地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)開發(fā)及應用
——以下遼河平原為例

杜 超, 肖長來, 呂 軍, 田浩然

1.松遼流域水資源保護局松遼水環(huán)境科學研究所, 長春 130021 2.吉林大學環(huán)境與資源學院, 長春 130021

地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)開發(fā)及應用
——以下遼河平原為例

杜 超1, 肖長來2, 呂 軍1, 田浩然1

1.松遼流域水資源保護局松遼水環(huán)境科學研究所, 長春 130021 2.吉林大學環(huán)境與資源學院, 長春 130021

地下水數(shù)值模擬需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐，數(shù)據(jù)的錄入耗時耗力，存在出錯的可能，且不能第一時間進行實時快速預報。采用VB語言編程技術(shù),以識別和驗證后的下遼河平原地下水流數(shù)值模型和地下水溶質(zhì)運移數(shù)值模型為基礎,重新編譯后的MF2K和MT3DMS為內(nèi)核計算程序,Microsoft SQL Server 2000為數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了模型與地下水實時監(jiān)測系統(tǒng)的接口，集成建立了下遼河平原地下水水質(zhì)實時預報模型，并開發(fā)了操作界面下的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了下遼河平原地下水水質(zhì)的實時預報功能。該系統(tǒng)將地下水實時監(jiān)控技術(shù)與地下水數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合，操作簡便、時效性強、出錯概率小，能夠?qū)崟r獲取地下水水位、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地下水流場和地下水溶質(zhì)濃度場的演化進行快速預報。同時，本系統(tǒng)預留了更新接口，可根據(jù)逐步積累的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)進行進一步驗證，不斷提高系統(tǒng)預報的精度。

實時預報系統(tǒng)；數(shù)值模擬；地下水水質(zhì)；溶質(zhì)運移；系統(tǒng)集成

下遼河平原人口眾多、工農(nóng)業(yè)發(fā)達、地下水超采嚴重，是我國人類活動最為強烈的區(qū)域之一[1-4]，地下水水質(zhì)在強烈的人類活動下也逐漸趨于惡化[5-6]。實時掌握地下水水質(zhì)狀況，并做出科學的模擬和預報，是對下遼河平原地下水資源管理工作者提出的必然要求。目前，地下水數(shù)值模擬技術(shù)已相對成熟，GMS、Visual Modflow等商業(yè)模擬軟件已被廣泛應用于我國地下水研究和管理中[7-9]。但地下水數(shù)值模擬需要大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的錄入耗時耗力，存在出錯的可能，且不能第一時間進行實時快速預報；同時要求操作者具有專業(yè)的水文地質(zhì)基礎知識作為技術(shù)支撐，不便于基層工作者開展工作。因此，將地下水實時監(jiān)控技術(shù)與地下水數(shù)值模擬技術(shù)結(jié)合，建立一套操作簡便、時效性強、出錯率低的地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)，對于保障下遼河平原地下水水質(zhì)安全十分必要。

1 地下水水質(zhì)實時預報原理

在地下水流數(shù)值模型及地下水溶質(zhì)運移模型的基礎上，以Fortran修改編譯后的MF2K(Modflow2000)和MT3DMS為內(nèi)核計算程序，采用VB語言進行系統(tǒng)集成，開發(fā)其與地下水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的接口，實現(xiàn)地下水水質(zhì)實時預報功能。

1.1 內(nèi)核計算程序

MF2K和MT3DMS是分別用于模擬多孔介質(zhì)中三維地下水流和溶質(zhì)運移的計算機程序，采用有限差分法進行求解，是世界上兩大地下水數(shù)值模擬軟件GMS和Visual Modflow的水流模型和水質(zhì)模型內(nèi)核程序，已被廣泛應用于世界各地的地下水數(shù)值模擬評價中。在近幾年剛剛完成的中國北方平原區(qū)地下水資源評價項目中，中國北方地區(qū)的主要平原區(qū)和盆地的地下水均進行了數(shù)值模擬，采用的水流模型基本都為MF2K；MT3DMS已在實際應用中被不斷驗證，取得了良好的模擬效果。MF2K和MT3DMS是當今世界上最為流行及可靠的地下水水質(zhì)模擬程序，源程序及源代碼完全公開[10-11]。

根據(jù)實時預報系統(tǒng)的需要，采用Fortran語言對MF2K和MT3DMS內(nèi)核計算程序進行了部分修改及編譯，作為水流模型和溶質(zhì)運移模型的計算內(nèi)核程序。

1.2 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取

地下水水質(zhì)實時預報需要的實時數(shù)據(jù)主要包括降水、蒸發(fā)等實時氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，地下水位、地下水質(zhì)等實時地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，供水量、用水量等實時供用水監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)采用VB中的ADO控件與地下水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫連接，獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.3 地下水流場實時預報

地下水流場實時預報模型的構(gòu)建基礎是利用MF2K建立的地下水流數(shù)值模型。獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)或手動輸入數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)對MF2K水流模型的輸入文件進行修改，并對文件中的相關變量進行實時更新，則可完成對實時預報模型的前處理過程；然后調(diào)用MF2K內(nèi)核程序進行計算，對地下水流場進行實時預報。地下水流場實時預報模型相關輸入文件見表1，運行流程見圖1。

圖1 地下水流場實時預報模型運行流程圖Fig. 1 Running process of real time groundwater flow prediction model

1.4 地下水水質(zhì)實時預報

地下水流場實時預報模型的構(gòu)建基礎是利用MT3DMS建立的地下水溶質(zhì)運移模型。由于水質(zhì)模型是依賴于水流模型的，因此，水質(zhì)模型的時空離散及計算方案不再單獨另設，而與水流模型同步。提取標準輸入文件后，根據(jù)應力期的設置情況對標準輸入文件進行實時更新，隨后鏈接水流模型MF2K生成的水位鏈接文件(.FTL)，調(diào)用MT3DMS模型進行實時預報。地下水水質(zhì)實時預報模型相關輸入文件見表2，運行流程見圖2。

表1 地下水流場實時預報模型輸入文件及用途

Table 1 Input files and functions of real time groundwater flow prediction model

文件文件類型文件用途.namNAME文件定義程序運行所需輸入文件和輸出文件的名稱和路徑.dis離散文件定義模型離散狀況及含水層、地下水流的性質(zhì).zon分區(qū)文件定義模型參數(shù)分區(qū).ba6基本屬性文件定義活動單元格、初始水位.oc輸出設置文件定義是否輸出結(jié)果與保存相關設置.lpf層特征文件定義滲透系數(shù)、給水度、儲水系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù).riv河流文件定義河流與地下水轉(zhuǎn)化過程中的參數(shù)及變量值.rch面狀補給率文件定義面狀補給源匯項.wel井文件定義井流量.chd定水頭文件定義定水頭邊界.sip強隱式法文件定義強隱式求解法相關參數(shù)

表2 地下水水質(zhì)實時預報模型輸入文件及用途

Table 2 Input files and functions of real time groundwater quality prediction model

文件文件類型文件用途.mtsNAME文件定義程序運行所需輸入文件和輸出文件的名稱和路徑.btn基本溶質(zhì)運移文件定義模型網(wǎng)格剖分、時間離散及初始濃度.adv對流文件定義對流過程求解的一些參數(shù)設置.dsp彌散文件定義彌散過程求解所需的一些參數(shù),如彌散度.gcgGCG文件定義GCG求解法的一些參數(shù)設置.lmt鏈接文件定義與MF2K模型的鏈接設置

圖2 地下水水質(zhì)實時預報模型運行流程圖Fig. 2 Running process of real time groundwater quality prediction model

2 下遼河平原概況

2.1 地理位置

下遼河平原地處遼河中下游，沿北東至南西方向分布在遼寧省中部地區(qū)，縱向長度約為240 km，寬度為120～140 km，平原區(qū)面積約21 929 km2。下遼河平原在行政區(qū)劃上包括了遼寧省中部城市群，是東北地區(qū)規(guī)模最大的區(qū)域一體化經(jīng)濟區(qū)，同時也是遼寧省的重要產(chǎn)糧區(qū)。

2.2 氣象水文

下遼河平原屬溫帶半濕潤、半干旱季風氣候，四季區(qū)分明顯，雨季集中，日照時間長。多年平均氣溫為7.1～8.9℃，氣溫北高南低；降水量由南東向北西遞減，多年平均降水量為500～750 mm。

研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)達，主要劃分為遼河--雙臺子河水系、渾河--太子河水系、大凌河--小凌河水系。

2.3 水文地質(zhì)

下遼河平原地下水資源較為豐富，平原上部廣泛分布第四系松散巖類孔隙含水層，第四系之下普遍分布上第三系館陶組和明化鎮(zhèn)組的砂礫巖、砂巖和泥巖互層的地層。本次研究對象為第四系松散巖類孔隙水，其含水層厚度大、分布穩(wěn)定、水量豐富、開采方便，是研究區(qū)內(nèi)最主要的地下水類型。

下遼河平原地下水受天然因素和人為因素的共同影響，從補給區(qū)、徑流區(qū)到排泄區(qū)形成了不同的地下水水化學類型，存在著較為明顯的水平分帶特征。地下水從補給區(qū)流向排泄區(qū)的過程，就是地下水化學組分的演化過程：降水攜帶的組分不斷減少，巖石當中的組分不斷溶濾進入地下水，礦化度逐漸升高；水化學類型由HCO3-Ca型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃l-Na型。

3 下遼河平原地下水流數(shù)值模型

3.1 水文地質(zhì)概念模型

本次研究針對的是下遼河平原第四系松散巖類含水層，含水層的厚度和巖性在研究區(qū)范圍內(nèi)均有不同程度的變化，因此將其概化為非均質(zhì)各向同性含水層。水流特征概化為準三維非穩(wěn)定達西流。

研究區(qū)北、東、西三面為山前地帶，概化為二類流量邊界；研究區(qū)南部為濱海三角洲地區(qū)，在靠近入?？诘膫?cè)向邊界地下水位趨近于0，概化為一類水頭邊界。潛水含水層頂部為水量交換邊界；含水層底部為相對隔水邊界。

3.2 數(shù)學模型離散

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，建立第四系松散巖類孔隙含水層的非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流的數(shù)學模型。

研究區(qū)總面積為21 929 km2，對其進行矩形剖分，剖分為230列、221行，共30 808個網(wǎng)格單元，每個網(wǎng)格長1 000 m、寬1 000 m，面積為1 km2。采用2000年1月到2007年1月的地下水長觀資料進行識別和驗證，應力期設置為1月，時間步長為15 d。故將整個模擬期離散為84個應力期，每個應力期劃分為2個時間段。

3.3 模型的識別和驗證

將模擬期內(nèi)各源匯項及參數(shù)初值輸入模型后，運行至模擬期末刻。將模型計算水位與實測水位進行擬合，并對擬合誤差進行統(tǒng)計。結(jié)果表明，水位擬合誤差小于0.5 m的結(jié)點數(shù)達到已知水位結(jié)點數(shù)的80 %以上，計算水位與實測水位擬合程度良好。典型站點地下水水位擬合情況見圖3。

圖3 地下水水位擬合圖Fig. 3 Fitting chart of groundwater level

模擬期涵蓋了豐、平、枯等不同代表性水文年，通過長時間序列地下水觀測數(shù)據(jù)識別和驗證出來的模型具有較高的仿真性，能反映出下遼河平原第四系含水層的實際特征，通過反演所確定的水文地質(zhì)參數(shù)是可靠的。

4 下遼河平原地下水溶質(zhì)運移模型

4.1 概念模型

礦化度反映水中含鹽量的多少，是區(qū)分咸水和淡水的重要標志，也是地下水環(huán)境質(zhì)量評價中的一個重要指標，因此選擇礦化度作為本次模擬的模擬因子。將礦化度處理為一種溶質(zhì)，其溶質(zhì)運移過程符合對流-彌散原理，且彌散作用符合Fick定律[12-13]。

側(cè)向邊界均概化為濃度邊界。對南部入海邊界，取海水平均濃度為濃度邊界；對其他側(cè)向邊界，依據(jù)繪制的濃度等值線分別進行賦值。對研究區(qū)內(nèi)的河流內(nèi)邊界，將其處理為地下水中礦化度的一個外源，其礦化度依據(jù)河水的平均成分進行賦值。

垂向上，將大氣降水、地表灌溉用水攜帶的礦化度處理為地下水中相應組分的外源；蒸發(fā)濃縮作用在潛水面發(fā)生，由模型根據(jù)蒸發(fā)量自動計算。含水層底部概化為隔水邊界。

4.2 數(shù)學模型

地下水準三維非穩(wěn)定流溶質(zhì)運移的可混溶對流-彌散數(shù)學模型為

地下水溶質(zhì)運移對流-彌散模型的求解需要地下水流模型的支持。因此，對計算區(qū)的空間離散及時間離散沿用水流模型的設置。

4.3 模型的識別和驗證

將源匯項、初始濃度場、初始參數(shù)輸入模型后，運行模型并進行擬合，直至擬合程度符合要求為止。礦化度擬合情況見圖4。

通過擬合結(jié)果可以看出，計算礦化度場與實測礦化度場的擬合程度較好，精度較高，說明所建立的模型能夠真實和客觀地反映研究區(qū)地下水的溶質(zhì)運移規(guī)律，通過反演所確定的水質(zhì)模型參數(shù)是可靠的。

a. 實測礦化度場；b.計算礦化度場。圖4 地下水礦化度場擬合圖Fig. 4 Fitting chart of groundwater mineralization

5 下遼河平原地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)開發(fā)選擇以C/S結(jié)構(gòu)為基礎的類三層結(jié)構(gòu)，包括客戶層、類中間層和服務層?？蛻魧佑杀敬尉帉懙某绦騺硗瓿?，是用戶直接操作的程序，絕大部分用戶的操作、數(shù)據(jù)的處理、功能的實現(xiàn)等都由它來完成，是類三層結(jié)構(gòu)中功能最強的一部分。類中間層由Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫的服務器端來完成，主要用于把客戶層所請求的操作轉(zhuǎn)換為服務層所能識別的語言，并進行數(shù)據(jù)的完整性與規(guī)范性檢查。服務層所完成的功能主要是調(diào)用實時數(shù)據(jù)等，主要由Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實現(xiàn)[14]。

本系統(tǒng)包括地下水流實時預報模型和地下水水質(zhì)實時預報模型，它們分別以MF2K和MT3DMS為計算內(nèi)核。在開發(fā)各模型的過程中各自獨立進行，模型與模型之間通過鏈接文件實現(xiàn)對接。各模型通過連接實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫獲取實時數(shù)據(jù)，也可不與數(shù)據(jù)庫相連，采用人工輸入的方式進行操作。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 下遼河平原地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of real time groundwater quality prediction system in Lower Liaohe River Plain

5.2 系統(tǒng)開發(fā)模式

根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及功能設計，本次研究選擇模塊化的開發(fā)方式，即在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的框架下，單獨開發(fā)各特定功能的模塊化程序，以供其他模塊調(diào)用。每個模塊具有相對的獨立性，可完成各自模塊相應的設計功能。采用模塊化封裝后的程序出錯概率很小，提升了程序的穩(wěn)定性。

圖6 系統(tǒng)快速實時預報示意圖Fig. 6 Diagram of real time prediction of the system

本次系統(tǒng)的集成開發(fā)以及模型與地下水實時監(jiān)控系統(tǒng)對接的接口開發(fā)采用Visual Basic語言，對MF2K和MT3DMS內(nèi)核計算程序的修改及編譯采用Fortran語言。

5.3 系統(tǒng)整合及功能實現(xiàn)

在下遼河平原地下水流數(shù)值模型及地下水溶質(zhì)運移模型的基礎上，以MF2K和MT3DMS為內(nèi)核計算程序，采用VB語言對其進行了系統(tǒng)集成，并開發(fā)了其與地下水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的接口，建立了下遼河平原地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能如下：

1)地下水監(jiān)測信息的實時接收處理功能。能夠?qū)崟r接收通過自動監(jiān)測儀器獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如實時地下水位、實時地下水離子濃度等；聯(lián)機程序化輸入通過手持式移動數(shù)據(jù)采集器獲得的相關測站(點)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；交互式手工錄入通過人工觀測記錄獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料；程序化批量輸入歷史監(jiān)測(觀測)數(shù)據(jù)資料；聯(lián)系輸入通過網(wǎng)絡傳輸獲得的監(jiān)測信息。

2)地下水流場實時預報功能。根據(jù)實時監(jiān)測的水文氣象、地下水水位等信息，或通過手動輸入賦值，以及用戶設置的應力期和時間步長，實時計算模擬期各源匯項，從而對研究區(qū)地下水流場進行預報，為地下水水質(zhì)實時預報提供地下水動力場數(shù)據(jù)支持。

3)地下水水質(zhì)實時預報功能。根據(jù)實時監(jiān)測的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，以及實時預報的地下水流場數(shù)據(jù)，對全區(qū)地下水水質(zhì)濃度場進行實時預報。

4)實時模擬預報結(jié)果可視化功能。利用VB在系統(tǒng)內(nèi)部窗口中調(diào)用Surfer Automation功能，將實時預報的地下水流場和地下水水質(zhì)濃度場進行圖形可視化。

5)模型的修改完善功能。隨著實際監(jiān)測值的不斷獲取，可利用模型計算值與監(jiān)測值進一步進行驗證，不斷修改完善本系統(tǒng)。系統(tǒng)預留更新升級接口，只需替換程序中水量水質(zhì)模型的相關源文件即可完成。

5.4 系統(tǒng)應用——快速預報實例

根據(jù)系統(tǒng)預設方案進行下遼河平原地下水水質(zhì)實時快速預報:

1)選擇平水年及模擬期為5 a的快速預報方案。

2)從地下水實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中讀取當前時間的地下水水位和水化學成分濃度值，并由模型在后臺自動插值生成初始流場和初始濃度場。

3)選擇預設源匯項為平水年的默認設置，直接運行水流模型，得到水質(zhì)模型所需的地下水流場。

4)在水流模型運行完畢后，運行水質(zhì)模型，得到預報結(jié)果，見圖6。

6 結(jié)語

采用VB語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于MF2K和MT3DMS建立的下遼河平原地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取地下水水位、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地下水流場和地下水溶質(zhì)濃度場的演化進行快速預報，實現(xiàn)了地下水實時監(jiān)控技術(shù)與地下水數(shù)值模擬技術(shù)的結(jié)合。與傳統(tǒng)的地下水數(shù)值模擬相比，使用該系統(tǒng)無需耗費大量時間和精力進行數(shù)據(jù)處理和錄入工作，減少了出錯概率，系統(tǒng)操作簡便，時效性強，并可根據(jù)逐步積累的監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)進行進一步驗證，不斷提高預報精度。該系統(tǒng)可為下遼河平原地下水資源的合理開發(fā)利用及污染預警提供科學依據(jù)。在本系統(tǒng)的基礎上，建議進一步開發(fā)集成水文地球化學運移模型的實時預報系統(tǒng)，不斷完善系統(tǒng)功能，提高模型預報精度。

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Development and Application of Real Time Groundwater Quality Prediction System: An Example in Lower Liaohe River Plain

Du Chao1, Xiao Changlai2, Lü Jun1, Tian Haoran1

1.SongliaoInstituteofWaterEnvironmentScience,SongliaoRiverBasinWaterResourcesProtectionBureau,Changchun130021,China2.CollegeofEnvironmentandResources,JilinUniversity,Changchun130021,China

Groundwater numerical simulation requires mass monitoring data as basic support. The input of data requires much time and energy, which may cause fault and could not predict groundwater quality immediately. Using VB language, based on calibrated and validated numerical model of groundwater flow and solute transport of Lower Liaohe River Plain, re-compiled MF2K and MT3DMS as calculation kernel programs, Microsoft SQL Server 2000 as database, the interface of real time groundwater monitoring system is established, integration of Lower Liaohe River Plain groundwater quality real-time forecast model is established, and the operation system is developed, achieving the function of real time groundwater quality prediction in Lower Liaohe River Plain. The system combines real-time monitoring technology with the groundwater numerical simulation technology. It has advantages of simple operation, strong timeliness and small error probability. The system can collect real time data of groundwater level and quality, and predict future groundwater level and groundwater solute concentration immediately. Meanwhile, update interface is pre-set to improve prediction accuracy according to accumulated groundwater monitoring data and calculated data.

real time prediction system; numerical simulation; groundwater quality; solute transport; system integration

10.13278/j.cnki.jjuese.201405206.

2013-12-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07601002-002)

杜超(1985--)，男，工程師, 博士，主要從事水資源保護方面的研究和工作，E-mail:cattle53@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201405206

P641

A

杜超, 肖長來, 呂軍，等.地下水水質(zhì)實時預報系統(tǒng)開發(fā)及應用：以下遼河平原為例.吉林大學學報:地球科學版,2014,44(5):1625-1632.

Du Chao, Xiao Changlai, Lü Jun, et al.Development and Application of Real Time Groundwater Quality Prediction System: An Example in Lower Liaohe River Plain.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(5):1625-1632.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201405206.