淺議地下水模型對地下水管理和保護的技術(shù)支撐

陸垂裕，吳 初，何 鑫，唐克旺

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)與調(diào)控國家重點實驗室，100038，北京）

我國地下淡水天然資源量占國內(nèi)水資源總量的1/3，受氣候變化和人類活動影響，地下水開采量占可采量比例持續(xù)增長，相當?shù)貐^(qū)地下水處于超采狀態(tài)。長期超采地下水，嚴重威脅區(qū)域用水安全，引發(fā)系列生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題。2021年12月1日《地下水管理條例》正式施行，水利部先后印發(fā)《關(guān)于復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境的指導(dǎo)意見》《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》，水利部辦公廳印發(fā)《“十四五”時期復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境實施方案》，對地下水管理與保護提出了更高的要求。

地下水模型可以求解許多水文地質(zhì)問題，如地下水資源評價、地下水中污染物質(zhì)的運移等。國外在加強地下水管理與保護方面多借助于模型技術(shù)，如美國的MODFLOW和德國的FEFLOW等，在世界范圍內(nèi)廣泛使用。我國地下水模型研究起步較晚，發(fā)展至今也提出了系列模型，但都沒有公開。

在水利高質(zhì)量發(fā)展的新階段，亟須推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地下水通用模型，解決“卡脖子”技術(shù)問題，同時開展全國地下水模型應(yīng)用推廣，為加強地下水管理和保護提供技術(shù)支撐。

一、地下水模型研究進展

地下水模型是以水文地質(zhì)概念模型為基礎(chǔ)所建立的，能刻畫和再現(xiàn)實際地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動特征和各種滲透要素的一組數(shù)學表達式。模型求解的發(fā)展歷程主要為1935—1950年的解析解法、1950—1965年的電網(wǎng)絡(luò)模擬和現(xiàn)階段的數(shù)值模擬，本文就地下水模型的數(shù)值模擬及全國尺度地下水模型展開討論。

1.國外研究進展

（1）地下水模型發(fā)展歷程

從20世紀70年代開始，國外研究機構(gòu)開展了廣泛的地下水模型研發(fā)，在90年代有一個集中的爆發(fā)期，現(xiàn)今流行的模型如MODFLOW、FEFLOW、MIKE SHE和HydroGeoSphere等紛紛面世。

地下水模型在模型流派上主要分為“狹義”和“廣義”兩種：狹義的地下水模型指僅以地下水系統(tǒng)為研究對象的數(shù)值模擬模型，其基本原理是建立地下水三維流體方程，在網(wǎng)格上通過數(shù)值法求解，外界與地下水系統(tǒng)間的水分通量需顯示給定，代表性模型軟件有MODFLOW和FEFLOW等；廣義多指從流域水循環(huán)轉(zhuǎn)化整體過程角度出發(fā)的耦合模型，地下水模擬作為模型的一個組成部分（或模塊），計算有粗有細，其基本原理是采用概念性的線性水庫（不考慮側(cè)向流動）或三維地下水數(shù)值模擬，外界與地下水系統(tǒng)間水量通量由模型通過不同系統(tǒng)間的耦合模擬自動確定，代表性模型軟件有SWAT和MIKESHE等。

從近年來的發(fā)展趨勢看，狹義地下水模型增加了地表水、地面過程等模塊，廣義耦合地下水模型在地下水方面更加精細化，兩者間的界限更加模糊。國外地下水模型發(fā)展的另一個特點是用戶圖形界面逐漸普及，使地下水模型的操作門檻降低，不同的圖形界面可能所用的地下水模型是一樣的，如GMS和Visual-Modflow。同時，帶圖形界面的模型多為付費商業(yè)化軟件。

（2）全國尺度的模型應(yīng)用

隨著地下水模型技術(shù)的發(fā)展，一些國家逐漸開展了全國尺度的模型應(yīng)用，并作為地下水管理的重要輔助工具。

①美國

目前美國沒有官方的全國尺度地下水模型。美國境內(nèi)一共有大大小小30余個地下水盆地，每一個主要的地下水盆地都有相對應(yīng)的模型，多采用MODFLOW。美國的“國家水資源普查”，類似我國的水資源評價，將盆地尺度地下水模型的輸出結(jié)果匯總到一起，包括地下水儲量、補給量、排泄量。美國有全國統(tǒng)一的地表水模型“國家水文模型基礎(chǔ)設(shè)施”，其中包括了土壤水模塊，但一般認為此模型不屬于地表—地下水耦合模型。

②荷蘭

荷蘭水文模型研發(fā)歷史悠久，擁有全國尺度的地表—地下水耦合模型“荷蘭水文工具（NHI）”，其由荷蘭知名的水務(wù)研究機構(gòu)Deltares研發(fā)，已于2014年開始正式上線運行，持續(xù)在官方網(wǎng)站向社會公布相關(guān)信息。從地表到地下，NHI一共集合了5組模型代碼，分別針對不同的水文過程，地下水模塊是基于MODFLOW。

③英國

英國擁有全國尺度的地下水模型“國家地下水模型系統(tǒng)（NGMS）”，是專門針對地下水而建立，由英國環(huán)保部委托荷蘭Deltares研發(fā)。目前為非公開的內(nèi)部運行，當前版本覆蓋了英格蘭和威爾士地區(qū)。NGMS采用了通用模型可視化界面Delft-FEWS，其內(nèi)核是基于MODFLOW，特點是易用性強，用戶可以自行設(shè)定氣候、地下水開采等情景，系統(tǒng)反饋該情景所產(chǎn)生的影響。

④丹麥

丹麥擁有全國尺度的地下水模型“丹麥國家水資源模型（DKModel）”，自1996年開始，由丹麥與格陵蘭地調(diào)局（GEUS）負責開發(fā)，也是全球范圍較早開始研發(fā)全國尺度地表—地下水耦合模型的國家。模型代碼是由丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的MIKESHE模型，對地表—地下水水文過程進行了緊密耦合，地下水模擬算法類似MODFLOW。將全國分為7個子模型，分別建模后再進行拼接，網(wǎng)格大小為500 m×500 m，模型數(shù)據(jù)對外開放。DK model可以生成主要地表水、地下水變量的全國分布圖，以及全國各個區(qū)域地下水水均衡。

總體而言，目前開展全國尺度地下水模型應(yīng)用的國家還較少，主要是歐洲國土面積偏小和地下水賦存形式較單一的國家。全國尺度地下水模型建模難度相對較小，模型主要以模擬自然過程為主。使用的模型多為MODFLOW，也有的使用MIKE SHE這樣的耦合模型。

2.國內(nèi)研究進展

（1）地下水模型技術(shù)研發(fā)

從20世紀七八十年代開始，我國知名地下水學者均在地下水數(shù)值計算方法上開展了大量研究工作。如林學鈺提出了承壓含水層中二維溶質(zhì)運移和彌散的微機模擬；薛禹群研制了地下水污染模型，耦合海水入侵、大區(qū)域地面沉降模塊；武強提出了地表水、地下水和土壤水之間的水力耦合模型；陳崇希研制了基于多邊形網(wǎng)格的三維地下水流有限差分模擬系統(tǒng)等。但這些模型均未形成國內(nèi)流行的計算軟件，多數(shù)作為內(nèi)部使用，這可能與國內(nèi)當時計算機的普及程度、商業(yè)軟件開發(fā)能力等有關(guān)。

中國水利水電科學研究院（以下簡稱“水科院”）從20世紀80年代開始開展地下水模型研究工作，經(jīng)過幾十年的研究積累，目前水科院已擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的地下水模型COMUS。COMUS模型是基于C++語言面向?qū)ο竽K化開發(fā)，輸入/輸出依靠數(shù)據(jù)庫技術(shù)的地下水模型，其數(shù)值算法是基于網(wǎng)格單元中心差分法。在河流—地下水相互作用模擬方面，COMUS能夠模擬由自然河道、灌區(qū)渠系構(gòu)成的復(fù)雜地表水系統(tǒng)的引水、分水、用水、排水等人工行為，在灌區(qū)條件下的地表—地下水作用模擬方面具有顯著優(yōu)勢，充分體現(xiàn)自然—人工二元特色；在湖泊—地下水相互作用模擬方面，COMUS模型采用“傾斜湖底”的算法，能夠盡量減少含水層垂向分層，較好解決了湖泊邊界條件的連續(xù)性問題和收斂性問題，模擬計算成本更低。

此外，水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的變密度地下水數(shù)值模擬與預(yù)測軟件平臺Visual VFT3D，其耦合MODFLOW、MT3DMS、PHREEQC三個模型功能，實現(xiàn)復(fù)雜水文條件下變密度地下水流及多組分溶質(zhì)反應(yīng)性遷移過程的模擬，利用該模型完整模擬了大沽河流域水文循環(huán)過程及海水入侵過程。陳崇希等開發(fā)了地下水三維流多邊形有限差分法數(shù)值模擬系統(tǒng)（PGMS），能夠完成含水層系統(tǒng)的三維流數(shù)值模擬，其離散化方式為分層的三維任意多邊形有限差分網(wǎng)格，有利于處理復(fù)雜的邊界條件和水文地質(zhì)特征。

（2）地下水模型應(yīng)用

我國華北平原地下水超采最為嚴重，問題也最為復(fù)雜，很多學者都先后在華北平原開展過模型研究工作，如邵景力等應(yīng)用GMS和FEFLOW等軟件構(gòu)建地下水流數(shù)值模型，模擬與預(yù)測氣候變化和人類活動雙重作用下地下水流變化特征。其次，西北內(nèi)陸干旱區(qū)水資源極度短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，開發(fā)利用敏感，也是國內(nèi)研究地下水模型的熱點區(qū)，如張光輝等構(gòu)建黑河流域地表水—地下水流耦合模型，揭示區(qū)域水循環(huán)演化模式。在國內(nèi)其他地區(qū)，如吳吉春等在長江三角洲和山西柳林泉域、錢家忠等在濟南泉域、田開銘等在東北平原、侯廣才等在鄂爾多斯盆地、唐仲華等在江漢平原、王旭升等在珠江三角洲、許模等在青藏高原地區(qū)，均開展了大量地下水模型的研究工作?？傮w而言，國內(nèi)學者在全國各地下水重點區(qū)域都開展了地下水模型研究，但所用的模型軟件各不相同，難以在全國尺度進行統(tǒng)一。

二、全國尺度地下水模型建設(shè)探討

1.建設(shè)的必要性

《地下水管理條例》提出要強化地下水節(jié)約與保護措施、嚴格實施地下水超采治理措施和加強地下水監(jiān)督管理等。同時，《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)“十四五”時期復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境實施方案的通知》明確提出實行地下水取水總量和水位控制，對地下水保護與利用提出了更高的要求。在水利高質(zhì)量發(fā)展的新階段，通過全國尺度地下水模型建設(shè)可以為全國地下水管理“水利一張圖”提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，支撐對地下水“評價—規(guī)劃—管理—保護”各環(huán)節(jié)實施方案的科學論證。在管理方面，基于模型的地下水數(shù)字孿生和水量水位預(yù)警，可提升地下水信息化管理水平和強化地下水監(jiān)管等；在保護方面，基于模型的生態(tài)補水效果模擬和儲備量模擬評價，可支撐河湖生態(tài)補水效果評價和建立地下水儲備制度。

同時，水利部《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》明確提出要加快構(gòu)建具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動，地下水模型是其中的重要內(nèi)容，也是目前智慧水利規(guī)劃和建設(shè)中的一個薄弱環(huán)節(jié)，迫切需要加強研制。全國尺度地下水模型建設(shè)可以支撐地下水“四預(yù)”功能建設(shè)，模型可對區(qū)域水均衡、地下水流場、地下水水位等信息進行預(yù)報；對重點防護區(qū)的地下水水位、開采量、泉流量等指標設(shè)置預(yù)警；針對日常和應(yīng)急管理需求（如特殊干旱，突發(fā)污染），制定不同方案進行預(yù)演預(yù)練；根據(jù)預(yù)演結(jié)果，對日常和應(yīng)急情形，分別制定多套地下水利用和保護預(yù)案。

2.建設(shè)實施路徑

全國尺度地下水模型建設(shè)的可行性主要分為三個方面：核心計算模型研發(fā)、全國尺度模型集成平臺和數(shù)據(jù)底板。

在核心計算模型研發(fā)方面，首先要擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，針對國內(nèi)地下水特色進行研發(fā)，以滿足大多數(shù)地區(qū)地下水模擬和管理應(yīng)用需求。其次研發(fā)的模型要進行實際工程檢驗，確保計算結(jié)果穩(wěn)定可靠，并公開模型代碼和設(shè)計接口，供國內(nèi)科研人員監(jiān)督學習。

在集成平臺建設(shè)方面，應(yīng)基于同一套底圖，實現(xiàn)網(wǎng)格化的海量數(shù)據(jù)與成果的展示與共享；支持并集成全國各區(qū)域地下水模型建模，為通用模型的模擬和預(yù)測提供輸入數(shù)據(jù)處理服務(wù)，為模擬結(jié)果輸出提供匯總分析服務(wù)；展示全國地下水資源量（總地下水補給量和排泄量、儲存資源量）的空間和時間分布；更需要支持云計算（遠程）和云儲存等功能。

在數(shù)據(jù)底板方面，目前全國1:20萬水文地質(zhì)調(diào)查完成面積為724萬km2，基本能夠支撐構(gòu)建全國尺度地下水模型；國家地下水監(jiān)測工程一期已完成，全國監(jiān)測井2萬余眼，全國平均站網(wǎng)密度約為5.8站/1 000 km2。至少在重點盆地和平原區(qū)，地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)能較好支撐構(gòu)建全國尺度地下水模型；全國地下水資源及開發(fā)利用評價有關(guān)地下水資源、水質(zhì)、供用水量等數(shù)據(jù)基本覆蓋了水資源三級區(qū)套縣或縣級尺度，也為全國尺度地下水模型的驅(qū)動提供了可行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三、建立全國尺度地下水模型的建議

近幾十年我國在地下水數(shù)值模擬的應(yīng)用上取得很多成果，但原始創(chuàng)新相對較少，多數(shù)是跟蹤性的。當前地下水新技術(shù)、新方法的開發(fā)主要由歐美發(fā)達國家主導(dǎo)，這些問題和我們的基礎(chǔ)相對薄弱有關(guān)。新階段通過科技創(chuàng)新加強地下水管理與保護，建立全國尺度地下水模型是關(guān)鍵技術(shù)因素。

地下水模型技術(shù)方面。目前全國各重點地區(qū)都構(gòu)建了地下水模型，但所用技術(shù)大都是國外模型且各有不同，很難統(tǒng)一。建議加快研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地下水通用模型，打破國外技術(shù)壟斷，避免“卡脖子”技術(shù)問題。

全國尺度地下水模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面。構(gòu)建模型需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如水文地質(zhì)條件、地下水水位、地下水取用水量等，一是建議水利部、自然資源部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部等多部門協(xié)調(diào)合作，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享，使模型計算更加精確；二是建議加快推進國家地下水監(jiān)測工程二期，在空間上提供更緊密的地下水位監(jiān)測，更好地服務(wù)于模型的構(gòu)建與驗證，模型也可以反饋監(jiān)測工程的實效性。

建立全國尺度地下水模型方面。我國地形復(fù)雜多樣，水文地質(zhì)條件差異性較大，然而全國重點平原和盆地區(qū)位置分散，地下水系統(tǒng)各自基本不影響。建議在重點平原和盆地分區(qū)建立模型，再集成為全國尺度地下水模型。 ■