地下水人工回灌研究中數(shù)值模擬技術的應用進展

騰格爾

（1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質大學（北京），北京 100083）

1 研究背景

地下水是我國華北地區(qū)的主要供水水源，是人民生活生產當中不可或缺的資源。由于人們常年超采地下水，產生了區(qū)域性地下水降落漏斗，導致了出現(xiàn)地面沉降、土地沙漠化等生態(tài)地質環(huán)境問題。為了恢復地下水降落漏斗，治理地下水超采帶來的一系列問題，人們越發(fā)重視研究地下水人工回灌技術。地下水人工回灌技術是一種通過人為力量，采用工程措施將地表水或雨水等水源補給到含水層中的技術手段，由于地質條件與回灌目的不同，有入滲池回灌、井灌和河道回灌等方式。為了科學、合理的確定回灌工程位置以及預測回灌效果，研究人員普遍采用地下水數(shù)值模擬的手段進行研究。因此，進行地下水數(shù)值模擬對回灌工程的位置、方式和規(guī)模的選取有著重要的指導意義。

隨著計算機與編程技術的研究與發(fā)展，地下水流計算開始應用數(shù)值模擬技術，數(shù)值模擬技術的核心組分是地下水模型。目前MODFLOW、MT3DMS、RT3D、HST3D等地下水模型程序已經廣泛應用于水文地質學與地下水資源研究中?；谝陨夏Ｐ统绦蜓邪l(fā)的地下水數(shù)值模擬軟件有:Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW、HYDRUS等（見表1）。

表1 常用的地下水模擬軟件

2 數(shù)值模擬技術在人工回灌研究中的主要應用

2.1 區(qū)域尺度地下水流數(shù)值模擬

對研究區(qū)進行區(qū)域地下水流數(shù)值模擬，一般情況下模擬區(qū)為一個完整的水文地質單元，或以明顯的水文地質界限為邊界。研究者們一般常用GMS或Visual MODFLOW模擬軟件進行模擬，根據(jù)模擬結果分析不同的回灌組合方式（滲坑式、井灌式等）與不同的回灌位置的回灌效果。

康華等人應用Visual MODFLOW軟件對太平河洪積扇地下水人工回灌試驗的不同調蓄方案進行數(shù)值模擬，并估算秦嶺山前的可調蓄量。王迎迎結合南水北調來水工程和FEFLOW模擬軟件對北京市平原區(qū)地下水系統(tǒng)行數(shù)值模擬結果，分析和預測北京市平原區(qū)潛水地下水的水位變化、北京市未來水資源整體發(fā)展形勢，進行地下水回灌方案擬定，模擬不同情境下北京市平原區(qū)的地下水系統(tǒng)的變化情況。劉少玉等人基于Modflow2005使用GMS模擬軟件建立滹沱河地下水流數(shù)值模型，將模擬結果與實測流場、鉆孔水位過程線進行擬合，識別校正水文地質參數(shù)，在此基礎上利用網格加密技術對研究區(qū)進行加密，將區(qū)域和場地模型進行耦合模擬精確刻畫水位變化的效果。聶凱翔在德陽市旌南濕地公園進行了地下水回灌試驗，并使用Visual MODFLOW軟件創(chuàng)建地旌陽區(qū)平原地下水數(shù)值模型，通過與研究區(qū)實測水位和觀測孔水位過程線的擬合識別，校正水文地質參數(shù)，并根據(jù)模擬結果分析研究區(qū)水均衡情況，預測未來研究區(qū)流場，為回灌提供可靠的參數(shù)。

2.2 剖面二維地下水流數(shù)值模擬

剖面地下水數(shù)值模擬大多應用Hydrus-2D模擬軟件，根據(jù)模擬結果可觀察分析回灌水在不同時間段的入滲情況、回灌水頭及回灌流量對人工回灌工程的影響，預測該回灌場地地層條件下最適宜的回灌流量，對回灌工程的建設及回灌方案的設計有著指導作用。

崔峻嶺等人基于Hydrus-2D模擬軟件，建立滲濾池回灌的二維飽和—非飽和滲流數(shù)值模型，利用實際試驗結果進行模型校正，研究回灌水在滲濾池中入滲過程機理。白福高等人根據(jù)在潮白河河道開展的地下水人回灌試驗，利用Hydrus-2D軟件建立二維飽和—非飽和地下水流數(shù)值模型，預測不同回灌水頭下包氣帶中回灌水的入滲特征。黃強對濟南市玉符河河道模擬回灌入滲，結合三次測流試驗結果設計了不同地下水位情境，模擬研究區(qū)地下水位的變化，計算出河道合理滲漏量與滲漏時間，為玉符河回灌提供了科學參考。

2.3 場地尺度回灌地下水流數(shù)值模擬

李園運用GMS軟件建立藁城區(qū)地下水回灌場地地下水流數(shù)值模型，根據(jù)實際回灌試驗的數(shù)據(jù)進行模型的識別校正，并分析研究區(qū)水均衡條件，預測不同回灌方案的回灌效果。張永杰等人設計實驗裝置，并根據(jù)裝置等比建立數(shù)值模型研究回灌對地下水年齡分布規(guī)律的影響條件。劉少玉等人運用GMS軟件建立回灌場地的地下水數(shù)值模擬模型，設計不同回灌方案，預測回灌效果，并建立場地溶質運移模型，模擬地下水質演化趨勢。

3 存在問題

（1）數(shù)值模擬技術無法替代基礎地質調查，沒有扎實充分的鉆孔資料、野外試驗和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)是無法進行數(shù)值模擬的。源匯項數(shù)據(jù)的收集也比較困難，在部分經濟水平較落后地區(qū)，當?shù)厮畡障到y(tǒng)未對開采信息進行全面監(jiān)測，導致通過電量法與調查法計算的開采量數(shù)據(jù)與真實情況差別較大，影響模型的準確性與科學性。同時，地下水數(shù)值模擬技術對研究人員的水文地質經驗和理論基礎要求很高，在對研究區(qū)進行邊界條件、含水層分層、水文地質參數(shù)分區(qū)概化時，應充分結合研究區(qū)已有資料與過去的地質工作經驗進行設定。

（2）模型是對實際情況的理想化，在實際進行回灌工程時，會出現(xiàn)很多模型預測中未考慮到的問題，如設備損壞、管道崩塌、入滲池及回灌井堵塞等。這些問題會影響回灌工程的正常運行，使得回灌難以達到模型預測的效果。同時極端天氣也會影響回灌實際結果，如在連續(xù)暴雨情況下，入滲池水位高于正常值，將影響回灌速率以及預期回灌后的水位，水位過高情況下容易發(fā)生土壤次生鹽堿化等問題。

（3）數(shù)值模擬技術在回灌過程中對溶質運移模擬的應用目前較少，在某些回灌場地，由于包氣帶中存在污染物，回灌水在包氣帶遷移的過程中會將污染物帶入含水層中，回灌水與原始地層及原始地下水也會發(fā)生某些水化學作用，影響地下水水質。因此應加大對回灌工程溶質運移模擬，預測回灌后地下水水化學變化特征，指導回灌工程的選址及水源選擇。

4 結論與展望

隨著計算機的高速發(fā)展，數(shù)值模擬技術不斷優(yōu)化、完善，應用的工程類型也越來越多。在地下水人工回灌工程中，數(shù)值模擬的作用與意義是非常重大的。一個精確、優(yōu)秀的模型可以為人工回灌工程的選址、設計提供充足的理論支撐。但建模的基礎是充分的地質資料，因此，開展地下水人工回灌工程，首要做的就是收集與調查研究區(qū)的地質資料、氣象資料、水文地質資料，等等，在現(xiàn)有資料缺乏的地區(qū)，應開展適當?shù)劂@探、物探等技術手段查明研究區(qū)地質條件，而后再進行數(shù)值模擬。另外模型的校驗也是格外重要的，通過驗證的結果可以反向確定模擬區(qū)的水文地質參數(shù)，但模型校驗需要大量的觀測數(shù)據(jù)，所以在建設回灌工程時，應在周圍布置動態(tài)監(jiān)測井，同時在區(qū)域的不同關鍵位置布設長期觀測井，保證長期觀測井的數(shù)據(jù)可靠性，為模型校正打好基礎。

目前國內的數(shù)據(jù)分享做的并不完善，可以加強發(fā)展數(shù)據(jù)分享平臺，將不同區(qū)域、不同時期的水位數(shù)據(jù)、鉆孔資料與水文地質經驗參數(shù)放置網絡中進行分享，可以讓數(shù)據(jù)價值的最大化，為其他研究人員未來的工作提升效率，節(jié)約成本。另外，目前對區(qū)域和場地耦合的地下水流數(shù)值模擬研究與水化學模擬研究較少，由于地下水人工回灌工程的特殊性，需要對回灌場地周圍的水位、水質模擬更精細，因此區(qū)域和場地耦合模型是未來數(shù)值模擬技術在人工回灌領域上需要大力發(fā)展的方向。