GMS在我国地下水资源评价与管理中的应用

纪媛媛，周金龙，，杨广焱

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052;2.中国地质大学环境学院，湖北武汉430074)

水是一切生命之源泉，具有基础性的自然资源和战略性的经济资源的双重属性，而地下水是水资源的重要组成部分，是构成并影响生态环境的重要因素，在干旱地区被视为“稀缺资源”。地下水作为城市生活用水、工业用水和农田灌溉的重要供水水源，对区域经济、社会的发展起着十分重要的作用。但是长期以来，特别是近20年来，由于国民经济的发展和人民生活水平的提高，对水的需求量迅猛增加。由于地下水开采量逐年增加，加之水资源管理力度不够，不少地区发生超采现象，并引发了地下水位下降、地面沉降、咸水入侵等严重的生态环境问题，造成许多环境地质灾害，殃及人民生命财产的安全，经济损失严重［1］。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［2］，这就需要建立合理的地下水数值模拟模型。

地下水数值模拟技术在地下水资源评价和管理中可以解决以下主要问题:(1)构建三维地质模型;(2)地下水资源评价;(3)地下水开发利用方案优选;(4)矿(基)坑涌水量预测;(5)地下水溶质运移模拟;(6)其他方面。

1 地下水模拟模型发展过程

地下水模拟模型是伴随着人类对地下水资源定量评价的发展而发展的，地下水资源定量评价的发展可分为三个时期:以解析解法为主的第一时期(1935～1950年);以电网络模拟为主的第二时期(1950～1965年);以数值模拟为主的第三时期(1965年至今)［3］。自20世纪60年代以来，地下水数值模拟技术随着计算机技术的飞速发展应运而生，自此在地下水资源的定量研究中发挥了不可替代的作用［4］。

我国对地下水流数值模拟的应用与研究始于1973年。近40年来，随着计算机技术的迅猛发展，地下水数值模拟已应用到与地下水有关的各个领域和部门，地下水数值模拟已经成为地下水勘察中重要的手段［5］。经过多年数学工作者(肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等)和水文地质工作者(林学钰、朱学愚、薛禹群、陈崇希等)以及科研院所的共同努力，现已接近或达到国际水平［6］。

2 地下水模拟系统简介

地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)，简称GMS，是美国Brigham Young University的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH 、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。由于GMS软件具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的二维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件［7］。它 包 括 MODFLOW、FEMWATER、MT3D、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、T － PROGS、UTCHEM、PEST和 UCODE 等计算模块，以及 MAP、Boreholes、TINs、Solids、Mesh、Scatter Points、Grid 和 GIS 等辅助模块［8］。

3 GMS在我国地下水资源评价中和管理中的应用现状

地下水资源的保护和合理配置，是各级水行政主管部门的重要任务。地下水系统数值模拟是地下水规划、保护、水资源合理配置和管理的先进技术手段。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地质模型和概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外试验，也是地下水保护、规划和管理的重要基础工作［9］。

3.1 构建三维地质模型

随着地质工作者对地质体结构特征研究的深入及计算机图形技术的发展，各领域对地质体结构进行三维建模的需求变得越来越迫切。三维地质模型用于描述地质体复杂的空间结构，反映地质要素间的空间关系，为地质专家对地质问题的正确判断、分析提供综合的三维可视化的地质信息。地质体结构三维建模主要包括两方面的内容:一是分析地质规律，构建反映地质体内部特征的地质结构模型;另一方面是地质结构模型的可视化表达，即采用适当的空间数据结构描述结构模型［10］。目前构建三维地质模型使用较为广泛的软件是 GMS。

较早研究三维地质模型的是吴立新等(2003)，从各个方面分析了3D GIS和3D GMS的差异，并将其中的空间构模分为基于面模型、基于体模型和混合构模3大类，为建立三维地学模拟系统奠定了基础［11］。祝晓彬等(2005)在长江三角洲(长江以南)地区建立了反映地下水贮存和总体运移特征的三维模型，在采用地下水数值模拟国际通用标准软件GMS对其进行精细剖分的基础上，对模型参数进行了识别，进一步对该区地下水资源几种不同开采方案进行了评价，为该区今后建立水资源管理模型提供依据，为其经济发展规划和可持续发展提出合理的用水建议。应用过程及模拟结果表明GMS具有操作简便、三维可视效果好、前后处理能力强等突出优点，即便用于长江三角洲如此大范围、条件复杂、实际工作量非常大地区的地下水数值模拟，仍可以达到较高的精度要求［12－13］。梁煦枫等(2006)结合天山北麓水文地质结构模型的建立，对基于GMS软件建立水文地质结构模型中遇到的问题进行了初步探讨，提出了相应的解决措施。验证了GMS软件建立水文地质结构模型的可行性，为GMS软件在建立水文地质结构模型方面的应用探索了道路［14］。

衡量一个模型是否正确可靠、能否用来预测地下水系统的动态变化特征，取决于2个方面的因素。一方面模型的识别要符合地下水系统的结构与功能特征，另一方面模型要收敛、稳定［15］。GMS在构建地下水系统结构方面可以发挥重要的作用。

3.2 地下水资源评价

通常所说的地下水资源评价是指对地下水资源的数量进行评价，主要内容包括研究地下水量时空分布规律、计算地下水可开采量、预报地下水动态，分析地下水开发利用潜力及提出应采取的工程措施及建议等［16］。

以往开展的地下水资源量评价多采用传统的统计学法、开采抽水试验法等，较难满足在复杂、极端气候条件下、人类活动干预下的精度较高的地下水资源量的评价要求，从而使得地下水盲目开采问题缺乏有效的规划整治方案而形势更加严峻。因此，利用数值模拟技术具有较高精度的特点对地下水资源量综合评价势在必行［17］。通常是采用GMS建立地下水数值模拟模型，得到模拟区的地下水补给资源量和总可开采资源量，预测各种限采情况下地下水恢复情况，对地下水资源进行现状评价和水位预测，提出合理利用地下水资源的措施，为地下水资源的优化管理和合理开发提供科学依据。科学的开发利用地下水资源，使人与环境达到协调统一，为可持续发展创造条件。

赵国红等(2007)运用GMS软件建立三维地下水流的数值模拟模型，对新郑市浅层地下水资源进行现状评价，并对2015年和2020年地下水位进行了预测［18］。邵景力等(2009)运用GMS软件建立华北平原三维地下水流模型，评价了模拟区的地下水补给资源量和总可开采资源量，利用该模型预测各种限采情况下地下水恢复情况，为制定科学合理可行的地下水控采方案提供科学依据［19］。曹广祝等(2011)运用GMS模型软件对沈阳李官堡水源地地下水流场进行了数值模拟预测，通过模型识别和可靠性分析认为，所率定的模型参数符合实际且模型边界条件合理;预测认为该区域地下水资源量不能满足新增企业用水量的需求。

GMS不仅具有应用和推广价值，而且具有为地下水资源科学规划提供科学依据的重要作用［20］。

3.3 地下水开发利用方案优选

地下水是复杂的生态环境系统中的一个敏感组成因子，其变化往往会影响生态环境系统的天然平衡状态。地下水的过量开采会引发一系列的地质环境问题，对人们的生活造成不同程度的影响。如何进行地下水资源合理开发利用的科学管理，直接关系到人与自然和谐发展的问题［21］。地下水的合理开发与利用不仅可以减少对环境破坏，还可以使人类得到长远的发展。所以，在开发利用地下水时，方案优选是有必要的，最大限度的满足人类与环境的协调发展。比较各个地下水开采方案的优劣，选择最优开采方案，实现地下水开采优化控制。

许向科(2006)运用GMS建模软件建立了北京平原区第四系含水层的地下水流数值模拟模型。在分析北京地区降雨规律以及未来开采地下水形势的基础上，提出了水源地三种开采地下水方案，运用所建立的模型对三种方案进行10年模拟期的流场预测［22］。黄昕霞等(2007)运用GMS软件建立了运城盆地地下水水流三维数值模型，模拟预测表明，即使维持现有开采量和开采方式，其水位仍将不断下降，针对这个问题，提出了开发永济黄河低阶地区水源地和同时减少盆地内部开采量的优化开采方案，这对合理利用地下水、缓解地下水位下降有着现实的意义［23］。杜超等(2009)根据双城市水文地质条件建立了概念模型，应用GMS软件建立了研究区地质结构模型及地下水数值模拟模型，考虑自然条件以及开采量的影响，设计6种方案对研究区地下水流进行预报，结果显示以设计开采量对水源地进行开采，水源地投产10年后最大中心水位降深不会超过最大允许降深［24］。

可见，地下水开发方案优选已经被广泛的应用于生产实践中。在地下水资源开发利用的管理过程中，需要改变传统的地下水水资源开发利用的粗放形式，建立科学的模式对地下水资源进行评价与管理，合理开发利用地下水资源，才能使有限的地下水资源在社会经济建设中发挥最大的作用。地下水资源科学管理中地下水开采方案的优化是关键问题之一，而基于数值模拟技术则能充分利用其空间分析和可视化技术，通过对各种开采方案实施后的预测流场、水位的直观对比显示，能够使决策者直观、充分地了解各开采方案的差异，从而为准确、有效地优化地下水开采方案提供支持。因此，基于GMS的地下水开采优化方案的研究对地区地下水资源的科学管理具有较大的现实意义［25］。

3.4 矿(基)坑涌水量预测

矿井涌水量是确定矿床水文地质条件复杂程度的重要指标，更是生产设计部门制定开采方案，确定矿坑排水能力、制定疏干措施，防止重大矿井水害的重要依据。矿井涌水量的预测研究与煤矿安全生产关系重大，一直以来倍受重视［26］。矿坑涌水成为制约矿山深部开采的主要因素。为确保未来矿床深部采矿活动的安全，对矿区进行详细的水文地质调查研究以及深部矿坑涌水量的数值模拟具有十分重要的意义［27］。

洪家宝(2008)运用地下水模拟软件GMS对泰州长江大桥北锚碇(沉井)地下水水流进行数值模拟，预测了其施工期的涌水量和地下水位的动态变化，计算结果与工程实际相吻合［28］。周念清等(2010)利用GMS对上海市南京东路地铁站基坑降水进行模拟，结果表明，现有的地下连续墙深度及降压井布局能较好地满足基坑降水设计要求和施工安全［29］。李曦滨(2010)应用GMS软件建立沙曲井田三维立体模型和地下水渗流的数学模型，实现水文地质结构三维可视化，使数学模型能正确地反映预测区的水文地质条件，达到数值仿真效果;应用有限差分数值法，对石炭系太原组灰岩含水层和奥陶系峰峰组含水层的疏降进行矿井涌水量预测，为矿井的安全生产和防治水工作提供依据［30］。李平等(2011)利用GMS建立了精细的王河煤矿涌水量模拟模型，利用该模型预测了不同开采工作面的矿井正常涌水量和最大涌水量。预测结果可为矿山设计部门确定开采方案、布置排水设备和制定防治水措施提供科学依据［31］。

3.5 地下水溶质运移模拟

地下水埋藏地下，一般不易受到污染，但是随着社会经济的发展，人们用水量加大，工业污染加剧，地下水也受到日益严重的污染。由于地下水的特性，一旦污染，就需要花费非常巨大的代价进行治理修复，因此预防地下水污染是一项紧迫的任务［32］。

国内外许多学者对污染物在含水层中的运移、控制、修复等进行了大量的研究。包括:(1)污染物在地下水中运移的模拟及预测，利用室内或野外试验测定相关弥散系数，结合数学模型，为地下水资源管理和已污染含水层的修复提供定量依据;(2)防止污染源扩散的方案设计研究;(3)海水入侵问题，对人工开采地下水后海水与地下水过渡带的运移分析;(4)高辐射性核废料处置库的选址问题，选择合适的处理库使核废料在其半衰期内与人类生存空间及环境隔离;(5)包气带中污染物的运移问题，评价农田施用化肥、农药、污水回灌对地下水水质的影响，以及土壤盐碱化过程，并实施排盐改碱;(6)已污染的含水层修复研究，包括物理、化学及生物修复技术［33］。

宋汉周(1999)建立了描述场址区含水层中TCA污染运移的数学模型，采用有限差分法求解假定场址区水流呈稳定态，而溶质运移呈非稳定态;数值模拟结果表明，持续去污条件下含水层中TCA污染羽状体的分布范围及其浓度均有明显的减小，3年之后，其去污效率达80%以上，因而认为抽出处理方案于本实例中的应用是成功的;场址污染含水层介质的较强的水力传导性是其主要的有利因素［34］。杨宗杰(2011)选择博兴县南部区域水源地为研究对象，结合该区水文地质条件和观测资料，建立地下水流模型和溶质运移模型，借助地下水模拟软件GMS进行地下水流场和污染物溶质运移模拟，并采用数值法在校正后的水流模型的基础上运用轨迹反向追踪和水力截获技术，划分出不同时间标准下的水源地保护区范围［35］。张楠等(2012)利用GMS软件对吉林市城区氯离子在地下水中的运移进行了模拟，并对氯离子的突发性事故进行风险评估，从模拟结果可以得出氯离子在地下水中的运移情况以及距离污染源不同距离的地方受到污染的时间，距离污染源越远，地下水受到污染的时间越长;河流两岸开采量越大，地下水受到污染的时间越短;一旦当地下水受到突发性污染时能够及时追踪污染带，加强水质监测，同时，为地下水的开发利用和保护提供了科学依据［36］。

地下水污染问题是当前环境污染问题中较为严重的问题，通过对污染物在地下的运移过程进行数值模拟，找出其迁移规律、污染范围及浓度分布，从而为地下水的管理和修复提供定量依据［37］。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因其有效性、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，并受到越来越多的重视和广泛的应用［35］。

3.6 其他方面

GMS还可以用于地下水有关的其他方面，如地面沉降、地下水库选址、工程地基的稳定性、潜水气候变化的影响等。

在我国较早应用GMS的学者是江苏省地质调查院的陈锁忠等人，他们(1999)以GIS为主控模块，选择GMS和地面沉降模型系统(Com pac)，进行了苏锡常地区GIS与地下水运动模拟和地面沉降模拟系统的集成分析和设计［38］。谢轶(2007)在GMS平台上建立了大庆西部水文地质三维可视化模型，论证了大庆西部建设地下水库条件优越，含水层储水、导水能力强，边界条件封闭，水源条件良好，具备人工补给条件［39］。李伟(2010)利用GMS关键建立了钦州市区三维可视化模型，对其进行岩土地基工程地质区划研究，将研究区的地基条件分为三个区，从城区合理规划和经济合理选择建筑物基础的持力层两方面，提出了未来钦州市区的发展方向［40］。陈皓锐等(2012)采用GMS－Modflow软件构建了华北平原吴桥县的潜水运动模型，利用验证后的模型模拟了基准、气候变化和人类自主改变3种情景下未来40年该区潜水位对气候变化和人类活动的响应［41］。

4 结语

目前GMS在我国地下水资源评价和管理中得到较为广泛的应用。该软件模块多，功能全，几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问题。相比其它同类软件如 Mod IME、MODFLOW、和 Visual Modflow，GMS软件除模块更多之外，各模块的功能也更趋完善。GMS软件有诸多优点:(1)概念化方式建立水文地质概念模型;(2)前、后处理功能更强;(3)版本不断更新，功能不断完善。故在地下水模拟领域值得推广使用该软件。但在实际应用过程中，尤其是在建立概念模型、处理源汇项数据、对地层标高进行插值时需特别注意一些典型问题，以避免出现不合理乃至错误的模拟结果［7］。

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