中国地下水数值模拟的现状与展望_薛禹群_百度文库
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中国地下水数值模拟的现状与展望_薛禹群
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你可能喜欢[转载]加强地下水数值模拟技术在大调查中的应用
一、地下水数值模拟技术的重要性
地下水数值模拟技术是当代水文地质学研究和应用的最重要手段之一。这是因为地下水数值模拟技术具有特殊的优越性：一是地下水数值模拟技术可以通过系统地分析和整理已有的水文地质、物探、钻探、调查、监测、同位素、遥感等资料信息，建立地下水流动和污染物运移的数值模型，从而在总体上刻画地下水及污染物在空间与时间上的分布与运移规律；二是地下水数值模拟技术具有超前预报预测地下水水位变化、污染物运移、包气带水分变化等功能，从而可为工程方案设计（如污染治理方案、供水方案等）提供科学的依据；三是地下水数值模拟技术与计算机可视化技术相结合，可以及时的以动画与数字化生动的表达地下水运动、地下水水位变化、污染物扩散范围等，得到对地下水资源及环境污染的实时管理与监控，从而进行风险评价分析与调控。
地下水数值模型作为预测、评价工具为大家所熟知。由于当今地下水模型技术的普及以及计算机技术的迅速提高，地下水数值模型作为地下水系统分析的重要工具手段，
并在解决具体的水文地质问题过程中起着日益重要的作用。到目前为止，唯有通过模型，可以把不同手段方法（如物探、钻探、调查、监测、遥感等）得到的数据放进一个统一的系统，分析彼此之间是否存在矛盾。如果对水文地质已有了一些预先的理解，还可以看看这些数据和我们的理解是否一致，模型是重要手段。利用模型进行水文地质数据综合处理的过程中，可以发现哪些水文地质信息已经足够，哪些信息还缺乏，缺乏信息的地方就需要布置勘探工作量。所以，模型也是帮助进一步部署野外调查工作量的重要手段，可以把有限的投资放在真正需要得到数据的地方。我们对地下水的流动、排泄、补给有很多假定，检验这些假定是否正确的有效方法是把假设放进模型，比较模型运行结果与可靠的实测结果是否一致。通过这个方式可以加深和协助我们对水文地质条件的认证，以得到科学地指导地区的经济发展、地下水资源开发与社会及生态环境可持续地协调发展。
当前国际上地下水模拟技术应用的热点主要包括：
●非饱和带水分与污染物运移
●地下水水量与水质管理
●地下水与土壤污染的治理与修复（水力、化学与生物方法等）
●核废物地质处置过程中的水文地质问题
●全球气候变化对水循环的影响
●裂隙岩石中水流与溶质运移
●湿地的保护与恢复
●非均质连续介质中水流与溶质运移
●多相流动问题：水－油－（油）气、水－油、水－水气、水－冰－水气等
●多重过程耦合问题：水流－热扩散、水流－化学作用、水流－应力变化、水流－热扩散－化学作用、水流－热扩散－化学作用－应力变化等。
欧美等发达国家基本上处于社会、经济、环境相对稳定发展期，即城市化与第一产业的发展缓慢或停滞，因而地下水模拟技术的应用主要集中在地下水资源的管理与调水、局部污染的治理，例如湿地的恢复、加油站污染的清理、以及废物处置场址评价等。近二十年来，我国处于经济大发展、基础工业与交通高速增长、社会快速城市化及生态环境大变化，水文地质工作的主要重心集中在区域地下水资源调查与评价、围绕城市与大型工业的地下水水源地勘察与评价。在应用地下水模拟技术解决相应的地下水和水文地质问题时，一方面要学习和借鉴西方的经验，另一方面要紧密结合我们的具体条件。
二、客观地认识地下水数值模拟技术
地下水流动与污染物运移是一个复杂的地质过程，也就是说我们不能够直接观察到地下水和污染物在哪儿流，以多快的速度流动，以及含水层水文地质参数的空间变化。而实际上，人们在开始的时候仅仅知道可能的污染源（例如垃圾场，工业废水排放点，农药或化肥的面上污染等等）和在井水，泉水或观测井中检测出的污染物。我们最想知道的是地下水和污染物在地下的空间分布，地下水和污染物自补给区或污染源能否运动到达开采区/目标区或到达开采区/目标区的时间，开采量和污染物运移与地下水水位的关系，以及其随着时间的变化动态。为了达到这样的目标，科学工作者进行了大量的野外勘察和研究，以期掌握地下水流动和污染物在时间和空间上的分布特征与规律。而长期以来这一科学问题仍然无法得到满意的解决。其中的主要原因之一是含水层结构的非均质性及其参数的不确定性。因为人们只能根据有限的地质和水文地质勘探资料来分析和研究含水层系统，并发现利用传统的描述均质含水层系统的理论来分析通过不同的钻孔进行的抽水试验所得到的参数不同。水文地质学界一直在寻求一种能够更合理描述含水介质非均质以及系统参数分布的理论与方法。刻画与描述含水介质非均质的途径包括：一般的参数分区、地质统计方法描述、不连续裂隙网络模拟、地球物理反演、岩相－古地理－沉积环境分析等等。
关于地下水数值模拟技术应用，应当就研究区的水文地质特点妥善处理好如下四个方面的问题，这也是争论地下水数值模拟技术应用好坏的几个焦点：
●实测数据的代表性：例如在盆地排泄区深部地下水水位往往高出地面，如何在二维地下水水流模型中概化和应用？
●水文地质参数的尺度效应：例如对于一个地下水污染模型，在没有进行现场相应尺度规模条件下弥散试验的条件下，如何选用地下水污染模拟的关键参数－弥散度？
●现场试验结果的客观解释：水文地质参数是在一定的模型假定条件下获得的，例如野外的稳定流抽水试验获得的含水层渗透系数。如何将现场抽水试验所获取的水文地质参数应用到数值模型中去？
●数值模拟结果的可靠性：检验数值模拟结果的可靠性通常是比较计算结果与实测数据（例如地下水水位）的拟合程度。通过调整参数的分区可以得到理想的拟合结果。单纯的追求拟合效果并不代表数值模拟结果的可靠性提高了。
应当客观的认识地下水数值模拟技术的定位：地下水数值模型是定量刻画地下水系统的工具，模拟结果的好坏除了模型方法本身之外，主要取决于水文地质概念模型的合理概化（含水层结构、边界条件、补给与排泄条件等）。二者应当有机的结合在一起，才能有效的发挥地下水数值模拟技术在水文地质研究和调查中的作用。可以用简单的关系式来加以说明：
●概念模型不正确＋模型手段不合适→数值模拟结果没法信
●概念模型正确＋模型手段不合适→数值模拟结果不可信
●概念模型不正确＋模型手段合适→数值模拟结果不可信
●概念模型正确＋模型手段合适→数值模拟结果可信
在实际工作中，对水文地质条件的认识是一个逐步提高的过程，对地下水数值模拟技术的应用力争达到：概念模型基本正确＋模型手段较合适→数值模拟结果基本可信。
三、地下水数值模拟技术在大调查中应用的几点建议
（1）地下水数值模拟技术层面
●加强地下水的监测工作；
●三维含水层（水文地质）结构模型与地下水数值模型应有机衔接；
●单元剖分问题。若选用三维地下水模型：垂向上剖分层不能过少，否则无法描述地下水在垂向上的运动，达不到三维模型的目的；平面上不能过大，否则技术单元象纸一样薄，会引起数值技术本身的问题；
●特大尺度含水层系统、盆地是否宜选用二维数值模型，局部或重点地区（如排泄区、城市区）用三维数值模型；
●提高地下水数值模拟技术的硬件支撑水平。
（2）地下水数值模型应用的层面
●将地下水资源评价与规划相结合；
●地下水与降水、地表水的关系；
●地下水数值模拟技术与地球物理方法、环境同位素方法相结合；
●地下水模拟软件的自主开发与引进相结合；
●考虑到含水层与参数的不确定性；
●引入风险评价方法。
（3）模型应用的范围
●固体废弃物的污染风险评价；
●浅层水开发的水与物资循环；
●滨海与海岛的安全供水问题；
●大型水源地保护区的功能划分、供水安全问题；
●地下水水位控制与生态环境保护问题；
●饱和、非饱和带地下水污染评价方法；
●构建典型含水层系统地下水时空分布与动态变化的数字化平台。
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分类号：P641
单位代码： 10422
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硕士学位论文
MaSter’sThesis
ShandongUnirersity
论文题目：
区域地下水数值模拟
作者姓名 于峰
岩土与结构工程
指导教师姓名
马秀媛副教授
专业技术职务
山东大学硕士学位论文
原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独
立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不
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论文作者签名：
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(保密论文在解密后应遵守此规定)
论文作者签名：韭导师签名：豸邋日 期：
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山东大学硕士学位论文
地下水既是一种宝贵的自然资源，又是环境的基本要素。当今世界所面临的
“人口、资源、环境”三大问题，都直接或间接地与地下水资源有关。随着工农
业生产的发展和人民生活水平的提高，对地下水资源评价与管理提出了更高的要
求。二十世纪七十年代以来，数值模拟技术在地下水渗流问题中得NT广泛应用，
成为人们揭示地下水运动规律和资源评价与管理中必不可少的工具．
本论文在系统分析地下水数值模拟方法的基础上，运用有限差分和有限体积
法，结合济南泉域裂隙岩溶地下水含水介质系统，采用二维非稳定流数学模型对
该地下水系统进行了数值模拟，对泉域地下水动态变化进行了评价，为今后泉域
地下水资源评价与管理提供了一种有效的分析手段，为区域地下水资源的科学管
理提供了有意义的参考。主要研究内容有：
第一系统回顾和分析了地下水数值模拟的国内外发展现状、主要数值方法
的原理和应用，首次将有限体积法引入泉域地下水系统的数值模拟中来．
第二在调查和分析相关资料的基础上，概括总结和阐述泉域研究区的自然
地理、地质和水文地质条件。概化研究区水文地质特点，提出研究区水文地质概
第三建立济南泉域研究区非均质二维非稳定流数学模型，利用有限差分和
有限体积法进行数值求解。
第四 根据实际水文地质特征离散研究区域，对渗透系数等参数进行分区，
利用2002年和2003年的实测资料进行模型识别和校验，经过识别与检验的地下水
数值模型可直接用于泉域地下水的动态预测。
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地下水数值模拟
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