数值模拟在地下水资源评价中的应用研究综述

梁丽青 温宁 胡宇祥

【摘 要】地下水资源十分宝贵，在比较贫水的地区，地下水即为重要的水源。因此，地下水开采显得尤为重要。合理开采地下水，达到可持续发展的目的，则需要合理可靠的地下水资源评价方法。地下水资源的评价方法有很多，如水文地质法，水文的分割法、理化的分析法、和水均衡的方法等，目前最为常用的是水均衡法的传统方法。随着科技和精度的发展，数值模拟也得到了广泛应用。

【Abstract】Groundwater resource is very valuable， in poor areas of water， groundwater is an important water source. Therefore， it is particularly important to explore groundwater. Reasonable exploitation of groundwater and to realize the purpose of sustainable development， it requires reasonable and reliable groundwater resources evaluation methods to exploit underground water reasonably and achieve the purpose of sustainable development. There are many evaluation methods for groundwater resources， such as hydrogeology， hydrological segmentation， physical and chemical analysis， and water balance methods. The most commonly used method is the traditional method of water equalization. With the development of science and technology and the accuracy， the numerical simulation has been widely used.

【关键词】地下水资源；評价方法；数值模拟

【Keywords】groundwater resources； evaluation method； numerical simulation

【中图分类号】P641.8 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）11-0140-02

1 地下水资源的评价方法及对比

1.1 地下水资源的重要性

水是一切生命的起源，是我国乃至世界经济和生活的基础，已经提高到重要的战略地位。水具有双重战略属性：经济资源的基础性和自然资源的基础性[1]，而地下水资源，相对地表水资源的优点是不易污染，是水资源中的重要组成部分。其作为生态的一部分同时又会影响到生态环境，尤其干旱地区，对地下水资源十分依赖，有时可称为“稀缺资源”。在很多地方地下水资源已经成为工业用水、生活用水以及农田灌溉的重要水源之一，对社会和国民经济发展起着十分重要的作用。但是随着人口的不断增长，过度的开采和缺乏统一节约型管理，地下水超采早在过去几十年里就已经成为重要研究内容，如地下水的水位下降问题，地下水的超采问题，地面沉降问题、水污染问题，盐碱地问题等，对生态环境都造成很大影响，甚至造成许多环境上的地质灾害，威胁人民安全，造成经济损失 [2]。

1.2 地下水资源评价的方法介绍和对比

地下水开采尤为重要，合理开采地下水，达到可持续发展的目的，则需要合理可靠的地下水资源评价方法。地下水资源的评价方法有很多，如水文分割法、理化分析法、水文—地质法等水文地质法，水文的分割法、理化的分析法、和水均衡的方法等。而现在常用的地下水资源评价传统方法为水均衡法。水均衡法的方法主要计算补给量和可开采量，通过结合资料分析，得到研究区域地下水是否可以在规定开采量下得到开采保证。其优点在于思路比数值模拟方法清晰，计算简单，工作量较小，对区域的水文地质条件和边界条件要求较低，比较适合初步评价或者宏观上的评价，而缺点则是对于微观上的把控和评价尺度不足[3]。

数值模拟在20世纪70年代已经成为地下水的重要评价手段，其优点在于可以在评价区域内建立不同的边界，既可以把控宏观评价区域，也可以同时把控局部区域的地下水资源评价，其缺点则是对水文地质等资料要求更为详细，操作者需具有一定相关知识外，还必须学习相应的计算机知识。而随着评价尺度要求的提高，数值模拟的方法已然成为地下水资源评价的发展趋势[4-5]。目前，用于地下水资源评价建模的软件有很多，如ModIME、MODFLOW、Visual Modflow和GMS。前三种是针对地下水资源建模的软件，而GMS则具有多种功能，是一个综合软件，软件模块多，功能较为齐全，几乎可以模拟与地下水资源相关的所有水流和溶质的运移问题。

2 评价方法的发展现状与趋势以及吉林省评价方法的应用

地下水资源评价技术的发展伴随着人类对地下水开采的定量发展而发展，其技术方法和定量方法发展可分为三个阶段：

第一个阶段为以解析法为主要方法的时期，时间为20世纪30年代到50年代。第二阶段为以电网络模拟为主的时代，主要时间20世纪50到60年代；而第三阶段则为数值模拟为主的时代，从20世纪60年代至今。自20世纪60年代以来，随着计算机技术的广泛发展，以及对地下水资源尺度和区域地下水资源评价的要求提高，地下水评价的数值模拟方法应运产生，地下水数值模拟的定量评价方法在评价和水资源预估中发挥着不可替代的作用 。我国数值模拟应用到地下水的研究始于20世纪70年代，近40多年来，随着计算机的广泛应用和迅猛发展，地下水评价的数值模拟方法已经在地下水相关的各个领域和部门得到广泛应用，地下水的数值模拟方法已然成为地下水勘察评价的重要手段[11]。多年来，经过数学科学工作者（谢春红、肖树铁、陈明佑、孙纳正、杨天行等）和水文地质工作者（薛禹群、朱学愚、林学钰、陈崇希等）以及相关部门和科学研究院的共同研究，现已接近或者达到了国际水平。

目前，很多水资源评价还都采用传统的水均衡法進行，而对于吉林省在地下水资源中采用数值模拟的研究还不够完善，通过知网查找，吉林省基于GMS的地下水资源评价应用数值模拟没有，将数值模拟应用到地下水资源评价中的找到3篇，其中期刊1篇，硕士论文2篇[6-8]，如边静在其论文“松嫩平原（吉林）地下水动态特征及可持续利用研究”中采用GIS绘制了地下水位埋深的时空变化分布图，并对地下水时空动态进行了分析，确定了地下水动态类型；张健伟在“松原市地下水资源与环境综合信息模拟管理研究”中采用了Visual Modflow对松原市地下水资源与环境综合信息模拟管理研究。而对于综合基于GMS对数值模拟在地下水资源中应用研究还尚存在欠缺。

3 GMS在地下水资源评价中的应用

3.1 通过资料和数据构建出三维地质模型

三维地质模型对于空间地址的复杂性和空间地质结构描述较好，可以反映空间上各种要素之间的关系，从而为相关工作人员提供可靠的地质信息，有助于正确判断和综合分析地质信息。三维的地质模型主要包括模型的可视化表达、地质规律的反映以及地质条件内部特征的反映等内容[2]。因此，需要较好的模拟地质条件，目前较为广泛地应用在构建三维地质模型中的软件是GMS。在模型构建中，对地质单元进行较为精细的剖分，以剖分为基础，识别模型参数，从而对评价区域地下水的几种不同的开采方案进行评价，为评价区在今后建立水资源分配和管理模型提供理论依据，为其经济的发展规划和可持续发展提出相对合理的用水建议。多个实例应用结果表明，GMS具有三维的可视性好、操作上相对简便、前后的处理能力强等一些突出的优点，即便用于长江三角洲这样大范围、条件复杂、实际工作量非常大的地下水资源数值模拟，仍可以达到比较高的精度要求。

3.2 地下水资源评价

传统方法对地下水资源的局部评价和精度上稍有欠缺，因此，利用数值模拟的技术使地下水资源的综合评价具有较高的精度和局域的精度评价势在必行。通过GMS建立的数值模型，可以计算评价区的地下水补给资源总量和可开采总量，并同时预测相关情况，如地下水位在各种限采条件下的恢复情况，对地下水赋存现状和可利用量的预测，提出合理开采地下水的优质建议，提供和对比开采的多种方案，为水资源的优化管理和合理开发提供科学的依据[2]。

4 结论

地下水资源评价在可持续发展过程中非常重要，为提高效率和准确性，应采用先进的数值模拟法和传统方法相结合的综合评价方法。目前，数值模拟软件，GMS得到了广泛应用，但在吉林省内应用还不足。未来的研究和发展中，研究地下水数值模拟的过程中，数值模拟方法值得推广和应用，并且在应用中应分析数值模拟的缺点，并加以完善。

【参考文献】

【1】周念清，朱学愚，唐益群.徐州市地下水资源的数值模拟与评价[J].勘察科学技术，2003（5）：19-23.

【2】纪媛媛，周金龙，杨广焱.GMS在我国地下水资源评价与管理中的应用[J].地下水，2013，35（2）：76-79.

【3】张国飞.基于GMS的河谷冲淤积平原区地下水数值模拟研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2011.

【4】马秀援，于峰，李景龙.区域地下水动态数值模拟[J].岩土力学，2006，（27）：131-136.

【5】吴文强，李文文，刘君利.水均衡与数值模拟法在地下水资源评价中对比应用[J].中国农村水利水电，2009（6）：45-47.

【6】张建伟.松原市地下水资源与环境综合信息模拟管理研究[D].长春：吉林大学，2002.

【7】孙琦，高为超，陈剑杰，等.西北某干旱区多级储水洼地地下水数值模拟[J].地下水，2012，34（1）：38-41.

【8】薛禹群，吴吉春.地下水数值模拟在我国—回顾与展望[J].水文地质工程地质，1997（4）： 21-24.