數(shù)值模擬在地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究綜述

梁麗青 溫寧 胡宇祥

【摘 要】地下水資源十分寶貴，在比較貧水的地區(qū)，地下水即為重要的水源。因此，地下水開(kāi)采顯得尤為重要。合理開(kāi)采地下水，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的，則需要合理可靠的地下水資源評(píng)價(jià)方法。地下水資源的評(píng)價(jià)方法有很多，如水文地質(zhì)法，水文的分割法、理化的分析法、和水均衡的方法等，目前最為常用的是水均衡法的傳統(tǒng)方法。隨著科技和精度的發(fā)展，數(shù)值模擬也得到了廣泛應(yīng)用。

【Abstract】Groundwater resource is very valuable， in poor areas of water， groundwater is an important water source. Therefore， it is particularly important to explore groundwater. Reasonable exploitation of groundwater and to realize the purpose of sustainable development， it requires reasonable and reliable groundwater resources evaluation methods to exploit underground water reasonably and achieve the purpose of sustainable development. There are many evaluation methods for groundwater resources， such as hydrogeology， hydrological segmentation， physical and chemical analysis， and water balance methods. The most commonly used method is the traditional method of water equalization. With the development of science and technology and the accuracy， the numerical simulation has been widely used.

【關(guān)鍵詞】地下水資源；評(píng)價(jià)方法；數(shù)值模擬

【Keywords】groundwater resources； evaluation method； numerical simulation

【中圖分類(lèi)號(hào)】P641.8 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）11-0140-02

1 地下水資源的評(píng)價(jià)方法及對(duì)比

1.1 地下水資源的重要性

水是一切生命的起源，是我國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)和生活的基礎(chǔ)，已經(jīng)提高到重要的戰(zhàn)略地位。水具有雙重戰(zhàn)略屬性：經(jīng)濟(jì)資源的基礎(chǔ)性和自然資源的基礎(chǔ)性[1]，而地下水資源，相對(duì)地表水資源的優(yōu)點(diǎn)是不易污染，是水資源中的重要組成部分。其作為生態(tài)的一部分同時(shí)又會(huì)影響到生態(tài)環(huán)境，尤其干旱地區(qū)，對(duì)地下水資源十分依賴(lài)，有時(shí)可稱(chēng)為“稀缺資源”。在很多地方地下水資源已經(jīng)成為工業(yè)用水、生活用水以及農(nóng)田灌溉的重要水源之一，對(duì)社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著十分重要的作用。但是隨著人口的不斷增長(zhǎng)，過(guò)度的開(kāi)采和缺乏統(tǒng)一節(jié)約型管理，地下水超采早在過(guò)去幾十年里就已經(jīng)成為重要研究?jī)?nèi)容，如地下水的水位下降問(wèn)題，地下水的超采問(wèn)題，地面沉降問(wèn)題、水污染問(wèn)題，鹽堿地問(wèn)題等，對(duì)生態(tài)環(huán)境都造成很大影響，甚至造成許多環(huán)境上的地質(zhì)災(zāi)害，威脅人民安全，造成經(jīng)濟(jì)損失 [2]。

1.2 地下水資源評(píng)價(jià)的方法介紹和對(duì)比

地下水開(kāi)采尤為重要，合理開(kāi)采地下水，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的，則需要合理可靠的地下水資源評(píng)價(jià)方法。地下水資源的評(píng)價(jià)方法有很多，如水文分割法、理化分析法、水文—地質(zhì)法等水文地質(zhì)法，水文的分割法、理化的分析法、和水均衡的方法等。而現(xiàn)在常用的地下水資源評(píng)價(jià)傳統(tǒng)方法為水均衡法。水均衡法的方法主要計(jì)算補(bǔ)給量和可開(kāi)采量，通過(guò)結(jié)合資料分析，得到研究區(qū)域地下水是否可以在規(guī)定開(kāi)采量下得到開(kāi)采保證。其優(yōu)點(diǎn)在于思路比數(shù)值模擬方法清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單，工作量較小，對(duì)區(qū)域的水文地質(zhì)條件和邊界條件要求較低，比較適合初步評(píng)價(jià)或者宏觀上的評(píng)價(jià)，而缺點(diǎn)則是對(duì)于微觀上的把控和評(píng)價(jià)尺度不足[3]。

數(shù)值模擬在20世紀(jì)70年代已經(jīng)成為地下水的重要評(píng)價(jià)手段，其優(yōu)點(diǎn)在于可以在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)建立不同的邊界，既可以把控宏觀評(píng)價(jià)區(qū)域，也可以同時(shí)把控局部區(qū)域的地下水資源評(píng)價(jià)，其缺點(diǎn)則是對(duì)水文地質(zhì)等資料要求更為詳細(xì)，操作者需具有一定相關(guān)知識(shí)外，還必須學(xué)習(xí)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)知識(shí)。而隨著評(píng)價(jià)尺度要求的提高，數(shù)值模擬的方法已然成為地下水資源評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)[4-5]。目前，用于地下水資源評(píng)價(jià)建模的軟件有很多，如ModIME、MODFLOW、Visual Modflow和GMS。前三種是針對(duì)地下水資源建模的軟件，而GMS則具有多種功能，是一個(gè)綜合軟件，軟件模塊多，功能較為齊全，幾乎可以模擬與地下水資源相關(guān)的所有水流和溶質(zhì)的運(yùn)移問(wèn)題。

2 評(píng)價(jià)方法的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)以及吉林省評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

地下水資源評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展伴隨著人類(lèi)對(duì)地下水開(kāi)采的定量發(fā)展而發(fā)展，其技術(shù)方法和定量方法發(fā)展可分為三個(gè)階段：

第一個(gè)階段為以解析法為主要方法的時(shí)期，時(shí)間為20世紀(jì)30年代到50年代。第二階段為以電網(wǎng)絡(luò)模擬為主的時(shí)代，主要時(shí)間20世紀(jì)50到60年代；而第三階段則為數(shù)值模擬為主的時(shí)代，從20世紀(jì)60年代至今。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛發(fā)展，以及對(duì)地下水資源尺度和區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)的要求提高，地下水評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬方法應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，地下水?dāng)?shù)值模擬的定量評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)和水資源預(yù)估中發(fā)揮著不可替代的作用 。我國(guó)數(shù)值模擬應(yīng)用到地下水的研究始于20世紀(jì)70年代，近40多年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，地下水評(píng)價(jià)的數(shù)值模擬方法已經(jīng)在地下水相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域和部門(mén)得到廣泛應(yīng)用，地下水的數(shù)值模擬方法已然成為地下水勘察評(píng)價(jià)的重要手段[11]。多年來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)科學(xué)工作者（謝春紅、肖樹(shù)鐵、陳明佑、孫納正、楊天行等）和水文地質(zhì)工作者（薛禹群、朱學(xué)愚、林學(xué)鈺、陳崇希等）以及相關(guān)部門(mén)和科學(xué)研究院的共同研究，現(xiàn)已接近或者達(dá)到了國(guó)際水平。

目前，很多水資源評(píng)價(jià)還都采用傳統(tǒng)的水均衡法進(jìn)行，而對(duì)于吉林省在地下水資源中采用數(shù)值模擬的研究還不夠完善，通過(guò)知網(wǎng)查找，吉林省基于GMS的地下水資源評(píng)價(jià)應(yīng)用數(shù)值模擬沒(méi)有，將數(shù)值模擬應(yīng)用到地下水資源評(píng)價(jià)中的找到3篇，其中期刊1篇，碩士論文2篇[6-8]，如邊靜在其論文“松嫩平原（吉林）地下水動(dòng)態(tài)特征及可持續(xù)利用研究”中采用GIS繪制了地下水位埋深的時(shí)空變化分布圖，并對(duì)地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析，確定了地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型；張健偉在“松原市地下水資源與環(huán)境綜合信息模擬管理研究”中采用了Visual Modflow對(duì)松原市地下水資源與環(huán)境綜合信息模擬管理研究。而對(duì)于綜合基于GMS對(duì)數(shù)值模擬在地下水資源中應(yīng)用研究還尚存在欠缺。

3 GMS在地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

3.1 通過(guò)資料和數(shù)據(jù)構(gòu)建出三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型對(duì)于空間地址的復(fù)雜性和空間地質(zhì)結(jié)構(gòu)描述較好，可以反映空間上各種要素之間的關(guān)系，從而為相關(guān)工作人員提供可靠的地質(zhì)信息，有助于正確判斷和綜合分析地質(zhì)信息。三維的地質(zhì)模型主要包括模型的可視化表達(dá)、地質(zhì)規(guī)律的反映以及地質(zhì)條件內(nèi)部特征的反映等內(nèi)容[2]。因此，需要較好的模擬地質(zhì)條件，目前較為廣泛地應(yīng)用在構(gòu)建三維地質(zhì)模型中的軟件是GMS。在模型構(gòu)建中，對(duì)地質(zhì)單元進(jìn)行較為精細(xì)的剖分，以剖分為基礎(chǔ)，識(shí)別模型參數(shù)，從而對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域地下水的幾種不同的開(kāi)采方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，為評(píng)價(jià)區(qū)在今后建立水資源分配和管理模型提供理論依據(jù)，為其經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展提出相對(duì)合理的用水建議。多個(gè)實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明，GMS具有三維的可視性好、操作上相對(duì)簡(jiǎn)便、前后的處理能力強(qiáng)等一些突出的優(yōu)點(diǎn)，即便用于長(zhǎng)江三角洲這樣大范圍、條件復(fù)雜、實(shí)際工作量非常大的地下水資源數(shù)值模擬，仍可以達(dá)到比較高的精度要求。

3.2 地下水資源評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)方法對(duì)地下水資源的局部評(píng)價(jià)和精度上稍有欠缺，因此，利用數(shù)值模擬的技術(shù)使地下水資源的綜合評(píng)價(jià)具有較高的精度和局域的精度評(píng)價(jià)勢(shì)在必行。通過(guò)GMS建立的數(shù)值模型，可以計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)的地下水補(bǔ)給資源總量和可開(kāi)采總量，并同時(shí)預(yù)測(cè)相關(guān)情況，如地下水位在各種限采條件下的恢復(fù)情況，對(duì)地下水賦存現(xiàn)狀和可利用量的預(yù)測(cè)，提出合理開(kāi)采地下水的優(yōu)質(zhì)建議，提供和對(duì)比開(kāi)采的多種方案，為水資源的優(yōu)化管理和合理開(kāi)發(fā)提供科學(xué)的依據(jù)[2]。

4 結(jié)論

地下水資源評(píng)價(jià)在可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中非常重要，為提高效率和準(zhǔn)確性，應(yīng)采用先進(jìn)的數(shù)值模擬法和傳統(tǒng)方法相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法。目前，數(shù)值模擬軟件，GMS得到了廣泛應(yīng)用，但在吉林省內(nèi)應(yīng)用還不足。未來(lái)的研究和發(fā)展中，研究地下水?dāng)?shù)值模擬的過(guò)程中，數(shù)值模擬方法值得推廣和應(yīng)用，并且在應(yīng)用中應(yīng)分析數(shù)值模擬的缺點(diǎn)，并加以完善。

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