灵活性高。
数值模型可以对不同地区、不同时间段的地下水系统进行模拟和分析，从而更好地应对不同地区、不同年份的地下水管理、调控和保护问题。
地下水数值模拟的研究与应用进展【摘要】地下水数值模拟是地下水研究领域的重要工具，随着数值模拟方法的不断发展，其在水资源管理、环境保护和地质勘探等领域的应用也越来越广泛。
本文从数值模拟方法的发展、在水资源管理中的应用、在环境保护中的应用、在地质勘探中的应用以及未来发展方向等方面进行了系统的总结和探讨。
研究表明，地下水数值模拟在提高水资源利用效率、保护地下水资源、指导环境管理和勘探地下资源等方面具有重要意义。
加强地下水数值模拟的研究和应用，将对促进资源有效利用和环境保护具有积极的推动作用。
未来，我们需要进一步完善数值模拟方法，提高模拟精度，探索更广泛的应用领域，推动地下水数值模拟在各领域的发展和应用。
【关键词】地下水数值模拟、研究、应用、发展、水资源管理、环境保护、地质勘探、未来发展方向、重要性、总结、展望1. 引言1.1 地下水数值模拟的研究与应用进展地下水数值模拟是通过数学模型和计算机仿真技术，对地下水系统的水文地质特征进行描述和分析的一种方法。
随着计算机技术的不断进步和地下水问题的日益凸显，地下水数值模拟在水资源管理、环境保护、地质勘探等领域中扮演着重要角色。
在过去的几十年中，地下水数值模拟方法得到了长足发展。
从最初的一维流动模型，到如今的三维多孔介质模型，模拟精度和可靠性不断提高。
各种数值模拟软件的涌现，也为地下水研究提供了便利。
地下水数值模拟在水资源管理中的应用主要包括水资源评价、水资源保护、水资源规划等方面。
通过模拟地下水流动、水质变化等过程，可以更好地指导水资源管理工作，保障人民的饮用水安全。
在环境保护领域，地下水数值模拟被广泛应用于地下水污染源追踪、地下水保护区划定等方面。
通过模拟地下水流动和污染传输，可以及早发现、预防和处理地下水污染事件，减轻环境压力。
地下水数值模拟还在地质勘探领域发挥重要作用。
通过模拟地下水对地下结构的影响，可以为石油、矿产勘探提供重要参考依据。
未来，地下水数值模拟方法将继续发展，模拟精度将进一步提高。
学习一个数值模拟的心得体会[精选]第一篇：学习一个数值模拟的心得体会[精选]学习一个数值模拟的心得体会POM(Princeton Ocean Model)是由美国普林斯顿大学于1977年共同建立起来的一个三维斜压原始方程数值海洋模式，后经过多次修改成为今天的样本，是被当今国内外应用较为广泛的河口、近岸海洋模式。
POM在国内较多人使用，在天津、上海、厦门等多个沿海地区均有人使用POM模式进行风暴潮的模拟和预报。
POM采用蛙跳有限差分格式和分裂算子技术，水平和时间差分格式为显式，垂向差分格式为隐式，对慢过程(平流项等)和快过程(产生外重力波项)分开，分别用不同的时间步长积分，快过程的时间步长受严格的CFL判据的限制。
我认为这是一个介于二维和三维之间的计算过程，这个过程计算精度比二维计算高，考虑了时间的影响，但对比三维计算来说可以很大的节省计算量，加快计算速度。
为消除蛙跳格式产生的计算解，POM在每一时间积分层次上采用了时间滤波。
水平方向采用正交曲线网格，变量空间配置使用“Arakawa C”网格，可以较好的匹配岸界。
与均匀网格相比，水平曲线正交网格是渐变的，能更好地拟合岸线侧边界，减少“锯齿”效应。
POM模式在垂向上采用了σ坐标变换，可体现不规则的海底地形的变化特点，便于引入大陆架地形并且引入了干湿网格动边界技术，既可更好地处理三维水动力环境模拟中大量浅滩的“干出”与“淹没”等难点问题，也可很好地处理复杂地形水域的模拟问题，因此被广泛地应用于河口近岸海域的潮流数值模拟中。
基于POM模式源程序代码的公开性，便于学者交流与学习，并可根据实际工作问题的需要进行改进，应用到不同的领域，因而具有很强的生命力和适用性。
POM模式要求解描述海洋运动的原始方程组，原始方程组的数值差分求解是最关键的，这部分正是POM提供给我们的，能够简化我们的许多工作。
但是仅仅有差分求解方程组的程序是不够的，对于微分方程组，我们需要初始条件、边界条件来确定方程组的数值解，要正确使用POM模拟海洋运动，我们需要提供的正是这些边界条件。
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。
中国北方岩溶地下水的研究进展
梁永平;申豪勇;高旭波
【期刊名称】《地质科技通报》
【年(卷),期】2022(41)5
【摘要】中国北方中上元古界和下古生界碳酸盐岩含水层连续沉积厚度大、分布面积广,其中储存着丰富的岩溶地下水资源,在国民经济建设中发挥着举足轻重的作用,是国家战略性水资源。
结合对北方岩溶水的调查研究经历,就岩溶水系统及水文地质条件、环境问题发展演化趋势与成因、岩溶水开发利用与保护、生态修复以及调查研究的技术方法等方面的进展与不足,做初步的总结,致以中国地质大学建校70周年、《地质科技通报》创刊40周年的贺礼,并为广大北方岩溶水水文地质同行提供参考。
【总页数】21页(P199-219)
【作者】梁永平;申豪勇;高旭波
【作者单位】中国地质科学院岩溶地质研究所自然资源部/广西岩溶资源环境工程技术研究中心;广西岩溶资源环境工程技术研究中心;联合国教科文组织国际岩溶研究中心;中国地质大学(武汉)
【正文语种】中文
【中图分类】P641.134
【相关文献】
1.中国北方岩溶地下水系统和开发利用中的几个问题
2.论中国北方“岩溶地下水系统”的基本内涵及资源产生的物质基础
3.中国北方岩溶地下水补给研究进展
4.中国北方岩溶地下水污染分析
5.《中国北方岩溶地下水资源及大水矿区岩溶水的预测、利用与管理的研究》项目综述
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地下水数值模拟在我国——回顾与展望——为《水文地质工程地质》创刊40年而作薛禹群 吴吉春(南京大学地球科学系,南京 210093) 今年《水文地质工程地质》将迎来它创刊40周年。
40年来,它为发展我国的水文地质工程地质事业,提高我国水文地质学和工程地质学的整体水平作出了不可磨灭的贡献。
回顾过去,成绩斐然;展望未来,前景灿烂。
仅以此文纪念《水文地质工程地质》双月刊创刊40周年。
1 概貌我国自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(包括供水、排水、水利等各类问题中的地下水水位或压强预报和水量计算等);地下水污染问题,水2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2地面水联合评价调度问题;地面沉降问题;参数的确定问题。
它所涉及的地质情况多种多样,有潜水,也有承压水;有单个含水层的情况,也有多个含水层存在越流的情况,以及种种复杂的地质构造和岩相变化情况。
由此,探讨了相应的模型概化与边界条件的处理。
模型有二维的(平面的、剖面的),也有三维的,但以二维为主。
虽然国内一共建立了多少个模型无法精确统计,但从有限的资料可以看出,从模型类型上看,按国际地下水模拟中心(IG WM C)的分类,几种类型的模型我们都有了,即:(1)预报模型包括水流模型 物质运移模型(溶质运移模型);热量运移模型;形变模型;多目标模型。
(2)管理模型;(3)识别模型其中大部分(估计在90%左右,甚至有可能超过)是预报模型,用来预测水流、污染物、热量、地面变化的时空变化,包括水资源(水量)评价、矿山涌水量、渠系及水库渗漏量预测等。
在这些模型中以水流模型为主(80年代早期以前基本上是清一色的水流模型),溶质运移模型次之,其它几类模型占的比例很少。
水流模型有饱和的、非饱和的、饱和2非饱和的、地下水2地表水联合的几类,以饱和带模型为主。
同时考虑地下水2地表水的模型只是个别的、探讨性的。
水流模型一般只考虑均质流体,非均质流体的水流模型则是作为子模型和盐分运移子模型同时处理的。
溶质运移模型在我国多数是处理低浓度的水质(地下水污染)问题。
因此,由水流方程和对流2弥散方程分别组成的两个子模型可以独立求解,运动方程也以传统的达西定律为基础。
只有少数研究海水入侵、卤水 咸水入侵和污水中高浓度污染物运移问题中,密度、粘度要由状态方程决定。
此时,上述两个子模型要耦合起来求解。
迭代法是解这类问题常用的解法。
我国最早的三维可混溶海水入侵模型,是在80年代末期建立的。
根据《W ater R esou rces R esearch》的评审意见,该模型发展了潜水含水层条件下的海水入侵模型。
在此以前,国际上一直把潜水含水层简化作承压含水层处理,以回避处理降水入渗、潜水面波动对溶质运移的影响。
在我国这些海水入侵、卤水 咸水入侵模型以及以后将要谈到的热量运移模型、运动方程中,除了根据传统的达西定律考虑以水头梯度为基础的强迫对流外,还考虑了自然对流。
卤水 咸水入侵由于浓度高还考虑了由于粘滞性产生的切应力对水流运动的阻滞。
溶质运移模型中,只考虑污染物运移的模型在我国粗略看来略多于同时考虑吸附、解吸等的模型。
少数模型已深入探讨了海水入侵过程中,水2土间发生的N a+2Ca2+、M g2+2Ca2+阳离子交换。
但,处理更为复杂的如氮素生物化学转换的模型尚未见报导。
我国研究热量运移、形变的模型不多,且都和一些大城市的地面沉降及为控制地面沉降进行的回灌联系在一起。
热量运移模型,已考虑了与热量运移有关的各种主要因素(对流、传导、热机械弥散、自然对流、水2岩间的热交换)。
形变模型一般只考虑垂向变形(地面沉降或抬升),沉降计算是建立在由水流子模型求得的水头或水压强变化与水压强和含水层形变间有关关系的基础上的。
80年代中期以来,我国各地建立了很多管理模型。
以笔者掌握的有限资料看,还只限于探讨有关地下水水量的管理,未见同时考虑地下水水量和水质联合管理的模型。
在管理思想上已从最初的单目标转向多目标,从满足需要,以需定供和低成本,转向应充分考虑水资源和环境的承载能力,并受市场调节的约束,以供定需。
遵循的原则也开始考虑持续发展利用,综合管理和经济,以促进社会经济的发展和保护环境。
从方法上讲仍以采用单位脉冲响应函数的响应矩阵法为主,没有新的。
地表水和地下水联合运用管理模型国内研究的还不多,而且这些研究一般是针对较简单的和较特殊的地表水与地下水联合运用的管理问题而言的,还难于满足较复杂的地表水2地下水资源系统统一管理的需要。
参数估计即识别技术的研究,近年来也有不少进展。
几种主要的数值方法(有限差分法、积分有限差分法、有限单元法、边界元法、有限分析法)在国内都有应用和研究,但使用最广泛的还是有限单元法。
总之,我国地下水数值模拟的研究虽然起步较晚,但由于一开始在人员上就实行水文地质界与数学界的结合,办班普及与专门提高相结合,在选题上一开始就结合生产实际中面临的问题开展研究,所以进展很快。
1978年12月首届地下水资源评价学术会议上就出现了一批理论和应用成果。
以后继续沿着这条道路走下去,成绩越来越喜人,基本满足了国民经济发展建设的需要。
一些成果接近或达到国际先进水平。
本学科国际权威刊物W ater R esou rces R esearch、Jou rnal of H ydro logy、A dvances in W ater R esou rces、Ground W ater上均出现了中国学者的文章,二年一次的国际水资源计算方法会议(I CC MW R)等重要国际会议上也有了中国人的声音。
在国内还成功地举办了地下水水流和污染模拟国际会议(1991),地下水和环境国际讨论会(1992)等学术会议。
我国的地下水数值模拟开始走向世界。
最后,在回顾这段历史、欢庆我们成绩的时候,应特别感谢几位在推动这项工作中作出重要贡献的数学教授:肖树铁(原北京大学,现清华大学数学系)、谢春红(南京大学数学系、孙讷正(山东大学数学系)、陈明佑(中国地质大学)和杨天行(长春地质学院)。
在早期研究中他们起了极其重要的引导作用,今天仍在继续帮助水文地质界的同志,使这一交叉学科迅速发展。
2 存在的问题在发展中还存在一些问题,主要有:(1)20多年的发展已使我们的计算能力,远远超过我们搜集计算模型所需野外资料的能力。
这一问题国外也存在,而且比我们更严重。
最明显的例子是很多模型只停留在理论探讨上,用于解决实际问题的不多。
众多的三维模型,缺少相应的三维的水头或溶质浓度数据。
(2)模型的建立、运行处于分散状态。
一些通用、相对简单的模型缺少通用软件。
各单位一旦需要时还得从头编起,不仅重复劳动,还影响这些新编软件的质量和效率。
为了提高整个国家的模拟水平和效率,有关部门收集、整理、出版一些通用软件以极低的价格出售或免费赠送看来应提到议事日程上来了。
(3)近十多年来,随着在校学了很多数学知识和模拟课程的年轻地质人员的成长,发生了根本性变化,他们推动了我国数值模拟的进一步普及和提高。
但近年来在少数年轻地质人员和在校学生中出现了对地质条件的了解重视不够,过多地依赖模拟技术的苗头,个别人甚至随意主观地增删数据,去搞“拟合”,不是根据水文地质条件来建立模型,而是删除一部分地质条件来迁就模型,其后果是缺乏足够驾驭复杂地质情况的能力,所建模型并不真正反映当地地质情况,导致模拟结果不理想或失真。
笔者认为,模拟技术虽然重要,但只是一种手段,在整个地下水模拟中只是第二位的,起第一位作用的应是对水文地质条件的了解及其概化上(包括概念模型的建立、网络设计、边界条件的查明与处理、源汇项处理等)。
(4)部分同志在模拟技术上还存在若干问题。
去年《水文地质工程地质》上笔者曾列出下列几个问题:①在实际应用中把具有井流项的溶质运移方程处理为:x i D ijCx j-u iCx i+W C3=Ct式中 D ij——弥散系数张量; x i、x j——笛卡尔坐标,i,j=1,2,3; C——溶质浓度; u i——实际平均流速的分量; W——单位时间单位体积含水层中注入或抽出(取负值)的水量;C3——注入或抽出液体中该溶质的浓度;——有效孔隙度; t——时间。
②认为拟合就是利用观测孔的水位观测值和抽水试验得到的渗透系数,计算抽水井(或井群)或矿坑的流量,然后根据这个流量和上述渗透系数再计算各个观测孔的水位,把计算所得的水位和观测水位进行比较。
③河流割切了含水层必然作一类边界处理。
④渗透系数是一个不变的常数,要求数值模拟求出的渗透系数值和抽水试验所得结果一致。
(5)采用淡水模型或海水入侵模型来研究卤水 咸水问题。
卤水的TD S大于100g l,咸水为10～100g l,远大于淡水或海水的混合水的TD S值(山东龙口地区小于3g l)。
在这种情况下,地下水不仅在水力梯度驱动下运动v i=k ij Hx j(v i为渗透系数分量;k ij为渗透速度张量,i,j=1,2,3;H为水头),还要考虑由于密度差(由浓度差造成)引起的自然对流和由粘度产生的切应力对地下水流的阻滞作用,所以运动方程不能采用在常温、常压、淡水(自来水)条件得出的传统的达西定律形式,水流方程、溶质运移方程都要作相应的变更,仍然采用淡水模型或海水入侵模型就不合适了。
(6)模拟范围选择过小,边界和边界条件处理不当。
模型边界不尽可能利用地下水系统的天然边界(如含水层尖灭、隔水层、巨大的地表水体)或区域地下水分水岭,而是人为地选定一些边界,又没有仔细地从概念和数值上去核实、识别这些边界,结果在模拟或预报期间边界附近的水头或流量受到抽水影响,也就是说实际抽水影响范围早已越过这些“边界”伸向更远的地方了。
还有的根据区域等水位线图选用某一条流线作为边界,当水流状态因抽水或其他原因发生变化时,这条作为边界的流线可能会移动位置或完全消失。
在山区与平原盆地的接触带,山区基岩中蕴藏的裂隙水会补给平原、盆地中的孔隙水,补给量较大,任意忽视这部分补给量把基岩作隔水层处理会使模拟失真。
河流作边界时也宜慎重,先要仔细查明河水与地下水间的关系,否则如前述容易出错。
诸如此类导致模拟失真的问题很多,不一一例举了。
总之,选定边界时模拟者应设想一下由此边界条件引入的水流类型可能是什么样子,是否说得通?入流和出流的位置在哪儿?模拟得出的水流类型和野外所看到的情况、总的水流方向是否一致?这样有助于少犯或不犯错误。
最后要注意,稳定流问题全部采用二类边界条件将导致解的不唯一。
