Visual Modflow在水文地质模型构建及地下水模拟中的应用

祖 斌

(安徽铜冠矿业有限公司，安徽 庐江 231500)

1 引言

Darcy、Dupuit与Theis等水文地质学家提出的相应理论[1，2]，为地下水数值模拟的发展奠定了重要基础。数值模拟在地下水流场、溶质运移、涌水量预测等研究中的应用日益广泛，逐渐成为水文地质研究领域的重要方法。Li等[3]在分析现行模型预测不确定性的基础上，提出了随机地下水模拟方法。Wu[4]将随机理论应用于复杂地下环境中的反应性溶质运移的研究。周念清[5]等采用Modflow模型对地下水位和水量进行了模拟，探讨了地下水开发的合理方案。杨彪等[6]利用Modflow建立了中金岭南凡口铅锌矿区的地下水数值模拟模型，讨论了当地地下水的动态特征。

2 Visual Modflow模拟软件

Visual Modflow模拟水流需满足饱和渗流、适合Darcy定律、密度保持不变、水力传导率和导水系数主流方向恒定等。看似限制条件很多，但实际运用中绝大部分的地下水系统都能满足[7]。该软件最明显的特点是不仅具有较强的模拟功能还易于学习和应用。Visual Modflow软件主菜单由file、input、run、output、setup和help六部分组成，其中操作界面分别为3个相互独立的选项。输入模块以图形方式设置三维地下水分布、流动和溶质运移模拟所需的参数输入。运行模块能够修改功能版块的参数和选项。

3 水文地质数值模型的构建

3.1 概念模型

用数值模型研究复杂的实际地下水特征需忽略或降低对研究对象影响较小的因素，从而实现水文地质概念模型的建立。概念模型须具有真实性，可以真实再现水文地质条件，边界条件应符合流场运动趋势，尽量以完整自然边界作为模型边界，从而保证地下水系统的完整性。

3.2 数学模型

以非均质、各向异性三维非稳定流模型为例，可建立如下水文地质数学模型：

(1)

3.3 水文地质数值模型构建、识别检验

模型构建一般包括网格剖分、边界确定、时间离散、初始条件、参数分析与源汇项赋值。良好的初始条件可以减少模型计算的时间，提高模型计算的精度。参数分区作为模型构建的重要一环，其好坏很大程度上关乎模型建立的臧否。模型识别验证，也称“反演”，即利用水头函数求解地下水均衡方程。通过迭代运算、参数调整，使相关参量的计算值和观测值之间的误差达到最小。可通过采取试算和参数反演相结合的方法，不断改变水文地质参数进行试算，使误差达到研究精度。模型的识别检验一般包括流场拟合、水位分析、水压分析、敏感性分析，其中敏感性分析是研究某一种或多种因素对水文地质模型影响的关键。

4 Visual Modflow在地下水模拟中的应用

4.1 渗流对地下水流场影响

由于渗流强度、渗流路径、渗流方式等的变化，地下水流场也随着发生变化。在充分分析实际水文地质条件的基础上，通过改变渗流参数从而研究渗流对地下水流场影响。由于实际水文地质条件的多变性与复杂性，渗流对地下水流场的影响也不尽相同。刘立才等利用Modflow对不同湖底条件下的地下水渗流场以及动力场特征，将警戒水位作为模型约束条件，为人工湖底铺设材料及方案的选择提供重要依据[8]。

4.2 地下水中污染物迁移

Visual Modflow可以用于模拟地下水在流动过程污染物粒子的运动轨迹(Path)和运动时间(Time)，通过监测污染物粒子在地下水流中的动态输移过程，能够得到地下水流中水质点的示踪流线。马腾等利用Visual Modflow软件建立水文地质数值模型，对某铀尾矿矿库周边铀元素的迁移运动特征及规律进行模拟研究，对比分析了尾矿治理前后的区别，为地下水保护提供技术支持[9]。

4.3 地下水开采预警

地下水开采预警是在分析地下水水位、污染质浓度、边界条件变化的技术上，建立数值模型对开采过程中的特征物理参数进行模拟预测，从而实现超量开采和环境恶化的监控，为地下水的开发利用以及保护提供的管理服务。李平等在地下水的补、径、排条件的技术上，通过建立Visual Modflow数值模型，实现了对水位、水量的模拟、校对与预测预报。对不同开采方案下的漏斗区水位进行了监测，对开采引起的水位降低进行了评价，为制定地下水的合理开发方案提供理论科学依据[10]。

5 存在问题与建议

Visual Modflow在地下水模拟中应用非常广泛，但在地下水混合井流的模拟中却存在不足。Visual Modflow对混合观测孔未做讨论。放弃混合观测孔欠妥，由于仅观测孔口流量Q为零，而孔内存在“抽、注水”。边界条件设置不当可能导致模拟预测结果失真，从而使得模型失去实际意义。建议边界条件刻画之前充分了解模拟区的补给排泄条件，特别是人工边界的选取应做全面考虑。该软件以矩形对模型进行网格剖分，导致模型不规则边界和非均质参数分区的难度大大增加，是模型与实际差异的原因之一。流动系统的非均质性是地下水流动及物质运移模拟中最主要的困难之一。在建立数学模型时要充分考虑主要影响因素，通过分析各因素的显著性来简化模型。