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我國地下水預(yù)測與管理系統(tǒng) 

         地下水?dāng)?shù)值模擬簡介

　　地下水?dāng)?shù)值模擬是各種數(shù)值方法在水文地質(zhì)計算中的應(yīng)用，是目前定量研究地下水水資源量的重要手段。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值方法作為一種求解近似解的方法被廣泛用于地下水水位預(yù)報和資源評價中。數(shù)值方法是采用離散化的方法來求解數(shù)學(xué)模型，從而得到研究區(qū)域內(nèi)有限個離散點上的未知函數(shù)值。離散化的方法是將研究區(qū)域劃分成為若干個較小的子區(qū)域或稱為單元，即化整為零，這些單元的集合體代表的研究區(qū)域，即又積零為整。雖然所得解為數(shù)值解(即是數(shù)值的集合，是數(shù)學(xué)模型的近似解)，但是只要將單元大小和時段長短劃分得當(dāng)，即對空間步長和時間步長取值合適，計算所得的數(shù)值解便可較好的逼近實際情況而滿足計算精度的要求。由于數(shù)值方法可以較好的反映復(fù)雜條件下的地下水流狀態(tài)，具有較高的仿真度，因此在理論和實際應(yīng)用方面都得到了較快的發(fā)展。

　　數(shù)值法求解地下水流數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：

　　(1)將研究區(qū)域按照某種規(guī)則進行剖分或稱離散化。剖分的原則和剖分后形成的子區(qū)域形狀取決于所采用的數(shù)值方法，從而將研究區(qū)域劃分為若干個子區(qū)域單元。對于非穩(wěn)定流問題，尚需將計算時間也進行離散化，即將計算時間離散為若干個時段。

　　(2)將每個小單元作為地下水的小均衡域，并定義特征點上的各種物理量。

　　(3)建立某一個時段內(nèi)結(jié)點之間制約各種物理量的關(guān)系式，關(guān)系式一般表達為代數(shù)方程。

　　(4)利用初始條件和邊界條件(即初邊值問題)，建立在某一個劃分時段內(nèi)邊界結(jié)點與內(nèi)部結(jié)點的關(guān)系式。

　　(5)求解上述(3)、(4)所構(gòu)成的代數(shù)方程組，就可求得某一計算時刻，研究區(qū)域上各離散點的水位H值，其集合{H}即是滲流區(qū)域上某一時刻地下水水位H的近似解，單元剖分的越小，{H}的仿真度就越高。

　　(6)重復(fù)(3)～(5)，可計算下一時刻的水頭{H}集合值。

　　由于建立代數(shù)方程組的方法不同，也就產(chǎn)生了各種不同的離散化方法，即不同的數(shù)值方法。目前，地下水流計算常用的數(shù)值方法有有限差分法（FDM）、有限單元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限分析法（FAM）等。

　　國內(nèi)外研究進展

　　1、國外地下水?dāng)?shù)值模擬研究進展

　　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。

　　（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。

　　（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，尤其是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)域模型的耦合更擴展了其發(fā)展空間，可以解決更多的實際問題。

　　2、國內(nèi)地下水?dāng)?shù)值模擬研究進展

　　我國自1973年以來在地下水的數(shù)值模擬方面發(fā)展很快，它的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個領(lǐng)域和各個產(chǎn)業(yè)部門。高校、科研院所與生產(chǎn)部門相結(jié)合，已運用數(shù)值模擬解決了很多國民經(jīng)濟建設(shè)中急需解決的各類問題，其中包括水資源評價問題；地下水污染問題，水巖作用和生物降解作用的模擬；非飽和帶水分和鹽分運移問題；海水入侵、高濃度咸水/鹵水入侵問題；熱量運移和含水層貯能問題；地下水管理與合理開發(fā)、井渠合理布局和渠道滲漏問題； 地下水-地表水聯(lián)合評價調(diào)度問題；地面沉降問題； 參數(shù)的確定問題。所建立的模型囊括了包括識別模型、預(yù)報模型以及管理模型等在內(nèi)所有的地下水模型類型。

　　近幾年，隨著新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，我國水文地質(zhì)工作者能夠在建立地下水系統(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；并且在運用地下水系統(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。

　　存在的問題

　　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、地下水系統(tǒng)隨機模擬研究滯后

　　近二十年來隨機理論迅速地應(yīng)用于地下水中污染物運移模擬等領(lǐng)域的研究，并取得了一批突破性的成果，從而改變了人們對化學(xué)物質(zhì)在地下水中運移、彌散的傳統(tǒng)認識。這項研究很大程度上是從研究含水介質(zhì)的非均質(zhì)性及其尺度效應(yīng)開始的。而在我國，無論是非均質(zhì)性研究，還是隨機理論的應(yīng)用與相應(yīng)模型的建立，基本上還都是空白。

　　2、勘探技術(shù)水平不高，難以滿足飛速發(fā)展的計算機數(shù)值模擬需求

　　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，其計算能力遠遠超過人們獲取數(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)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。

　3、重模型，輕地質(zhì)條件、輕基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)象嚴(yán)重。

　　基礎(chǔ)理論的實驗研究重視不夠，近年來又出現(xiàn)了輕視具體地質(zhì)條件研究，過多依賴模擬技術(shù)的苗頭。建立模型不重視地質(zhì)條件的調(diào)查、研究，不能正確地建立反映當(dāng)?shù)鼐唧w條件的概念模型，或者不是根據(jù)具體地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來建立模型，而是削足就履。更有甚者，既不尊重事實，也不尊重科學(xué)，甚至弄虛作假，為了獲取“理想”的擬合效果，在實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的選用上大作文章，任意剔除不“理想”的數(shù)據(jù)和結(jié)果。

　　4、模型后期維護不足

　　我國自1973 年以來在地下水的數(shù)值模擬方面發(fā)展很快，它的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個領(lǐng)域和各個產(chǎn)業(yè)部門，幾乎每個與地下水有關(guān)的項目都會涉及的數(shù)值模擬的問題。這樣的結(jié)果往往是不同的部門在同一研究區(qū)各自建立各自的模型，模型建完后便了事，重模型建設(shè)，而輕后期維護。下次需要時，再重新建起。不僅浪費了人力物力，還影響了地下水模擬技術(shù)的進一步發(fā)展。

　　5、尚未建立地下水動態(tài)模擬體系

　　近幾年來，隨著GIS技術(shù)的發(fā)展和普及，GIS已被廣泛接受為管理、存儲、查詢分析有關(guān)地理空間分布信息的成熟的工具和技術(shù)。隨著其本身空間分析功能和相關(guān)學(xué)科的迅猛發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不在拓寬。隨著信息化成為當(dāng)今社會發(fā)展的潮流和趨勢，地下水動態(tài)模擬評價系統(tǒng)信息化已成為水文地質(zhì)工作的工作方向。如何充分利用GIS在數(shù)據(jù)采集、存儲、處理和可視化表達等地下水模擬重要環(huán)節(jié)上的優(yōu)勢，把GIS與地下水模型結(jié)合起來，為地下水模擬工作提供更為簡單適用的新方法和統(tǒng)一高效的GIS平臺環(huán)境，已成為目前地下水動態(tài)評價系統(tǒng)信息化建設(shè)的關(guān)鍵步驟，也是GIS在地下水研究應(yīng)用中向深層次發(fā)展的瓶頸問題。盡管地下水模型與GIS集成的重要性已為越來越多的專業(yè)人員所共識，但是，GIS與地下水模型的集成研究基本上尚處于空白。

　　應(yīng)用實例——華北平原地下水模型研究

　　華北平原第四系地下水是一個巨大的、復(fù)雜的地下水系統(tǒng)，在埋藏條件和含水介質(zhì)的控制下，地下水的水力特征在空間上表現(xiàn)出明顯的差異性。華北平原第四系地下水是一個巨大的、復(fù)雜的地下水系統(tǒng)，在埋藏條件和含水介質(zhì)的控制下，地下水的水力特征在空間上表現(xiàn)出明顯的差異性。傳統(tǒng)上將第四系含水巖系劃分為四個含水層組。

　　在基于地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，綜合考慮地下水開發(fā)利用層位的特點，將模型在垂向上概化為三層：一、二含水組水力聯(lián)系緊密，且實際開采多以混采井居多，概化為模型第一含水層，底界埋深為120~170m；第三含水組概化為模型第二含水層，底界埋深為250~350m；第三系明化鎮(zhèn)組含水層概化為模型第三層，底界埋深為550~600m。在概化基礎(chǔ)上，利用GMS軟件建立了華北平原三維地下水?dāng)?shù)值模型。

 地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)（GEMS）是一個全面解決地下水資源管理問題的系統(tǒng)，它是由水利部中央地下水委員會（CGWB）為水文工程開發(fā)的，也是世界銀行資助的一個項目。將地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)應(yīng)用于印度的九個邦，能夠同時滿足全國191個觀測站上475位使用者的需求。

地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)提供了有效的編譯，可視化，以及分析水文地質(zhì)和地下水資源相關(guān)屬性等程序。通過集成多個領(lǐng)域的商業(yè)軟件，使得它能夠徹底的、全面的解決地下水資源的勘探、規(guī)劃、開發(fā)和管理等問題。地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)采用MapInfo Professional（地理信息系統(tǒng)）、 MapInfo Vertical Mapper（空間插值和網(wǎng)格輪廓）、SPSS（統(tǒng)計分析）和R2V（光柵矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換）。MapInfo的解決方案提供了一個研發(fā)的軟件組合，允許客戶映射、可視、圖解、比較和依信息行事。

地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)涉及地球物理調(diào)查、水質(zhì)研究、鉆孔/測井記錄、水位的時間序列分析、降雨量和其他氣象數(shù)據(jù)分析，以及定位和預(yù)測地下水資源的空間分析。經(jīng)過具體的調(diào)試，地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)可以很好地滿足以上領(lǐng)域的需求。在地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)中，MapInfo提供了基于GIS的空間分析工具，如空間插值、網(wǎng)格輪廓、預(yù)測模型等，能夠有效地用于分析以上領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。

在人口增長、城市化速度加快以及人們生活水平提高的同時，灌溉、生活和工業(yè)用水等不同用途的需水量也在不斷增加。此外，水質(zhì)也呈現(xiàn)出持續(xù)惡化狀態(tài)。水作為最重要的自然資源，其作用僅次于空氣。因此，需要一種綜合的方法來分析地下徑流，確定潛在的地下水污染區(qū)，并進行脆弱性研究。

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