基于MODFLOW在地下水資源評(píng)價(jià)的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)展望

李小玲，鄧英爾，蔡尚俊

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

近十幾年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的大量涌現(xiàn)和數(shù)值方法的推廣，許多數(shù)值模擬軟件逐漸替代傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，成為模擬分析評(píng)價(jià)地下水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的主要手段。目前數(shù)值模擬方法主要有有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等，而較著名的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件有 Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW 等，這些通用的地下水模擬軟件在我國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)中發(fā)揮了重要作用。

1 MODFLOW介紹

目前國(guó)內(nèi)外最常用于水流模型的計(jì)算機(jī)程序軟件是MODFLOW［1，2］(Modular Three － dimensional Finite － difference Ground－water flow model的簡(jiǎn)稱)，它是由美國(guó)地調(diào)局(U.S.Geological Survey)的 McDonald和 Harbaugh于二十世紀(jì)八十年代開(kāi)發(fā)的基于DOS操作系統(tǒng)專用于多孔介質(zhì)中地下水三維有限差分法地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，Domenico and Schwarz(1998)and Fetter(2001)補(bǔ)充擴(kuò)展，推進(jìn)了其發(fā)展應(yīng)用。MODFLOW模型采用模塊化結(jié)構(gòu)［3］，其應(yīng)用模塊包括 MODPATH(Pollock 1994，粒子跟蹤)、MT3DMS(Zheng and Wang 1999，溶質(zhì)運(yùn)移)、SEAWAT(Guo and Langevin 2002，密度影響溶質(zhì)運(yùn)輸)、PHT3D(Prommer et al 2003，反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移)、SEAWAT(第四版，其中包括熱傳播(Langevin et al 2008))，都具有最直觀和強(qiáng)大的圖形交互界面。

MODFLOW模型的應(yīng)用功能主要表現(xiàn)在［1］:一、模擬研究水質(zhì)點(diǎn)的向前、向后示蹤流線，如Modpath能較方便地計(jì)算出三維流線的分布狀態(tài)和任意時(shí)間水質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)位置;二、專門模塊Zone Budge對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)任意水均衡域建立水均衡區(qū)可方便得到所選定均衡域和整個(gè)模型區(qū)的全部水均衡信息。此外，用戶還可以利用此功能計(jì)算垂直滲出面的滲出量，以及通過(guò)斷裂構(gòu)造預(yù)測(cè)水通量;三、可方便讀取地理信息系統(tǒng)輸出的圖形文件和各種數(shù)據(jù)文件，GIS技術(shù)具有的強(qiáng)大的空間信息處理能力和分析功能，在數(shù)值模擬中發(fā)揮著重大作用，它為地下水三維數(shù)值模擬的開(kāi)發(fā)與GIS耦合奠定了基礎(chǔ)。

Visual MODFLOW是目前公認(rèn)且應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件，主要用于三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)。Visual MODFLOW軟件是加拿大Waterloo Hydrogeologic Inc公司基于MODFLOW開(kāi)發(fā)的可視化地下水流數(shù)值模擬軟件，其界面設(shè)計(jì)包括三大模塊，既相互聯(lián)系有相對(duì)獨(dú)立，即前處理模塊、執(zhí)行模塊和后處理模塊。前處理模塊為直接在計(jì)算機(jī)上輸入幾何參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù)、計(jì)算方法參數(shù)和邊界條件等信息以建立一個(gè)三維模型;執(zhí)行模塊可根據(jù)用戶計(jì)算模擬的需要，修改各類參數(shù)值;后處理模塊為方便用戶在屏幕、打印機(jī)、圖形或文本文件格式上輸出模擬結(jié)果。

2 地下水資源評(píng)價(jià)的方法和步驟

目前評(píng)價(jià)地下水資源最常見(jiàn)的方法有水均衡法、解析法和數(shù)值法等。通常，水均衡法的基本原理、計(jì)算公式簡(jiǎn)單，要求成果較為粗略，在許多情況下適應(yīng)性強(qiáng)［4］;解析法往往對(duì)實(shí)際自然條件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理［5］;而在地下水資源評(píng)價(jià)方法中應(yīng)用最多的屬數(shù)值法，其能將復(fù)雜的水文地質(zhì)條件包括起伏多變的地形，厚度不均的含水層，非均質(zhì)，補(bǔ)給、排泄條件復(fù)雜，多層不連續(xù)，時(shí)空差異性大的水文地質(zhì)參數(shù)等的整個(gè)地下水系統(tǒng)及與之相關(guān)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境要素的處理較符合實(shí)際情況［6］，是未來(lái)數(shù)學(xué)模擬的主要研究方向之一。

應(yīng)用數(shù)值法評(píng)價(jià)地下水資源可按以下幾個(gè)步驟依次進(jìn)行:

(1)建立計(jì)算域的水文地質(zhì)概念;

(2)建立計(jì)算域的數(shù)學(xué)模型;

(3)離散分析計(jì)算域;

(4)建立數(shù)值模型;

(5)數(shù)值模型的識(shí)別校正;

(6)利用數(shù)值模型進(jìn)行水量或水位預(yù)報(bào)。

3 軟件應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，MODFLOW地下水?dāng)?shù)值模擬軟件在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已得到廣泛的應(yīng)用，幾乎占所有總軟件應(yīng)用次數(shù)的一半。Harrington等［7］運(yùn)用 MODFLOW 和 CMC模擬 Otway盆地的地下水系統(tǒng)的水化學(xué)特征和同位素變化的情況，并強(qiáng)調(diào)了瞬時(shí)流分析與穩(wěn)態(tài)流分析是否細(xì)致準(zhǔn)確有著必然的關(guān)系;V.Pisinaras等［8］建立了北希臘 Ismarida平原發(fā)展區(qū)域里含水層系統(tǒng)水流的仿真模型，基于3年的研究成果，定量計(jì)算含水系統(tǒng)的含水量，給出地下水成分及含水層特征，模型結(jié)果表明，模擬地下水預(yù)算結(jié)果需減少約33%的水的利用，才能是地下水水位不再下降，以后的20 a里含水層補(bǔ)給到附近的流域?qū)⒎浅５?Kibrewossen Tesfamichael等［9］耦合地理信息系統(tǒng)(GIS)和實(shí)地水文地質(zhì)調(diào)查，在 PMWIN環(huán)境下建立 MODFLOW模型，以此模擬迦巴盆地地下水的運(yùn)動(dòng)和分布;M.Al Mamunul Haque等［10］應(yīng)用 Visual MODFLOW 建立模型對(duì)孟加拉國(guó)拉杰沙希市含水層的水文地質(zhì)條件和地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明地下水補(bǔ)給主要來(lái)源于降雨、滲透率低的城市回流和季節(jié)性水位波動(dòng)的補(bǔ)給、排放。

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和科學(xué)可視化計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)模擬軟件的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用也有長(zhǎng)足的進(jìn)步，在對(duì)地下水資源評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬方面，理論實(shí)踐和方法運(yùn)用上不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，并求創(chuàng)新發(fā)展，提供模擬結(jié)果的可靠性。周念清等［3］采用 MODFLOW模型對(duì)宿遷市的地下水水位及水量進(jìn)行模擬和預(yù)報(bào)，為該區(qū)地下水資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供了良好依據(jù);桑學(xué)鋒等［11］運(yùn)用Visual MODFLOW軟件對(duì)敦煌盆地地下水資源進(jìn)行現(xiàn)狀模擬與未來(lái)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，結(jié)合GIS空間分析能力、地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地下水二維和三維的可視化，提出地下水資源管理措施;路瑞利等［12］建立了青銅峽某水源區(qū)地下水開(kāi)采的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MODFLOW軟件對(duì)模型參數(shù)、源匯項(xiàng)處理進(jìn)行了分析確定，使模型具有較好的模擬仿真度。

4 存在問(wèn)題

對(duì)于興起一段時(shí)間的地下水模擬軟件MODFLOW在我國(guó)的應(yīng)用較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家還存在很大的差距。重視模型的建立，輕視基礎(chǔ)理論的實(shí)驗(yàn)研究和軟件的應(yīng)用開(kāi)發(fā)是阻礙地下水模擬軟件快速發(fā)展的主要原因。然而，模型模擬的精度和效果不容樂(lè)觀，一方面是模擬者的理論知識(shí)不夠，缺乏耐性;另一方面是在技術(shù)上對(duì)復(fù)雜邊界條件的處理，承壓含水層縱橫向入滲補(bǔ)給等仍存在問(wèn)題，盡管現(xiàn)在在數(shù)值模型的識(shí)別檢驗(yàn)做了大量工作，但較少用其它觀測(cè)數(shù)據(jù)和擬合的參數(shù)去驗(yàn)證模型，使得模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大誤差，降低應(yīng)用價(jià)值。到目前為止，地下水?dāng)?shù)值模擬軟件MODFLOW與生態(tài)、環(huán)境、水文等學(xué)科耦合仍不成熟;與地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合使用仍受到一定的限制，因此，提升應(yīng)用模擬軟件的新功能迫在眉睫。

5 展望和結(jié)語(yǔ)

自1988年MODFLOW問(wèn)世以來(lái)，模型應(yīng)用于地下水資源評(píng)價(jià)和管理方面越來(lái)越普及，利用計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)不僅提高了數(shù)值模型的效率，而且能很直觀的觀察到地下水水位變化和物質(zhì)運(yùn)移的過(guò)程，為未來(lái)某區(qū)域地下水的合理利用提供依據(jù)。數(shù)值模擬軟件與GIS的密切結(jié)合是當(dāng)?shù)貒?guó)際學(xué)術(shù)性研究和技術(shù)工作的重要課題。在未來(lái)勘探的道路上，不斷發(fā)展新方法，更加細(xì)致準(zhǔn)確的提取各種水文地質(zhì)參數(shù)，不斷提高地下水?dāng)?shù)值模擬的準(zhǔn)確度，達(dá)到仿真的真實(shí)效果。

［1］郝治福，康紹忠.地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.水利水電科技進(jìn)展.2006，26(1):77 －81.

［2］楊青春，盧文喜，馬洪云.Visual Modflow在吉林省西部地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2005，32(3):67 －69.

［3］周念清，朱蓉，朱學(xué)愚.MODFLOW在宿遷市地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2000，(6):9－13.

［4］吳浩東，胡建平，莫莉萍.水均衡法在水資源評(píng)價(jià)論證中的應(yīng)用［J］.廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2006，23(?？?:27 －30.

［5］曾獻(xiàn)奎，盧文喜，王偉卓，孫忠芳.地下水與地表水耦合模擬模型研究與展望［J］.人民黃河.2009，31(11):47－49.

［6］許廣明.地下流體滲流理論與數(shù)值模擬［M］.北京:地質(zhì)出版社.2008.

［7］G. A Harrington，R. A Walker.A compartmental mixing cell approach for the quantitative assessment of groundwater dynamics in the Otway Basin［J］.Journal of Hydrology，1999，21(4):49 － 63.

［8］V. Pisinaras，C. Petalas，VA Tsihrintzis and E. Zagana.A groundwater flow model for water resources management in the Ismarida plain，North Greece［J］. Environmental Modeling and Assessment，2007，12(2):75 －89.

［9］Kibrewossen Tesfagiorgis，Tesfamichael Gebreyohannes，F(xiàn)lorimond De Smedt，et al. Evaluation of groundwater resource in the Geba basin，E-thiopia［J］. Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2011，70(3):461 －466.

［10］M. Al Mamunul Haque，C. S. Jahan，Q. H. Mazumder，S. M. S.Nawaz and G. C. Mirdha，et al.Hydrogeological condition and assessment of groundwater resource using visual mudflow modeling，Rajshahi city aquifer，Bangladesh［J］. Journal of the Geological Society of India，2012，79(1)，77 － 84.

［11］桑學(xué)鋒，張明泉，王浩，等.敦煌盆地地下水?dāng)?shù)值模擬及可視化與管理［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2007，43(3):18 －22.

［12］路瑞利，方樹星，王紅雨.基于MODFLOW的某水源區(qū)地下水開(kāi)采三維數(shù)值模擬［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)報(bào)).2011，4(5):618－623.