基于FEFLOW在地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用分析

保關(guān)麗 高紅 何莉莉

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

地下水是人類生活的重要水資源，然而由于過渡開采、渣滓填埋、污水排放、廢棄物質(zhì)沉積、施藥施肥、無(wú)機(jī)污染物與石油泄漏、水質(zhì)惡化、治理不達(dá)標(biāo)等原因，大批污染物質(zhì)滲入到地下水中，地下水資源發(fā)生嚴(yán)重危機(jī)。因此，我們亟需更好地估量出地下水的量和質(zhì)的動(dòng)靜變化及污染狀況，提出解決辦法，保護(hù)地下水資源，使地下水資源能夠持續(xù)化利用。將數(shù)值模擬應(yīng)用在水資源方面，可提高保護(hù)水資源效率并為開發(fā)水資源提供可靠性依據(jù)，國(guó)內(nèi)外已有不少數(shù)值模擬應(yīng)用于地下水的研究。

1 地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展歷程

法國(guó)著名水利工程師達(dá)西(H.Darcy)于1856年提出了滲透能量損失與滲透流速度之間的相互關(guān)系，計(jì)算方法為解析法；1950年，計(jì)算方法主要是電網(wǎng)絡(luò)模仿；20世紀(jì)中后期，計(jì)算機(jī)被華爾頓(W.C.Walton)引入數(shù)值地下水建模，幫助解決水文地質(zhì)數(shù)學(xué)方面的問題，并幫助定量解決水文地質(zhì)問題，加速了數(shù)值模擬的發(fā)展。常見的數(shù)值模擬方法為有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、有限分析法(FAM)、邊界單元法(BEM)。

2 常用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的分析對(duì)比

計(jì)算機(jī)應(yīng)用在水文地質(zhì)方面的優(yōu)異效果，致使用數(shù)字軟件模擬地下水發(fā)展迅速，國(guó)外科研小組研討出了許多地下水建模項(xiàng)目。目前效果反映良好的地下水模擬軟件有GMS、Visual MODEFLOW、Visual Groundwater、MIKE SHE、MT3DS、TOUGH2、HST3D、FEFLOW等。以上8種軟件的模擬方法、數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式、功能及不足等方面分析對(duì)比見表1。

由表1可以看出FEFLOW作為地下水模擬軟件是現(xiàn)有的功用最全面的建模軟件，可模擬地下水流、溶質(zhì)、熱傳輸?shù)葼顟B(tài)。FEFLOW的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)界面優(yōu)越，空間區(qū)域參數(shù)化，具有良好的數(shù)據(jù)圖形直觀性，對(duì)應(yīng)4類網(wǎng)格劃分算法: Advancing Front、Gridbuilder、Triangle、Transport Mapping。

表1 常用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的分析對(duì)比

3 FEFLOW在我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用

3.1 地下水資源評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用

地下水質(zhì)及水量直接影響著人類日常生活，針對(duì)水資源流失、水污染一系列問題，利用FEFLOW軟件對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，可為保護(hù)地下水資源提供可靠的依據(jù)。賀國(guó)平等[1]利用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，精確界定研究區(qū)域邊界，采用有限元的FEFLOW軟件，創(chuàng)建地下水量模型，利用后識(shí)別模型建立地下水平衡，分析了經(jīng)典水文年的地下水儲(chǔ)量和開發(fā)潛力，給出合理利用地下水的建議。欽麗娟[2]采用FEFLOW建立了水文地質(zhì)概念模型和地下水流模擬模型，通過識(shí)別后的模型計(jì)算可開采資源量，并統(tǒng)計(jì)了地表水可利用量，計(jì)算出可利用水資源總量。孫志浩等[3]選擇曲阜市沖積平原區(qū)域,建立了綜合數(shù)值模型模擬地下水流動(dòng)和可溶性物質(zhì)運(yùn)輸,通過對(duì)地下水系統(tǒng)的發(fā)展研究表明,人類活動(dòng)是最終導(dǎo)致地下水環(huán)境惡化的一個(gè)重要原因。高寧[4]利用FEFLOW軟件建立水流模型，模擬旱地地區(qū)某庫(kù)壩工程施工前后地下水水位的動(dòng)靜狀態(tài)。

3.2 地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)，地下水動(dòng)態(tài)變化可通過FEFLOW數(shù)值模擬展現(xiàn)，毛軍等[5]構(gòu)建了青海柴達(dá)木盆地香日德綠洲地下水流模型，用一定數(shù)量指標(biāo)表示事物的質(zhì)的重要方法解釋灌溉引水對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的不利方面。張俊華等[6]為預(yù)測(cè)開采后的地下水位，通過FEFLOW建立引水工程水源地地下水流場(chǎng)模型，結(jié)果驗(yàn)證了開采方法是正確的。地下水位現(xiàn)如今備受關(guān)注，提前預(yù)測(cè)地下水位動(dòng)態(tài)變化為阻止地下水位下降提供了可靠依據(jù)。李雪艷等[7]構(gòu)建傍河水源地地下水模型，預(yù)測(cè)了在新增開采量情況下，1年以后地下水中產(chǎn)生基本不波動(dòng)的渦旋并且在輸入輸出情況下水量仍能達(dá)到平衡。程雙虎等[8]通過FEFLOW建成了東線工程受水水域地下水空間動(dòng)態(tài)模型，預(yù)測(cè)區(qū)域地下水波動(dòng)幅度情況，開展研究區(qū)域深層淺層中的水產(chǎn)量值，提前預(yù)測(cè)在正確及最大限度開采量的情況下地下水流量能保證且不影響地下水環(huán)境。郭達(dá)鵬等[9]以山東淄博灃水泉域?yàn)槔?，基于FEFLOW優(yōu)越算法，進(jìn)行空間非均質(zhì)巖溶水模型構(gòu)建,通過年水位動(dòng)靜數(shù)據(jù)辨認(rèn)模型，開展了水源地開采方案的優(yōu)化預(yù)測(cè)研究。袁廣坤[10]使用FEFLOW創(chuàng)建1個(gè)區(qū)域模型,旨在定義二七商業(yè)區(qū)域的精確模型,模擬地下水位波動(dòng)的研究區(qū)域,在極端的情況下,根據(jù)不同水位的預(yù)測(cè), 可分區(qū)域設(shè)置抗浮水位。陳永祥等[11]基于FEFLOW對(duì)成都地鐵7號(hào)線太平園站點(diǎn)構(gòu)建三維水流數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)差別工況下地底下公開空間開發(fā)對(duì)地下水的干擾狀況。

3.3 礦坑涌水量方面的應(yīng)用

礦井涌水量由于地質(zhì)構(gòu)造不同而造成的影響復(fù)雜，涌水量的預(yù)測(cè)極其重要，梁盛軍等[12]在梧桐莊礦搜集整理原始數(shù)據(jù)，利用FEFLOW對(duì)目標(biāo)層中2條河流的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化建模，聯(lián)結(jié)停止沖刷后的水位觀測(cè)，評(píng)估再灌溉對(duì)含水層水位的影響，預(yù)測(cè)不斷循環(huán)的含水層入滲條件的變換。姚文濤等[13]利用FEFFLOW建立了東歡坨礦地下水模型，預(yù)計(jì)增加的深度流量，并用地下水動(dòng)力學(xué)的廊道法進(jìn)行模擬驗(yàn)證，為涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。提前預(yù)知礦坑涌水量是否會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成影響是很有必要的。段瑞琪等[14]基于FEFLOW建立了洛陽(yáng)市諸葛鎮(zhèn)龍門煤礦二維地下水滲流模型，結(jié)果表明：在龍門煤礦正常涌水情況下產(chǎn)生的降落漏斗未波及到景區(qū)，不會(huì)直接影響到景區(qū)泉的流量。李士錦等[15]在草甸煤勘探領(lǐng)域創(chuàng)建了水文地質(zhì)空間模型，采用了調(diào)試與辨認(rèn)相結(jié)合的方法，為準(zhǔn)確查驗(yàn)礦井水位提供了數(shù)據(jù)。選擇FEFLOW建模的同時(shí)，用解析法參與預(yù)測(cè)及檢驗(yàn)，使得礦坑涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果愈加準(zhǔn)確。宋志鋼[16]以小屯礦為研究對(duì)象，分別使用聯(lián)合預(yù)測(cè)的大氣降水入滲系數(shù)法與解析法結(jié)以及FEFLOW三維地質(zhì)模擬方法預(yù)測(cè)小屯礦井第1號(hào)、5號(hào)礦區(qū)不同階段的涌水量，預(yù)期結(jié)果接近于聯(lián)合方法的預(yù)測(cè)。。

3.4 地下水溶質(zhì)運(yùn)移方面的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)對(duì)污染物在地下水中運(yùn)移模擬已有諸多成果，孫道林[17]以北京豐臺(tái)區(qū)典型垃圾堆放場(chǎng)為研究區(qū)域，選擇硝酸根離子作為控制對(duì)象，用 FEFLOW按量剖析地下水水質(zhì)問題建模，模型參差小的情況下忽略不計(jì)，創(chuàng)建垃圾液浸出液隨水流下滲到土壤里污染范圍模型，結(jié)果顯示5年后污染面積達(dá)到2.8 km2。楊亞芳[18]的研究對(duì)象是東線工程項(xiàng)目中段，使用軟件模擬MIKE11流程和一維河流，分析了主管道內(nèi)部的地下水儲(chǔ)量為9 168.75 m3/d，地下蓄水離子流入主通道的速度為162.7 g/d,。龐桂斌等[19]利用FEFLOW建立了黃河三角洲地區(qū)五七灌區(qū)的水流與溶質(zhì)運(yùn)移模型，并模擬冬小麥微咸水灌溉計(jì)劃，確立了理想灌溉方案。張淼等[20]以寧波某印染廠為對(duì)象開發(fā)了地下水流動(dòng)和可溶性物質(zhì)置換模型，表明印染廠的污水泄漏會(huì)對(duì)該區(qū)域造成10年的負(fù)面效應(yīng)。高月香等[21]構(gòu)建了北方某高爾夫球場(chǎng)及其周邊地下水流和可溶性物質(zhì)擴(kuò)散模型，選取錳等物質(zhì)為指標(biāo)，結(jié)果表明了污染物在有隔離措施情況下污染物運(yùn)移狀況優(yōu)于無(wú)隔離措施保護(hù)下。韓爽[22]運(yùn)用FEFLOW建立了遼寧省大伙房水庫(kù)地表水和地下水中阿特拉津的溶質(zhì)運(yùn)移模型，結(jié)果顯示第303天含水層頂層阿特拉津殘留量0.44～1.20 μg/L，含水層底層殘留量為0.37～2.00 μg/L。

3.5 海水入侵方面的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)最早將FEFLOW應(yīng)用在海水入侵方面的是廖小青等[23]，他們?cè)邳S河農(nóng)用地域空間地下水流建模，概算出穩(wěn)定隔水層和隔水底板間地下水能夠進(jìn)入海中的流量。左文喆等[24]基于FEFLOW構(gòu)建了秦皇島沿海平原海水入侵的空間模型，提前預(yù)知了研究區(qū)各種挖掘情形下的海水入侵現(xiàn)狀以及應(yīng)對(duì)海水入侵的管理措施。何麗[25]在模擬沒有地下水壩的情況下海水入侵界面的動(dòng)態(tài)變化時(shí)，F(xiàn)EFLOW利用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果建模，調(diào)整參數(shù)，建立空間飽和、不穩(wěn)定通量和瞬態(tài)運(yùn)移模型，模擬大規(guī)模的海水入侵過程。余海忠等[26]利用FEFLOW模擬深圳西部海域入侵速率，數(shù)據(jù)顯示深圳西部海域活動(dòng)逐年減少，地下水和年均降雨量連續(xù)不變。

3.6 水熱耦合運(yùn)移方面的應(yīng)用

數(shù)值模擬不僅僅應(yīng)用在地下水模型中，同時(shí)也應(yīng)用到了地下水熱源模型的建立中，為合理可持續(xù)利用資源提供可行的依據(jù)。YANG J W等[27]根據(jù)地質(zhì)圖繪制和地層重建，首次使用FEFLOW對(duì)澳大利亞北草坪山臺(tái)西東側(cè)進(jìn)行流體流動(dòng)和熱量傳輸?shù)臄?shù)值模擬，結(jié)果表明影響排液溫度和速度的主要因素是滲透深度和導(dǎo)水特性。地?zé)豳Y源是清潔可再生能源，合理、可持續(xù)開發(fā)利用不僅節(jié)約能源，對(duì)保護(hù)環(huán)境也有著重要意義。郭帥[28]以廣東省從化地區(qū)溫泉為例，在FEFLOW研究中對(duì)地下熱流和熱資源研究利用，在地?zé)岙悩訁^(qū)域開發(fā)1個(gè)新的ZKX礦床，能使地?zé)豳Y源持續(xù)使用，只要其提取量不超過6 000 m3/d。汪琪[29]結(jié)合磁強(qiáng)計(jì)和實(shí)地?cái)?shù)據(jù),以及為特定規(guī)模的地下儲(chǔ)熱地?zé)岬刭|(zhì)條件選出4個(gè)地?zé)岬貐^(qū)，并評(píng)估計(jì)算地?zé)豳Y源,通過FEFLOW平原地?zé)釋訜崮Ｐ?建模可視化熱源的空間分布。郭林茂等[30]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬了高山地域的地表溫度，最優(yōu)FEFLOW模型的使用來自高地的地表溫度驅(qū)動(dòng)，在研究區(qū)域更深層次的活動(dòng)中模擬各種土壤溫度，從而更準(zhǔn)確地了解土壤溫度變換的季節(jié)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和FEFLOW模型的聯(lián)合預(yù)估表明了50年后不同的深度冷卻過程會(huì)隨著溫度的增加而減少差異。

4 結(jié)語(yǔ)

近20年以來，F(xiàn)EFLOW作為地下水資源評(píng)估、地下水環(huán)境及地下水資源治理等建模軟件被廣泛使用，同時(shí)還延伸到了礦坑涌水量預(yù)測(cè)、海水入侵及水熱耦合運(yùn)移等方面，最大限度利用了源于有限元的FEFLOW地下水?dāng)?shù)值模型的功能及長(zhǎng)處。國(guó)內(nèi)目前已具有溶質(zhì)運(yùn)移模型、熱運(yùn)移模型、壩體滲漏模型、地面沉降模型、地下水資源管理模型等。

與此同時(shí)，F(xiàn)EFLOW地下水模型仍不能實(shí)現(xiàn)初始項(xiàng)的個(gè)體處理，增加了之前的處理難度；實(shí)踐中常見的混合井流動(dòng)模擬存在難點(diǎn)；在應(yīng)用模型建模中，因?yàn)镕EFLOW網(wǎng)格分隔有限，大區(qū)域的超空間建?？赡軙?huì)不準(zhǔn)確；FEFLOW應(yīng)用的領(lǐng)域還沒有水流、溶質(zhì)運(yùn)移和熱耦合事例。隨著人類對(duì)地下水賦存環(huán)境及其演化規(guī)律意識(shí)的不停深化，F(xiàn)EFLOW在地下水?dāng)?shù)值模擬應(yīng)用方面仍具有廣闊的開發(fā)空間。