地下水水质实时预报系统开发及应用——以下辽河平原为例

杜 超, 肖长来, 吕 军, 田浩然

1.松辽流域水资源保护局松辽水环境科学研究所, 长春 130021 2.吉林大学环境与资源学院, 长春 130021

地下水水质实时预报系统开发及应用
——以下辽河平原为例

杜 超1, 肖长来2, 吕 军1, 田浩然1

1.松辽流域水资源保护局松辽水环境科学研究所, 长春 130021 2.吉林大学环境与资源学院, 长春 130021

地下水数值模拟需要大量的监测数据作为支撑，数据的录入耗时耗力，存在出错的可能，且不能第一时间进行实时快速预报。采用VB语言编程技术,以识别和验证后的下辽河平原地下水流数值模型和地下水溶质运移数值模型为基础,重新编译后的MF2K和MT3DMS为内核计算程序,Microsoft SQL Server 2000为数据库，开发了模型与地下水实时监测系统的接口，集成建立了下辽河平原地下水水质实时预报模型，并开发了操作界面下的操作系统，实现了下辽河平原地下水水质的实时预报功能。该系统将地下水实时监控技术与地下水数值模拟技术结合，操作简便、时效性强、出错概率小，能够实时获取地下水水位、水质监测数据，对地下水流场和地下水溶质浓度场的演化进行快速预报。同时，本系统预留了更新接口，可根据逐步积累的地下水监测数据和系统计算数据进行进一步验证，不断提高系统预报的精度。

实时预报系统；数值模拟；地下水水质；溶质运移；系统集成

下辽河平原人口众多、工农业发达、地下水超采严重，是我国人类活动最为强烈的区域之一[1-4]，地下水水质在强烈的人类活动下也逐渐趋于恶化[5-6]。实时掌握地下水水质状况，并做出科学的模拟和预报，是对下辽河平原地下水资源管理工作者提出的必然要求。目前，地下水数值模拟技术已相对成熟，GMS、Visual Modflow等商业模拟软件已被广泛应用于我国地下水研究和管理中[7-9]。但地下水数值模拟需要大量的监测数据，数据的录入耗时耗力，存在出错的可能，且不能第一时间进行实时快速预报；同时要求操作者具有专业的水文地质基础知识作为技术支撑，不便于基层工作者开展工作。因此，将地下水实时监控技术与地下水数值模拟技术结合，建立一套操作简便、时效性强、出错率低的地下水水质实时预报系统，对于保障下辽河平原地下水水质安全十分必要。

1 地下水水质实时预报原理

在地下水流数值模型及地下水溶质运移模型的基础上，以Fortran修改编译后的MF2K(Modflow2000)和MT3DMS为内核计算程序，采用VB语言进行系统集成，开发其与地下水实时监测数据库的接口，实现地下水水质实时预报功能。

1.1 内核计算程序

MF2K和MT3DMS是分别用于模拟多孔介质中三维地下水流和溶质运移的计算机程序，采用有限差分法进行求解，是世界上两大地下水数值模拟软件GMS和Visual Modflow的水流模型和水质模型内核程序，已被广泛应用于世界各地的地下水数值模拟评价中。在近几年刚刚完成的中国北方平原区地下水资源评价项目中，中国北方地区的主要平原区和盆地的地下水均进行了数值模拟，采用的水流模型基本都为MF2K；MT3DMS已在实际应用中被不断验证，取得了良好的模拟效果。MF2K和MT3DMS是当今世界上最为流行及可靠的地下水水质模拟程序，源程序及源代码完全公开[10-11]。

根据实时预报系统的需要，采用Fortran语言对MF2K和MT3DMS内核计算程序进行了部分修改及编译，作为水流模型和溶质运移模型的计算内核程序。

1.2 实时监测数据读取

地下水水质实时预报需要的实时数据主要包括降水、蒸发等实时气象监测数据，地下水位、地下水质等实时地下水监测数据，供水量、用水量等实时供用水监测数据等。

系统采用VB中的ADO控件与地下水实时监测数据库连接，获取实时监测数据。

1.3 地下水流场实时预报

地下水流场实时预报模型的构建基础是利用MF2K建立的地下水流数值模型。获取实时监测数据或手动输入数据后，系统对MF2K水流模型的输入文件进行修改，并对文件中的相关变量进行实时更新，则可完成对实时预报模型的前处理过程；然后调用MF2K内核程序进行计算，对地下水流场进行实时预报。地下水流场实时预报模型相关输入文件见表1，运行流程见图1。

图1 地下水流场实时预报模型运行流程图Fig. 1 Running process of real time groundwater flow prediction model

1.4 地下水水质实时预报

地下水流场实时预报模型的构建基础是利用MT3DMS建立的地下水溶质运移模型。由于水质模型是依赖于水流模型的，因此，水质模型的时空离散及计算方案不再单独另设，而与水流模型同步。提取标准输入文件后，根据应力期的设置情况对标准输入文件进行实时更新，随后链接水流模型MF2K生成的水位链接文件(.FTL)，调用MT3DMS模型进行实时预报。地下水水质实时预报模型相关输入文件见表2，运行流程见图2。

表1 地下水流场实时预报模型输入文件及用途

Table 1 Input files and functions of real time groundwater flow prediction model

文件文件类型文件用途.namNAME文件定义程序运行所需输入文件和输出文件的名称和路径.dis离散文件定义模型离散状况及含水层、地下水流的性质.zon分区文件定义模型参数分区.ba6基本属性文件定义活动单元格、初始水位.oc输出设置文件定义是否输出结果与保存相关设置.lpf层特征文件定义渗透系数、给水度、储水系数等水文地质参数.riv河流文件定义河流与地下水转化过程中的参数及变量值.rch面状补给率文件定义面状补给源汇项.wel井文件定义井流量.chd定水头文件定义定水头边界.sip强隐式法文件定义强隐式求解法相关参数

表2 地下水水质实时预报模型输入文件及用途

Table 2 Input files and functions of real time groundwater quality prediction model

文件文件类型文件用途.mtsNAME文件定义程序运行所需输入文件和输出文件的名称和路径.btn基本溶质运移文件定义模型网格剖分、时间离散及初始浓度.adv对流文件定义对流过程求解的一些参数设置.dsp弥散文件定义弥散过程求解所需的一些参数,如弥散度.gcgGCG文件定义GCG求解法的一些参数设置.lmt链接文件定义与MF2K模型的链接设置

图2 地下水水质实时预报模型运行流程图Fig. 2 Running process of real time groundwater quality prediction model

2 下辽河平原概况

2.1 地理位置

下辽河平原地处辽河中下游，沿北东至南西方向分布在辽宁省中部地区，纵向长度约为240 km，宽度为120～140 km，平原区面积约21 929 km2。下辽河平原在行政区划上包括了辽宁省中部城市群，是东北地区规模最大的区域一体化经济区，同时也是辽宁省的重要产粮区。

2.2 气象水文

下辽河平原属温带半湿润、半干旱季风气候，四季区分明显，雨季集中，日照时间长。多年平均气温为7.1～8.9℃，气温北高南低；降水量由南东向北西递减，多年平均降水量为500～750 mm。

研究区内水系发达，主要划分为辽河--双台子河水系、浑河--太子河水系、大凌河--小凌河水系。

2.3 水文地质

下辽河平原地下水资源较为丰富，平原上部广泛分布第四系松散岩类孔隙含水层，第四系之下普遍分布上第三系馆陶组和明化镇组的砂砾岩、砂岩和泥岩互层的地层。本次研究对象为第四系松散岩类孔隙水，其含水层厚度大、分布稳定、水量丰富、开采方便，是研究区内最主要的地下水类型。

下辽河平原地下水受天然因素和人为因素的共同影响，从补给区、径流区到排泄区形成了不同的地下水水化学类型，存在着较为明显的水平分带特征。地下水从补给区流向排泄区的过程，就是地下水化学组分的演化过程：降水携带的组分不断减少，岩石当中的组分不断溶滤进入地下水，矿化度逐渐升高；水化学类型由HCO3-Ca型逐渐转变为Cl-Na型。

3 下辽河平原地下水流数值模型

3.1 水文地质概念模型

本次研究针对的是下辽河平原第四系松散岩类含水层，含水层的厚度和岩性在研究区范围内均有不同程度的变化，因此将其概化为非均质各向同性含水层。水流特征概化为准三维非稳定达西流。

研究区北、东、西三面为山前地带，概化为二类流量边界；研究区南部为滨海三角洲地区，在靠近入海口的侧向边界地下水位趋近于0，概化为一类水头边界。潜水含水层顶部为水量交换边界；含水层底部为相对隔水边界。

3.2 数学模型离散

根据研究区的水文地质概念模型，建立第四系松散岩类孔隙含水层的非均质各向同性非稳定流的数学模型。

研究区总面积为21 929 km2，对其进行矩形剖分，剖分为230列、221行，共30 808个网格单元，每个网格长1 000 m、宽1 000 m，面积为1 km2。采用2000年1月到2007年1月的地下水长观资料进行识别和验证，应力期设置为1月，时间步长为15 d。故将整个模拟期离散为84个应力期，每个应力期划分为2个时间段。

3.3 模型的识别和验证

将模拟期内各源汇项及参数初值输入模型后，运行至模拟期末刻。将模型计算水位与实测水位进行拟合，并对拟合误差进行统计。结果表明，水位拟合误差小于0.5 m的结点数达到已知水位结点数的80 %以上，计算水位与实测水位拟合程度良好。典型站点地下水水位拟合情况见图3。

图3 地下水水位拟合图Fig. 3 Fitting chart of groundwater level

模拟期涵盖了丰、平、枯等不同代表性水文年，通过长时间序列地下水观测数据识别和验证出来的模型具有较高的仿真性，能反映出下辽河平原第四系含水层的实际特征，通过反演所确定的水文地质参数是可靠的。

4 下辽河平原地下水溶质运移模型

4.1 概念模型

矿化度反映水中含盐量的多少，是区分咸水和淡水的重要标志，也是地下水环境质量评价中的一个重要指标，因此选择矿化度作为本次模拟的模拟因子。将矿化度处理为一种溶质，其溶质运移过程符合对流-弥散原理，且弥散作用符合Fick定律[12-13]。

侧向边界均概化为浓度边界。对南部入海边界，取海水平均浓度为浓度边界；对其他侧向边界，依据绘制的浓度等值线分别进行赋值。对研究区内的河流内边界，将其处理为地下水中矿化度的一个外源，其矿化度依据河水的平均成分进行赋值。

垂向上，将大气降水、地表灌溉用水携带的矿化度处理为地下水中相应组分的外源；蒸发浓缩作用在潜水面发生，由模型根据蒸发量自动计算。含水层底部概化为隔水边界。

4.2 数学模型

地下水准三维非稳定流溶质运移的可混溶对流-弥散数学模型为

地下水溶质运移对流-弥散模型的求解需要地下水流模型的支持。因此，对计算区的空间离散及时间离散沿用水流模型的设置。

4.3 模型的识别和验证

将源汇项、初始浓度场、初始参数输入模型后，运行模型并进行拟合，直至拟合程度符合要求为止。矿化度拟合情况见图4。

通过拟合结果可以看出，计算矿化度场与实测矿化度场的拟合程度较好，精度较高，说明所建立的模型能够真实和客观地反映研究区地下水的溶质运移规律，通过反演所确定的水质模型参数是可靠的。

a. 实测矿化度场；b.计算矿化度场。图4 地下水矿化度场拟合图Fig. 4 Fitting chart of groundwater mineralization

5 下辽河平原地下水水质实时预报系统

5.1 系统总体结构

本系统开发选择以C/S结构为基础的类三层结构，包括客户层、类中间层和服务层。客户层由本次编写的程序来完成，是用户直接操作的程序，绝大部分用户的操作、数据的处理、功能的实现等都由它来完成，是类三层结构中功能最强的一部分。类中间层由Microsoft SQL Server 2000数据库的服务器端来完成，主要用于把客户层所请求的操作转换为服务层所能识别的语言，并进行数据的完整性与规范性检查。服务层所完成的功能主要是调用实时数据等，主要由Microsoft SQL Server 2000数据库管理系统来实现[14]。

本系统包括地下水流实时预报模型和地下水水质实时预报模型，它们分别以MF2K和MT3DMS为计算内核。在开发各模型的过程中各自独立进行，模型与模型之间通过链接文件实现对接。各模型通过连接实时监控系统的数据库获取实时数据，也可不与数据库相连，采用人工输入的方式进行操作。系统总体结构见图5。

图5 下辽河平原地下水水质实时预报系统结构图Fig.5 Structure of real time groundwater quality prediction system in Lower Liaohe River Plain

5.2 系统开发模式

根据系统的总体结构及功能设计，本次研究选择模块化的开发方式，即在系统总体结构的框架下，单独开发各特定功能的模块化程序，以供其他模块调用。每个模块具有相对的独立性，可完成各自模块相应的设计功能。采用模块化封装后的程序出错概率很小，提升了程序的稳定性。

图6 系统快速实时预报示意图Fig. 6 Diagram of real time prediction of the system

本次系统的集成开发以及模型与地下水实时监控系统对接的接口开发采用Visual Basic语言，对MF2K和MT3DMS内核计算程序的修改及编译采用Fortran语言。

5.3 系统整合及功能实现

在下辽河平原地下水流数值模型及地下水溶质运移模型的基础上，以MF2K和MT3DMS为内核计算程序，采用VB语言对其进行了系统集成，并开发了其与地下水实时监测数据库的接口，建立了下辽河平原地下水水质实时预报系统，系统的主要功能如下：

1)地下水监测信息的实时接收处理功能。能够实时接收通过自动监测仪器获得的监测数据，如实时地下水位、实时地下水离子浓度等；联机程序化输入通过手持式移动数据采集器获得的相关测站(点)的监测数据；交互式手工录入通过人工观测记录获得的监测数据资料；程序化批量输入历史监测(观测)数据资料；联系输入通过网络传输获得的监测信息。

2)地下水流场实时预报功能。根据实时监测的水文气象、地下水水位等信息，或通过手动输入赋值，以及用户设置的应力期和时间步长，实时计算模拟期各源汇项，从而对研究区地下水流场进行预报，为地下水水质实时预报提供地下水动力场数据支持。

3)地下水水质实时预报功能。根据实时监测的地下水水质数据，以及实时预报的地下水流场数据，对全区地下水水质浓度场进行实时预报。

4)实时模拟预报结果可视化功能。利用VB在系统内部窗口中调用Surfer Automation功能，将实时预报的地下水流场和地下水水质浓度场进行图形可视化。

5)模型的修改完善功能。随着实际监测值的不断获取，可利用模型计算值与监测值进一步进行验证，不断修改完善本系统。系统预留更新升级接口，只需替换程序中水量水质模型的相关源文件即可完成。

5.4 系统应用——快速预报实例

根据系统预设方案进行下辽河平原地下水水质实时快速预报:

1)选择平水年及模拟期为5 a的快速预报方案。

2)从地下水实时监测系统数据库中读取当前时间的地下水水位和水化学成分浓度值，并由模型在后台自动插值生成初始流场和初始浓度场。

3)选择预设源汇项为平水年的默认设置，直接运行水流模型，得到水质模型所需的地下水流场。

4)在水流模型运行完毕后，运行水质模型，得到预报结果，见图6。

6 结语

采用VB语言和数据库技术，基于MF2K和MT3DMS建立的下辽河平原地下水水质实时预报系统能够实时获取地下水水位、水质监测数据，对地下水流场和地下水溶质浓度场的演化进行快速预报，实现了地下水实时监控技术与地下水数值模拟技术的结合。与传统的地下水数值模拟相比，使用该系统无需耗费大量时间和精力进行数据处理和录入工作，减少了出错概率，系统操作简便，时效性强，并可根据逐步积累的监测数据和计算数据进行进一步验证，不断提高预报精度。该系统可为下辽河平原地下水资源的合理开发利用及污染预警提供科学依据。在本系统的基础上，建议进一步开发集成水文地球化学运移模型的实时预报系统，不断完善系统功能，提高模型预报精度。

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Development and Application of Real Time Groundwater Quality Prediction System: An Example in Lower Liaohe River Plain

Du Chao1, Xiao Changlai2, Lü Jun1, Tian Haoran1

1.SongliaoInstituteofWaterEnvironmentScience,SongliaoRiverBasinWaterResourcesProtectionBureau,Changchun130021,China2.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun130021,China

Groundwater numerical simulation requires mass monitoring data as basic support. The input of data requires much time and energy, which may cause fault and could not predict groundwater quality immediately. Using VB language, based on calibrated and validated numerical model of groundwater flow and solute transport of Lower Liaohe River Plain, re-compiled MF2K and MT3DMS as calculation kernel programs, Microsoft SQL Server 2000 as database, the interface of real time groundwater monitoring system is established, integration of Lower Liaohe River Plain groundwater quality real-time forecast model is established, and the operation system is developed, achieving the function of real time groundwater quality prediction in Lower Liaohe River Plain. The system combines real-time monitoring technology with the groundwater numerical simulation technology. It has advantages of simple operation, strong timeliness and small error probability. The system can collect real time data of groundwater level and quality, and predict future groundwater level and groundwater solute concentration immediately. Meanwhile, update interface is pre-set to improve prediction accuracy according to accumulated groundwater monitoring data and calculated data.

real time prediction system; numerical simulation; groundwater quality; solute transport; system integration

10.13278/j.cnki.jjuese.201405206.

2013-12-19

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07601002-002)

杜超(1985--)，男，工程师, 博士，主要从事水资源保护方面的研究和工作，E-mail:cattle53@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201405206

P641

A

杜超, 肖长来, 吕军，等.地下水水质实时预报系统开发及应用：以下辽河平原为例.吉林大学学报:地球科学版,2014,44(5):1625-1632.

Du Chao, Xiao Changlai, Lü Jun, et al.Development and Application of Real Time Groundwater Quality Prediction System: An Example in Lower Liaohe River Plain.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(5):1625-1632.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201405206.