浅议地下水模型对地下水管理和保护的技术支撑

陆垂裕，吴 初，何 鑫，唐克旺

（中国水利水电科学研究院 流域水循环与调控国家重点实验室，100038，北京）

我国地下淡水天然资源量占国内水资源总量的1/3，受气候变化和人类活动影响，地下水开采量占可采量比例持续增长，相当地区地下水处于超采状态。长期超采地下水，严重威胁区域用水安全，引发系列生态地质环境问题。2021年12月1日《地下水管理条例》正式施行，水利部先后印发《关于复苏河湖生态环境的指导意见》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，水利部办公厅印发《“十四五”时期复苏河湖生态环境实施方案》，对地下水管理与保护提出了更高的要求。

地下水模型可以求解许多水文地质问题，如地下水资源评价、地下水中污染物质的运移等。国外在加强地下水管理与保护方面多借助于模型技术，如美国的MODFLOW和德国的FEFLOW等，在世界范围内广泛使用。我国地下水模型研究起步较晚，发展至今也提出了系列模型，但都没有公开。

在水利高质量发展的新阶段，亟须推出具有自主知识产权的地下水通用模型，解决“卡脖子”技术问题，同时开展全国地下水模型应用推广，为加强地下水管理和保护提供技术支撑。

一、地下水模型研究进展

地下水模型是以水文地质概念模型为基础所建立的，能刻画和再现实际地下水系统结构、运动特征和各种渗透要素的一组数学表达式。模型求解的发展历程主要为1935—1950年的解析解法、1950—1965年的电网络模拟和现阶段的数值模拟，本文就地下水模型的数值模拟及全国尺度地下水模型展开讨论。

1.国外研究进展

（1）地下水模型发展历程

从20世纪70年代开始，国外研究机构开展了广泛的地下水模型研发，在90年代有一个集中的爆发期，现今流行的模型如MODFLOW、FEFLOW、MIKE SHE和HydroGeoSphere等纷纷面世。

地下水模型在模型流派上主要分为“狭义”和“广义”两种：狭义的地下水模型指仅以地下水系统为研究对象的数值模拟模型，其基本原理是建立地下水三维流体方程，在网格上通过数值法求解，外界与地下水系统间的水分通量需显示给定，代表性模型软件有MODFLOW和FEFLOW等；广义多指从流域水循环转化整体过程角度出发的耦合模型，地下水模拟作为模型的一个组成部分（或模块），计算有粗有细，其基本原理是采用概念性的线性水库（不考虑侧向流动）或三维地下水数值模拟，外界与地下水系统间水量通量由模型通过不同系统间的耦合模拟自动确定，代表性模型软件有SWAT和MIKESHE等。

从近年来的发展趋势看，狭义地下水模型增加了地表水、地面过程等模块，广义耦合地下水模型在地下水方面更加精细化，两者间的界限更加模糊。国外地下水模型发展的另一个特点是用户图形界面逐渐普及，使地下水模型的操作门槛降低，不同的图形界面可能所用的地下水模型是一样的，如GMS和Visual-Modflow。同时，带图形界面的模型多为付费商业化软件。

（2）全国尺度的模型应用

随着地下水模型技术的发展，一些国家逐渐开展了全国尺度的模型应用，并作为地下水管理的重要辅助工具。

①美国

目前美国没有官方的全国尺度地下水模型。美国境内一共有大大小小30余个地下水盆地，每一个主要的地下水盆地都有相对应的模型，多采用MODFLOW。美国的“国家水资源普查”，类似我国的水资源评价，将盆地尺度地下水模型的输出结果汇总到一起，包括地下水储量、补给量、排泄量。美国有全国统一的地表水模型“国家水文模型基础设施”，其中包括了土壤水模块，但一般认为此模型不属于地表—地下水耦合模型。

②荷兰

荷兰水文模型研发历史悠久，拥有全国尺度的地表—地下水耦合模型“荷兰水文工具（NHI）”，其由荷兰知名的水务研究机构Deltares研发，已于2014年开始正式上线运行，持续在官方网站向社会公布相关信息。从地表到地下，NHI一共集合了5组模型代码，分别针对不同的水文过程，地下水模块是基于MODFLOW。

③英国

英国拥有全国尺度的地下水模型“国家地下水模型系统（NGMS）”，是专门针对地下水而建立，由英国环保部委托荷兰Deltares研发。目前为非公开的内部运行，当前版本覆盖了英格兰和威尔士地区。NGMS采用了通用模型可视化界面Delft-FEWS，其内核是基于MODFLOW，特点是易用性强，用户可以自行设定气候、地下水开采等情景，系统反馈该情景所产生的影响。

④丹麦

丹麦拥有全国尺度的地下水模型“丹麦国家水资源模型（DKModel）”，自1996年开始，由丹麦与格陵兰地调局（GEUS）负责开发，也是全球范围较早开始研发全国尺度地表—地下水耦合模型的国家。模型代码是由丹麦水利研究所（DHI）开发的MIKESHE模型，对地表—地下水水文过程进行了紧密耦合，地下水模拟算法类似MODFLOW。将全国分为7个子模型，分别建模后再进行拼接，网格大小为500 m×500 m，模型数据对外开放。DK model可以生成主要地表水、地下水变量的全国分布图，以及全国各个区域地下水水均衡。

总体而言，目前开展全国尺度地下水模型应用的国家还较少，主要是欧洲国土面积偏小和地下水赋存形式较单一的国家。全国尺度地下水模型建模难度相对较小，模型主要以模拟自然过程为主。使用的模型多为MODFLOW，也有的使用MIKE SHE这样的耦合模型。

2.国内研究进展

（1）地下水模型技术研发

从20世纪七八十年代开始，我国知名地下水学者均在地下水数值计算方法上开展了大量研究工作。如林学钰提出了承压含水层中二维溶质运移和弥散的微机模拟；薛禹群研制了地下水污染模型，耦合海水入侵、大区域地面沉降模块；武强提出了地表水、地下水和土壤水之间的水力耦合模型；陈崇希研制了基于多边形网格的三维地下水流有限差分模拟系统等。但这些模型均未形成国内流行的计算软件，多数作为内部使用，这可能与国内当时计算机的普及程度、商业软件开发能力等有关。

中国水利水电科学研究院（以下简称“水科院”）从20世纪80年代开始开展地下水模型研究工作，经过几十年的研究积累，目前水科院已拥有自主知识产权的地下水模型COMUS。COMUS模型是基于C++语言面向对象模块化开发，输入/输出依靠数据库技术的地下水模型，其数值算法是基于网格单元中心差分法。在河流—地下水相互作用模拟方面，COMUS能够模拟由自然河道、灌区渠系构成的复杂地表水系统的引水、分水、用水、排水等人工行为，在灌区条件下的地表—地下水作用模拟方面具有显著优势，充分体现自然—人工二元特色；在湖泊—地下水相互作用模拟方面，COMUS模型采用“倾斜湖底”的算法，能够尽量减少含水层垂向分层，较好解决了湖泊边界条件的连续性问题和收敛性问题，模拟计算成本更低。

此外，水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院开发了具有自主知识产权的变密度地下水数值模拟与预测软件平台Visual VFT3D，其耦合MODFLOW、MT3DMS、PHREEQC三个模型功能，实现复杂水文条件下变密度地下水流及多组分溶质反应性迁移过程的模拟，利用该模型完整模拟了大沽河流域水文循环过程及海水入侵过程。陈崇希等开发了地下水三维流多边形有限差分法数值模拟系统（PGMS），能够完成含水层系统的三维流数值模拟，其离散化方式为分层的三维任意多边形有限差分网格，有利于处理复杂的边界条件和水文地质特征。

（2）地下水模型应用

我国华北平原地下水超采最为严重，问题也最为复杂，很多学者都先后在华北平原开展过模型研究工作，如邵景力等应用GMS和FEFLOW等软件构建地下水流数值模型，模拟与预测气候变化和人类活动双重作用下地下水流变化特征。其次，西北内陆干旱区水资源极度短缺，生态环境脆弱，开发利用敏感，也是国内研究地下水模型的热点区，如张光辉等构建黑河流域地表水—地下水流耦合模型，揭示区域水循环演化模式。在国内其他地区，如吴吉春等在长江三角洲和山西柳林泉域、钱家忠等在济南泉域、田开铭等在东北平原、侯广才等在鄂尔多斯盆地、唐仲华等在江汉平原、王旭升等在珠江三角洲、许模等在青藏高原地区，均开展了大量地下水模型的研究工作。总体而言，国内学者在全国各地下水重点区域都开展了地下水模型研究，但所用的模型软件各不相同，难以在全国尺度进行统一。

二、全国尺度地下水模型建设探讨

1.建设的必要性

《地下水管理条例》提出要强化地下水节约与保护措施、严格实施地下水超采治理措施和加强地下水监督管理等。同时，《水利部办公厅关于印发“十四五”时期复苏河湖生态环境实施方案的通知》明确提出实行地下水取水总量和水位控制，对地下水保护与利用提出了更高的要求。在水利高质量发展的新阶段，通过全国尺度地下水模型建设可以为全国地下水管理“水利一张图”提供重要基础数据信息，支撑对地下水“评价—规划—管理—保护”各环节实施方案的科学论证。在管理方面，基于模型的地下水数字孪生和水量水位预警，可提升地下水信息化管理水平和强化地下水监管等；在保护方面，基于模型的生态补水效果模拟和储备量模拟评价，可支撑河湖生态补水效果评价和建立地下水储备制度。

同时，水利部《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》明确提出要加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强力驱动，地下水模型是其中的重要内容，也是目前智慧水利规划和建设中的一个薄弱环节，迫切需要加强研制。全国尺度地下水模型建设可以支撑地下水“四预”功能建设，模型可对区域水均衡、地下水流场、地下水水位等信息进行预报；对重点防护区的地下水水位、开采量、泉流量等指标设置预警；针对日常和应急管理需求（如特殊干旱，突发污染），制定不同方案进行预演预练；根据预演结果，对日常和应急情形，分别制定多套地下水利用和保护预案。

2.建设实施路径

全国尺度地下水模型建设的可行性主要分为三个方面：核心计算模型研发、全国尺度模型集成平台和数据底板。

在核心计算模型研发方面，首先要拥有自主知识产权，针对国内地下水特色进行研发，以满足大多数地区地下水模拟和管理应用需求。其次研发的模型要进行实际工程检验，确保计算结果稳定可靠，并公开模型代码和设计接口，供国内科研人员监督学习。

在集成平台建设方面，应基于同一套底图，实现网格化的海量数据与成果的展示与共享；支持并集成全国各区域地下水模型建模，为通用模型的模拟和预测提供输入数据处理服务，为模拟结果输出提供汇总分析服务；展示全国地下水资源量（总地下水补给量和排泄量、储存资源量）的空间和时间分布；更需要支持云计算（远程）和云储存等功能。

在数据底板方面，目前全国1:20万水文地质调查完成面积为724万km2，基本能够支撑构建全国尺度地下水模型；国家地下水监测工程一期已完成，全国监测井2万余眼，全国平均站网密度约为5.8站/1 000 km2。至少在重点盆地和平原区，地下水监测数据能较好支撑构建全国尺度地下水模型；全国地下水资源及开发利用评价有关地下水资源、水质、供用水量等数据基本覆盖了水资源三级区套县或县级尺度，也为全国尺度地下水模型的驱动提供了可行数据基础。

三、建立全国尺度地下水模型的建议

近几十年我国在地下水数值模拟的应用上取得很多成果，但原始创新相对较少，多数是跟踪性的。当前地下水新技术、新方法的开发主要由欧美发达国家主导，这些问题和我们的基础相对薄弱有关。新阶段通过科技创新加强地下水管理与保护，建立全国尺度地下水模型是关键技术因素。

地下水模型技术方面。目前全国各重点地区都构建了地下水模型，但所用技术大都是国外模型且各有不同，很难统一。建议加快研发具有自主知识产权的地下水通用模型，打破国外技术垄断，避免“卡脖子”技术问题。

全国尺度地下水模型基础数据方面。构建模型需要大量的基础数据，如水文地质条件、地下水水位、地下水取用水量等，一是建议水利部、自然资源部、农业农村部、生态环境部等多部门协调合作，基础数据共享，使模型计算更加精确；二是建议加快推进国家地下水监测工程二期，在空间上提供更紧密的地下水位监测，更好地服务于模型的构建与验证，模型也可以反馈监测工程的实效性。

建立全国尺度地下水模型方面。我国地形复杂多样，水文地质条件差异性较大，然而全国重点平原和盆地区位置分散，地下水系统各自基本不影响。建议在重点平原和盆地分区建立模型，再集成为全国尺度地下水模型。 ■