保关丽 高红 何莉莉

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

地下水是人类生活的重要水资源，然而由于过渡开采、渣滓填埋、污水排放、废弃物质沉积、施药施肥、无机污染物与石油泄漏、水质恶化、治理不达标等原因，大批污染物质渗入到地下水中，地下水资源发生严重危机。因此，我们亟需更好地估量出地下水的量和质的动静变化及污染状况，提出解决办法，保护地下水资源，使地下水资源能够持续化利用。将数值模拟应用在水资源方面，可提高保护水资源效率并为开发水资源提供可靠性依据，国内外已有不少数值模拟应用于地下水的研究。

1 地下水数值模拟的发展历程

法国著名水利工程师达西(H.Darcy)于1856年提出了渗透能量损失与渗透流速度之间的相互关系，计算方法为解析法；1950年，计算方法主要是电网络模仿；20世纪中后期，计算机被华尔顿(W.C.Walton)引入数值地下水建模，帮助解决水文地质数学方面的问题，并帮助定量解决水文地质问题，加速了数值模拟的发展。常见的数值模拟方法为有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、有限分析法(FAM)、边界单元法(BEM)。

2 常用地下水数值模拟软件的分析对比

计算机应用在水文地质方面的优异效果，致使用数字软件模拟地下水发展迅速，国外科研小组研讨出了许多地下水建模项目。目前效果反映良好的地下水模拟软件有GMS、Visual MODEFLOW、Visual Groundwater、MIKE SHE、MT3DS、TOUGH2、HST3D、FEFLOW等。以上8种软件的模拟方法、数据导入方式、功能及不足等方面分析对比见表1。

由表1可以看出FEFLOW作为地下水模拟软件是现有的功用最全面的建模软件，可模拟地下水流、溶质、热传输等状态。FEFLOW的地理信息系统数据界面优越，空间区域参数化，具有良好的数据图形直观性，对应4类网格划分算法: Advancing Front、Gridbuilder、Triangle、Transport Mapping。

表1 常用地下水数值模拟软件的分析对比

3 FEFLOW在我国地下水数值模拟中的应用

3.1 地下水资源评价方面的应用

地下水质及水量直接影响着人类日常生活，针对水资源流失、水污染一系列问题，利用FEFLOW软件对其进行评价，可为保护地下水资源提供可靠的依据。贺国平等[1]利用远程监测技术，精确界定研究区域边界，采用有限元的FEFLOW软件，创建地下水量模型，利用后识别模型建立地下水平衡，分析了经典水文年的地下水储量和开发潜力，给出合理利用地下水的建议。钦丽娟[2]采用FEFLOW建立了水文地质概念模型和地下水流模拟模型，通过识别后的模型计算可开采资源量，并统计了地表水可利用量，计算出可利用水资源总量。孙志浩等[3]选择曲阜市冲积平原区域,建立了综合数值模型模拟地下水流动和可溶性物质运输,通过对地下水系统的发展研究表明,人类活动是最终导致地下水环境恶化的一个重要原因。高宁[4]利用FEFLOW软件建立水流模型，模拟旱地地区某库坝工程施工前后地下水水位的动静状态。

3.2 地下水动态预测方面的应用

进入21世纪，地下水动态变化可通过FEFLOW数值模拟展现，毛军等[5]构建了青海柴达木盆地香日德绿洲地下水流模型，用一定数量指标表示事物的质的重要方法解释灌溉引水对生态系统的不利方面。张俊华等[6]为预测开采后的地下水位，通过FEFLOW建立引水工程水源地地下水流场模型，结果验证了开采方法是正确的。地下水位现如今备受关注，提前预测地下水位动态变化为阻止地下水位下降提供了可靠依据。李雪艳等[7]构建傍河水源地地下水模型，预测了在新增开采量情况下，1年以后地下水中产生基本不波动的涡旋并且在输入输出情况下水量仍能达到平衡。程双虎等[8]通过FEFLOW建成了东线工程受水水域地下水空间动态模型，预测区域地下水波动幅度情况，开展研究区域深层浅层中的水产量值，提前预测在正确及最大限度开采量的情况下地下水流量能保证且不影响地下水环境。郭达鹏等[9]以山东淄博沣水泉域为例，基于FEFLOW优越算法，进行空间非均质岩溶水模型构建,通过年水位动静数据辨认模型，开展了水源地开采方案的优化预测研究。袁广坤[10]使用FEFLOW创建1个区域模型,旨在定义二七商业区域的精确模型,模拟地下水位波动的研究区域,在极端的情况下,根据不同水位的预测, 可分区域设置抗浮水位。陈永祥等[11]基于FEFLOW对成都地铁7号线太平园站点构建三维水流数值模拟，预测差别工况下地底下公开空间开发对地下水的干扰状况。

3.3 矿坑涌水量方面的应用

矿井涌水量由于地质构造不同而造成的影响复杂，涌水量的预测极其重要，梁盛军等[12]在梧桐庄矿搜集整理原始数据，利用FEFLOW对目标层中2条河流的状态进行数字化建模，联结停止冲刷后的水位观测，评估再灌溉对含水层水位的影响，预测不断循环的含水层入渗条件的变换。姚文涛等[13]利用FEFFLOW建立了东欢坨矿地下水模型，预计增加的深度流量，并用地下水动力学的廊道法进行模拟验证，为涌水量预测结果的准确性提供依据。提前预知矿坑涌水量是否会对周围环境造成影响是很有必要的。段瑞琪等[14]基于FEFLOW建立了洛阳市诸葛镇龙门煤矿二维地下水渗流模型，结果表明：在龙门煤矿正常涌水情况下产生的降落漏斗未波及到景区，不会直接影响到景区泉的流量。李士锦等[15]在草甸煤勘探领域创建了水文地质空间模型，采用了调试与辨认相结合的方法，为准确查验矿井水位提供了数据。选择FEFLOW建模的同时，用解析法参与预测及检验，使得矿坑涌水量预测结果愈加准确。宋志钢[16]以小屯矿为研究对象，分别使用联合预测的大气降水入渗系数法与解析法结以及FEFLOW三维地质模拟方法预测小屯矿井第1号、5号矿区不同阶段的涌水量，预期结果接近于联合方法的预测。。

3.4 地下水溶质运移方面的应用

国内对污染物在地下水中运移模拟已有诸多成果，孙道林[17]以北京丰台区典型垃圾堆放场为研究区域，选择硝酸根离子作为控制对象，用 FEFLOW按量剖析地下水水质问题建模，模型参差小的情况下忽略不计，创建垃圾液浸出液随水流下渗到土壤里污染范围模型，结果显示5年后污染面积达到2.8 km2。杨亚芳[18]的研究对象是东线工程项目中段，使用软件模拟MIKE11流程和一维河流，分析了主管道内部的地下水储量为9 168.75 m3/d，地下蓄水离子流入主通道的速度为162.7 g/d,。庞桂斌等[19]利用FEFLOW建立了黄河三角洲地区五七灌区的水流与溶质运移模型，并模拟冬小麦微咸水灌溉计划，确立了理想灌溉方案。张淼等[20]以宁波某印染厂为对象开发了地下水流动和可溶性物质置换模型，表明印染厂的污水泄漏会对该区域造成10年的负面效应。高月香等[21]构建了北方某高尔夫球场及其周边地下水流和可溶性物质扩散模型，选取锰等物质为指标，结果表明了污染物在有隔离措施情况下污染物运移状况优于无隔离措施保护下。韩爽[22]运用FEFLOW建立了辽宁省大伙房水库地表水和地下水中阿特拉津的溶质运移模型，结果显示第303天含水层顶层阿特拉津残留量0.44～1.20 μg/L，含水层底层残留量为0.37～2.00 μg/L。

3.5 海水入侵方面的应用

国内最早将FEFLOW应用在海水入侵方面的是廖小青等[23]，他们在黄河农用地域空间地下水流建模，概算出稳定隔水层和隔水底板间地下水能够进入海中的流量。左文喆等[24]基于FEFLOW构建了秦皇岛沿海平原海水入侵的空间模型，提前预知了研究区各种挖掘情形下的海水入侵现状以及应对海水入侵的管理措施。何丽[25]在模拟没有地下水坝的情况下海水入侵界面的动态变化时，FEFLOW利用室内试验结果建模，调整参数，建立空间饱和、不稳定通量和瞬态运移模型，模拟大规模的海水入侵过程。余海忠等[26]利用FEFLOW模拟深圳西部海域入侵速率，数据显示深圳西部海域活动逐年减少，地下水和年均降雨量连续不变。

3.6 水热耦合运移方面的应用

数值模拟不仅仅应用在地下水模型中，同时也应用到了地下水热源模型的建立中，为合理可持续利用资源提供可行的依据。YANG J W等[27]根据地质图绘制和地层重建，首次使用FEFLOW对澳大利亚北草坪山台西东侧进行流体流动和热量传输的数值模拟，结果表明影响排液温度和速度的主要因素是渗透深度和导水特性。地热资源是清洁可再生能源，合理、可持续开发利用不仅节约能源，对保护环境也有着重要意义。郭帅[28]以广东省从化地区温泉为例，在FEFLOW研究中对地下热流和热资源研究利用，在地热异样区域开发1个新的ZKX矿床，能使地热资源持续使用，只要其提取量不超过6 000 m3/d。汪琪[29]结合磁强计和实地数据,以及为特定规模的地下储热地热地质条件选出4个地热地区，并评估计算地热资源,通过FEFLOW平原地热层热模型,建模可视化热源的空间分布。郭林茂等[30]使用BP神经网络模型模拟了高山地域的地表温度，最优FEFLOW模型的使用来自高地的地表温度驱动，在研究区域更深层次的活动中模拟各种土壤温度，从而更准确地了解土壤温度变换的季节。BP神经网络模型和FEFLOW模型的联合预估表明了50年后不同的深度冷却过程会随着温度的增加而减少差异。

4 结语

近20年以来，FEFLOW作为地下水资源评估、地下水环境及地下水资源治理等建模软件被广泛使用，同时还延伸到了矿坑涌水量预测、海水入侵及水热耦合运移等方面，最大限度利用了源于有限元的FEFLOW地下水数值模型的功能及长处。国内目前已具有溶质运移模型、热运移模型、坝体渗漏模型、地面沉降模型、地下水资源管理模型等。

与此同时，FEFLOW地下水模型仍不能实现初始项的个体处理，增加了之前的处理难度；实践中常见的混合井流动模拟存在难点；在应用模型建模中，因为FEFLOW网格分隔有限，大区域的超空间建模可能会不准确；FEFLOW应用的领域还没有水流、溶质运移和热耦合事例。随着人类对地下水赋存环境及其演化规律意识的不停深化，FEFLOW在地下水数值模拟应用方面仍具有广阔的开发空间。