可視化地下水?dāng)?shù)值模擬軟件(VISUAL MODFLOW)在國內(nèi)的應(yīng)用

馮 潔

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065)

剛接觸地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的學(xué)者，有許多把Visual MODFLOW與MODFLOW二者混淆或者認(rèn)為是同一軟件，其實(shí)，Visual MODFLOW是由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在MODFLOW軟件基礎(chǔ)上開發(fā)研制的一款商業(yè)軟件，MODFLOW可以免費(fèi)下載、學(xué)習(xí)，而 Visual MODFLOW必須購買才可使用。本文主要介紹了Visual MODFLOW在我國地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用進(jìn)展情況。

1 Visual Modflow概述

Visual MODFLOW是三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1994年8月首次由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在國際上公開發(fā)行［1］。這個(gè)軟件包由Modflow(水流評(píng)價(jià))、Modpath(平面和剖面流線示蹤分析)、MT3D(溶質(zhì)運(yùn)移評(píng)價(jià))和 Zone Budget(水量均衡計(jì)算)四大部分組成［2］，并且具有強(qiáng)大的圖形可視界面功能。

1.1 理論基礎(chǔ)

Visual MODFLOW是一個(gè)三維有限差分地下水流動(dòng)模型，有限差分是一種常用的數(shù)值解法，它是在微分方程中用差商代替偏導(dǎo)數(shù)，得到相應(yīng)的差分方程，通過解差分方程得到微分方程解的近似值，它基于以下基本方程［3］:

常密度地下水的三維流動(dòng)基本方程:

式中:kxx，kyy，kzz為沿 x，y，z坐標(biāo)軸方向上的滲透系數(shù)［LT－1］;h為測(cè)壓管水頭［L］;w為在非平衡狀態(tài)下通過均質(zhì)、各向同性土壤介質(zhì)單位體積的通量［T－1］，即地下水的源和匯;Ss為孔隙介質(zhì)的儲(chǔ)水率［L－1］;t為時(shí)間［T］。

對(duì)于地下水三維穩(wěn)定流動(dòng)，MODPATH的質(zhì)量平衡方程可用有效空隙率和滲流流速表達(dá)為:

式中:Vx、Vy、Vz為線性流動(dòng)流速矢量在坐標(biāo)軸方向的分量［LT－1］;n為含水層有效空隙率［%］;w為由含水層內(nèi)部單位體積源和匯產(chǎn)生的水量［T－1］。

污染物輸運(yùn)模型MT3D的基本方程:

式中:C為地下水中污染物濃度［CT－1］;t為時(shí)間［T］;xi為沿坐標(biāo)軸各方向的距離［L］;Dij為水力擴(kuò)散系數(shù);Vi為地下水滲流流度［LT－1］;qi為表示源和匯的單位流量［T－1］;Cs為源和匯的濃度［CL－1］;Q為含水層孔隙率［%］;ΣRk為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

1.2 特點(diǎn)與求解方法

應(yīng)用Visual MODFLOW進(jìn)行地下水模擬，首先要建立離散化的三維模型(網(wǎng)格剖分、層數(shù)確定等)，然后確定各計(jì)算單元的水文地質(zhì)邊界條件及模型計(jì)算中的參數(shù)(滲透系數(shù)、給水度等)的取值，最后用有限差分法計(jì)算水頭。其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見表 1［4－7］。

Visual MODFLOW為對(duì)流－彌散方程的求解提供了四種方法，分別是上游有限差分法(Finite Difference Method，F(xiàn)D)、特征值法(Method of Characteristics，MOC)、改進(jìn)的特征值法(Modified Method of Characteristics，MMOC)、混合特征值法(Hybrid Method of Characteristics，HMOC)。對(duì)于質(zhì)點(diǎn)的追蹤方法，MT3D提供了一階歐拉算法、四階Runge－Kutta算法及近源匯處采用四階Runge－Kutta算法、其它地方采用一階歐拉算法三種質(zhì)點(diǎn)追蹤技術(shù)［6］。

2 Visual Modflow在我國的應(yīng)用

Visual MODFLOW于20世紀(jì)90年代末開始在我國應(yīng)用［5］，最早見諸報(bào)道的是1999年武強(qiáng)等人在《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》雜志上的介紹性文章，文中介紹了軟件的開發(fā)背景、運(yùn)行環(huán)境、主要模塊結(jié)構(gòu)以及文件數(shù)據(jù)類型等，并分析了該軟件在我國的水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用潛力。目前，該軟件的應(yīng)用主要集中在北方地區(qū)，在地下水資源評(píng)價(jià)、地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、礦井涌水量預(yù)測(cè)、地下水環(huán)境演化預(yù)測(cè)等方面比較常見和成熟。

2.1 地下水資源評(píng)價(jià)

尋找新的水源地前，了解、掌握區(qū)內(nèi)地下水狀況是非常必要的，可為地下水的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。一些學(xué)者在各地應(yīng)用Visual MODFLOW軟件開展了水源地水資源評(píng)價(jià)，何萬雄等在陜化新開水源地、許俊等在西藏那曲稱曲河水源地、劉記成等在鄭州沿黃水源地、丁元芳等在沈陽李官堡水源地、束龍倉等在承德市灤河某水源地等開展了開采井不同開采量、井位布置方案下的水位下降、降落漏斗擴(kuò)展及水均衡等預(yù)測(cè)和分析，提出了合理化的開采方案［8－12］。

王佳武等人在渭南市城區(qū)、張大龍等人在曲周縣區(qū)、郭秀娟長春市、賈金生等在河北欒城縣、李玟躍等在大慶龍西地區(qū)、李平等在公主嶺黃龍工業(yè)園、李宏卿等在長春城區(qū)、楊青青等在吉林西部地區(qū)、鄭紅梅等在天津地區(qū)等地進(jìn)行了地下水水資源評(píng)價(jià)并開展了水位預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并對(duì)地下水開采規(guī)劃提出了合理化建議，為地下水資源管理提出了科學(xué)依

據(jù)［13－21］。

賈振興等利用Visual MODFLOW中的Modflow模塊建立了臨汾土門的地下水模型，并應(yīng)用 Modpath模塊進(jìn)行了開采井的粒子反向示蹤模擬，根據(jù)劃分地下水源地保護(hù)區(qū)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，確定了水源地各級(jí)保護(hù)區(qū)的界線［22］。

丁飛［23］等人以沈陽石佛寺水庫為例，應(yīng)用 Visual MODFLOw軟件模擬了水庫不同蓄水高度對(duì)地下水產(chǎn)生的影響，并提出不同的布井方案，預(yù)測(cè)水庫不同蓄水高度情形時(shí)的地下水可開采量。

2.2 地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)為區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的管理決策依據(jù)。查力等［24］利用 Visual Modflow對(duì)北京地鐵十號(hào)線大紅門站的水流情況進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)，建立預(yù)警模型，針對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為工程項(xiàng)目的施工提供更多的依據(jù)，保證工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

龐國興［25］等人運(yùn)用Visual Modflow對(duì)研究區(qū)地下水進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)了區(qū)內(nèi)地下水水位隨時(shí)間緩慢上升，地下水處于微弱正均衡狀態(tài)，地下水水位上升后對(duì)擬建廠址范圍內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)無安全影響，同時(shí)為今后研究礦區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用、礦區(qū)建設(shè)及環(huán)境保護(hù)等提供了科學(xué)依據(jù)。

張英英［26］等人以上海市虹梅南路—金海路通道越江段工程奉賢段深基坑，殷華［27］等人以長江三角州地區(qū)某路基取土坑為例運(yùn)用Visual Modflow建立地下水滲流模型，模擬降水過程，為降水方案最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。趙鑫［28］等人運(yùn)用Visual MODFLOW對(duì)哈爾濱市地下水進(jìn)行數(shù)值模擬和浸沒災(zāi)害預(yù)測(cè)，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果分析確定了可能發(fā)生浸沒區(qū)、過度區(qū)、不發(fā)生浸沒區(qū)。

陳赫［29］等人以沈陽城區(qū)為例，建立符合沈陽城區(qū)地下水源熱泵采能區(qū)的水熱耦合數(shù)學(xué)模型，利用Visual MODFLOW軟件中的USGS SEA－WAT模塊建立對(duì)井模型，可對(duì)不同抽灌量下的不同井間距模型進(jìn)行模擬預(yù)測(cè).以得出不同回灌量下的合理井間距。

利廣杰［30］等人運(yùn)用 Visual MODFLOW 對(duì)鈾礦山地下水進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和預(yù)測(cè)，調(diào)整了鉆孔的抽注液量，優(yōu)化了井場(chǎng)設(shè)計(jì)，提高了采鈾效率。

2.3 礦井涌水量預(yù)測(cè)

礦井涌水量預(yù)測(cè)是礦井防治水工作的前提，指導(dǎo)礦井排水設(shè)施的布置及礦井防治水措施的實(shí)施。雷明信、石少洲［31－35］等人運(yùn)用 visua1 MODFLOW 建立三維地下水流數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值法計(jì)算不同礦床涌水量，為礦井防治水工作地進(jìn)行提供依據(jù)。

2.4 地下水環(huán)境演化預(yù)測(cè)

地下水流流速慢，交換周期長，一旦受到污染，溶質(zhì)遷移和降解緩慢，水質(zhì)難以恢復(fù)，屬于比較脆弱的地下水環(huán)境系統(tǒng)。宋穎霞［36］等人在新峰一礦、張艷［37］等人開封市某典型垃圾場(chǎng)、尉鵬翔［38］在背景某污染場(chǎng)運(yùn)用 Visual Modflow軟件建立了地下水水流模型和污染物運(yùn)移模型進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)了地下水環(huán)境的變化，為地下水環(huán)境評(píng)價(jià)和治理提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)語

近些年，Visual MODFLOW在地下水?dāng)?shù)值模擬中已廣泛應(yīng)用，針對(duì)該軟件的特點(diǎn)，高慧琴［4］等指出可將該軟件與3S技術(shù)結(jié)合或者與地表水模型耦合，除此之外，Visual MODFLOW還有廣闊的發(fā)展空間:

3.1 瓦斯運(yùn)移規(guī)律的模擬

礦井的另一大災(zāi)害—瓦斯，與地下水的共同點(diǎn)是都具有流動(dòng)性，其運(yùn)移規(guī)律對(duì)礦井瓦斯涌(突)出事故的預(yù)防及治理至關(guān)重要，因此，可否將Visual MODFLOW軟件推廣應(yīng)用至該領(lǐng)域，建立瓦斯運(yùn)移模型進(jìn)行模擬。

3.2 固、液、氣耦合模型的建立

煤礦井下不僅僅只有液體，還包括氣體和固體，所以，為了更好地了解、掌握井下環(huán)境，應(yīng)該將固、液、氣三者之間的相互關(guān)系搞清楚，運(yùn)用Visual MODFLOW建立耦合模型，為礦井災(zāi)害的防治提供參考。

3.3 礦井涌水量預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立

運(yùn)用Visual MODFLOW構(gòu)建三維地下水流數(shù)值模擬模型，結(jié)合礦山數(shù)據(jù)庫建立管理信息系統(tǒng)，進(jìn)而建立礦山開采涌水量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，將涌水量預(yù)測(cè)工作與礦山掘進(jìn)和開采工作緊密結(jié)合起來，為其它涌水量大、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦床防治水方法提供參考，同時(shí)，可為礦井涌(突)水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［39－41］提供依據(jù)。

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