刚什婷，邓英尔

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都610059)

地下水是我国城市生活和工农业用水的重要供水水源。全国约有2/3的城市和部分农田皆以地下水作为其重要供水水源。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，对水需求量增加，地下水长期过度开采，加之水资源调度与管理的不完善，引发了地下水位下降、地面沉降、咸水入侵、水质恶化等生态环境问题。地下水资源的开发、利用和保护已显得尤为重要。计算机的普及与发展，对地下水流和溶质运移问题进行数值模拟成为水文地质工作中一种经济、迅速、定量程度高的工作手段。

1 地下水模型的发展历程

随着科技的进步以及对地下水流动机理认识和理解的深入，地下水数值模拟也经历了由简到繁的过程。从十九世纪中叶到二十世纪初，经济发展较慢，地下水开发利用规模较小，地下水数值模拟刚刚起步，采用稳定流模型(Dupuit，1863)表述地下水运动规律;二十世纪三十年代，地下水开采量日益增大，非稳定流模型问世(C.V.THEIS，1935);二十世纪五十年代，开始开采深层承压水，汉图什(M.S.Hantush)和雅可布(C.E.Jacob)研究使用越流模型解决多含水层越流问题;六十年代以来，随着计算机的推广使用和数值分析计算方法的应用，使复杂地下水流模型成为可能，先后出现二维流、准三维流、三维流以及耦合模型[1]。

地下水管理是新发展起来的一门学科，20世纪七十年代国外学者开始对地下水数值模拟模型与管理模型的耦合方法进行研究[2];20世纪90年代至今是模型实用性研究阶段。时至今日，地下水管理模型的理论更加完善，建模方法更加成熟实用。

2 模拟软件GMS

地下水模拟系统 GMS(Groundwater Modeling System)，是由美国Brigham Young University环境模型研究实验室和美国军队排水工程实验工作站在综合 MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、FEMWATER、RT3D、SEAM3D、SEEP2D 、NUFT 、UTCHEM等已有地下水模型的基础上开发出一个综合性的图形界面软件。

MODFLOW子模块是由美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于模拟孔隙介质中地下水流动的三维有限差分软件;MODPATH子模块是确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径的三维示踪模型，需与MODFLOW联合使用;MT3DMS子模块是用来模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型，需与MODFLOW联合使用;PEST和UCODE子模块一般在使用 MODFLOW、FEFLOW等计算模块时交替运用，来调整选定的参数，直到计算结果和野外观测值相吻合;MAP子模块用来在GMS中快速建立概念模型;Borehole子模块用来管理钻孔地层数据，多与SOLID、T－PROGS模块联合使用，用来建立地质结构模型;2DScatter points和3D－Scatter points子模块分别用来管理二维和三维散点数据，利用散点数据进行空间插值;地理信息系统(GIS)与地下水模型的整合强化了数据的输入、传递、方案调整和空间分析等。

3 GMS在我国地下水资源评价与管理中的应用

GMS目前主要应用于地下水资源评价、地下水污染预测与修复评价、污染地下水的自然衰减模拟、地下水流特征演示、污染羽的描绘、污染地下水暴漏的风险评价，GMS软件以其友好的界面广泛应用于美国和世界其他国家。

3.1 三维水文地质结构建模

GMS软件建立概念模型时，除了常用的网格化方式外，多了一种概念化方法。概念化方法是先采用特征体来表示模型的边界、不同的参数区域及源汇项等，然后生成网格，再通过模型转换，将特征体上的所有数据一次性转换到网格相应的单元和结点上，用不同的多边形来表示不同的参数值区域。在随后的参数拟合过程中，即可直接对这些相应的多边形进行操作，而无需对此多边形内的每一个网格都重复进行同一操作。覃荣高等(2009)通过对基岩矿区钻孔资料进行分析、整理，基于GMS快速构建矿区地下三维实体。在 GMS界面下通过实体(solid)模型向有限差分模型(MODFLOW)和三维有限元网格模型转换，对矿区进行地下水的数值模拟与预测[3]。A.BORGIA(2011)等，基于GMS建立威尼斯潟湖西北部的垃圾场地区复杂的水文地质概念模型(该垃圾场底部地层沉积环境为潮间带沉积)，并利用 Fortran将其网格解译为TOUGH2的输入文件，结合其他获得的信息，利用TOUGH2模拟垃圾场渗漏污染液体在不同渗透补给率下的运移，并将模拟结果导入 GMS，清楚展现了模拟结果，弥补TOUGH2在建模方面的不足，使模拟结果更为精确[4]。杨军杰(2014)以蒙西至华中地区运煤通道铁路裴庄隧道地质资料为基础，针对GMS数据特点开发地质资料自动转换程序，建立隧道周围63.54KM2范围内的三维地质模型。通过DEM和叠加遥感影像，再现裴庄隧道及周围地区地形地貌和地层分布情况，为比较选择隧道方案提供了可视化手段，对提高设计质量也有一定的意义[5]。许彦平等(2014)在全面分析武汉市水文地质条件的基础上，将地层划分为4个含水层，基于GMS，采用有限差分方法，选取适当的模型边界条件，应用渗流－管流耦合模型来准确模拟混合开采井，采用“参数－初始水头迭代法”确定初始水头的分布，建立非均质三维地下水非稳定渗流水文地质模型，用以反应武汉市地下水动态变化特征[6]。

3.2 地下水水资源评价问题

一般来说，地下水资源评价包括地下水水量和水质两个方面。地下水资源评价就是确定地下水资源的数量、质量、分布范围、和可靠性以及人类活动的影响，对水资源开发利用状况及开发潜力作出评价。

GMS中的SEEP2D模块是专门用于计算二维有限元稳定渗流模型的软件包，可以模拟承压、无压、饱和和非饱和流，还可以用来模拟二维井流和排水沟，适合模拟细部结构的精细渗流模型。赵红红(2008)基于GMS中的 SEEP2D模块对心墙堆石坝进行二维稳定流分析。通过分析可知，土石墙挡水作用明显，心墙渗透坡降集中于下游面，靠近下游面底部尤为明显，需要采取措施确保渗流稳定性。防渗幕在覆盖层区域效果明显，渗透坡降大，防渗幕应穿过弱风化岩层以降低下游水头，但不必进入新鲜基岩太深，因为帷幕本身的渗透性大于新鲜基岩。反滤排水对下游水头影响不大，对防止下游覆盖层管涌有积极作用[7]。

杨丽君(2008)基于饱和－非饱和流理论建立了河流与地下水系统的数学模型，将河流与地下水关系的演化视为若干个稳定过程连接起来的一个非稳定过程，应用 GMS中的SEEP2D模块对河流与地下水由具有统一浸润曲线向河流与地下水“脱节”的演化过程做数值仿真模拟，计算出给定条件下稳定时刻河流与地下水的关系图，模拟结果表明当河水位不变，排泄水位低于临界脱节水位时，河流与地下水脱节，地下水面随着排泄水位的降而降低，形成河流－悬挂饱水带－包气带－饱水带的水流系统;河床底部弱透水层的存在使得上下含水层水量交换极其困难，当排泄量大于弱透水层补给量时，将疏干弱透水层下部含水层中的水来满足排泄量，形成河流－上层滞水－弱透水层－包气带－饱水带的水流系统为评价傍河水源地开采量及可持续利用和生态环境保护提供了科学依据[8]。

杨晓婷(2011)以饱和－非饱和流理论为指导，建立地下水流与污染质协同运移相耦合的数学模型，选用GMS软件中的FEMWATER模块，将饱和 －非饱和带作为一个整体进行模拟计算，首次将污染物在河流－地下水系统中的运移方式分为:以对流占优势的对流带、以对流向弥散过渡的过渡带和以弥散占优势的弥散带。

模拟结果表明在河水位与地下水位临界脱节的状态下河流的补给量时最大的，当排泄水位达到临界脱节水位时，河流污染物扩散范围是最大的;河水深度越大临界脱水位越低，即越难脱节;而河水越深河流污染物扩散范围越大，通过增加河流深度可增加河流补给量，但同时污染物的扩散范围也随之增大。在此基础上提出了保障傍河取水安全的对策与措施，如对于水质较好的河流中上游地区，可以使开采水位降到临界脱节水位，获得最大河流补给;对于水质较差的河流中下游，不可采取脱节开采，必须保证一定的水力梯度，使污染物有充足的时间和距离进行吸附、降解[9]。

杨宗杰(2011)采用 GMS软件，建立了博兴县南部区地下水源地数值模拟模型，并对该水源区未来渗流场、溶质运移场和污染程度进行了定量预测，采用MODPATH模块的轨迹反向追踪和水力截获技术，借助离子示踪定量划分各级保护区，为该区的地下水环境保护提供了技术支撑和预警平台[10]。

很多简单的道理，非让大师反复言说，信众才能反思进步，实在是一种怠惰……今天问完医患关系，明天求解国际局势，大师可不是百度、谷歌，会被大家玩坏的。

郑立博等(2014)基于GMS，建立某应急水源地地下水数值模拟模型，直观反映并预测出在特定供水量的条件下，评价区地下水资源量、区域地下水降落漏斗的范围，有利于更好的利用并保护地下水资源[11]。

在干旱－半干旱地区，地下水源是人类最可靠的引用水源，保护地下水水质、水量尤其重要。HOSSEIN BANEJAD等(2014)基于GMS建立伊朗哈马丹省西南部平原非承压含水层的水文地质概念模型，对地下水均衡进行计算，并利用MADPATH正向和反向粒子追踪技术计算出污染物在30，100，1000年后的污染范围和潜在污染源，对保护地下水资源，防止平原其它地区含水层受污染具有指导性意义[12]。

3.3 饱和带地下水污染问题的模拟

MT3DMS是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。模拟须和MODFLOW一起使用。谭文清等(2008)基于GMS中的MODFLOW和MT3DMS软件包对研究区污染物在正常泄露、事故泄露、及正常与事故叠加三种情景下在地下水中运移进行数值模拟。模拟结果显示基地防渗虽能减少对地下水污染的影响，但污染仍然会存在，由此提出了在做好防渗的同时，加强监测，开展水力调控措施的研究，降低地下水污染应急处理的技术难度[13]。王喆等(2012)以北京市西郊典型地段为研究区，基于 GMS软件建立地下水污染组分运移数值模型，对 Cl－1、NO32－、THD 浓度场进行识别和验证。利用此模型模拟和预测了南水北调中线工程建成来水后，地下水开采方案改变条件下，垃圾填埋场被浸没情况下污染组分浓度的时空分布，为垃圾填埋地下水危险性评价提供依据[14]。吴晓艳等(2013)以我国南方某大型铀尾矿库为例，基于GMS分别进行水流场和溶质迁移模拟，研究了降雨对铀尾矿库地下水中核素迁移的影响[15]。张洵等(2013)运用GMS，对研究区在非正常工况情景(主要是指装置区硬化面或防渗层出现破损、管线因腐蚀出现漏洞等情景)下污染物渗漏进行了为期 5，10，20，30，40，50a的预测，为制定污染物监测、治理措施提供了依据[16－17]。李华(2014)采用多孔介质模型，基于 GMS软件建立了云南德厚水库下游废弃砒霜厂地下水水流场模型和溶质运移模型，对裂隙岩溶水流场和污染物进行了数值模拟，判断污染源分布及污染羽扩展范围，通过分析得出砒霜厂污染物运移对水库建设影响较小[18]。

3.4 非饱和带水分、盐分及污染物运移问题

P.S.Huyakorn等人于1987年第一次给出了描述密度不断改变的液体流动方程，但未予严密推导，且对潜水含水层中的海水入侵也未加研究，只是简单地作为承压含水层处理，未考虑降雨入渗对溶质运移的影响和潜水面变动对海水入侵过程的影响[19]。1991年，薛禹群等就对海水入侵进行研究，提出了考虑过渡带的适合潜水含水层和承压含水层的海水入侵数学模型，并将其应用于山东龙口市海水入侵问题的研究，较真实和严密地刻画了开采条件下海岸带孔隙含水层中海水入侵的物理过程，在国内是首次的，国际上也罕见[20]。

王文君(2012)基于GMS建立南康盆地水文地质概念模型，以此为基础对南康盆地孔隙含水层的防海水入侵功能进行论述。运用GMS中的 MODFLOW建立南康盆地的第1，2承压含水层地下水流模型，对其混合地下水流场进行模拟，并引入BP神经网络模型进行模拟对比;最后，运用 MODFLOW预测了不同情况下防止海水入侵的开采方案[21]。

FEMWATER是用来模拟饱和流和非饱和流环境下的水流和溶质运移的三维有限元耦合模型，还可以用来模拟咸水入侵等密度变化的水流和运移问题。该模块采用压强水头作为因变量，将饱和－非饱和带作为一个整体进行模拟。谢文逸(2013)应用GMS中的 FEMWATER模块及其它相应模块，结合现场渗水试验、抽水试验和注水试验、地质勘查资料及其他相关资料，对上海市西南闵行工业区地下水的水质状况和地下水水位变化做出相应模拟预测，得出通过两口井抽取处理的最优方法可以防止地下水状况继续恶化[22]。

3.5 热量运移和含水层贮能问题

多孔介质中的热量输运与能源、环境密切有关。早在1989年薛禹群等就对含水层贮热能进行了研究，提出了一个承压含水层的三维对流－热弥散模型，并结合上海为防治地面沉降而进行的贮能试验进行验证，此模型不仅考虑了热对流，而且还有热弥散项，结果表明只有 Peclet数很小的情况下才可以不考虑热机械弥散。为预报地下水系统中冷(热)水的热能运移，进行贮能效率的研究提供了可能性[23－24]。

胡燕(2011)等通过分析滨海新区地质构造、钻探、物化探等资料，对该区新近系馆陶组热储层边界条件、热储特征、埋藏深度、地温场及地热流体场进行深入研究，建立新近系馆陶组热储层可视化3D模型及地热流体数值模型，应用GMS软件对馆陶组流场、观测孔进行模拟拟合，应用误差分析、灵敏度分析、流量均衡分析法对模型进行识别和检验。利用所建数学模型计算了地热流体可开采量，以及预测了10年后馆陶组地热开采可能引起的地面沉降量，为未来地热资源潜力评价和地热储层热流体的数值模拟作了一个尝试[25]。

3.6 地下水管理与合理开发(地下水－地表水联合评价)

地下水管理模型就是基于运筹学原理，应用系统分析方法，为达到既定管理目标所建立的地下水最优管理决策的数学模型。通常它由地下水系统的数值模拟模型(如地下水水流模拟模型、地下水溶质模拟模型)和最优化模型耦合而成。

地下水管理的一般程序是:概化 －模拟化－最优化－系统评价。模拟化是通过模拟方法对水文地质实体及其内部的由水力特征而定性描述的水文地质概念模型作定量的研究;最优化是在模拟化的预报模型基础上，应用线性规划、动态规划和非线性规划等最优化方法建立地下水管理模型，求得系统的最优决策方案[26]。

王宏等(2005)应用SWAT/GMS联合模型对华北平原地下水系统进行联合模拟调参，并结合研究区2000年地下水位降落漏斗的空间位置，计算出华北平原山前浅层地区地下调蓄库容。得出实施南水北调中线工程后，在华北平原启用地下水库及修建人工漏水水库，生态河等必要的配套设施，具有一定的生态价值[27]。

美国地质调查局基于三维地下水模型MODFLOW－2000开发的地下水管理程序GWM采用响应矩阵法将地下水模拟模型和地下水优化模型耦合，并提供了单纯形法、序列线性规划以及分支定界法供用户来分别解决线性、非线性和0－1混合线性的地下水管理模型。运用GMS中的MODFLOW模块建立MODFLOW模型，并从中提取 GWM所需的MODFLOW数据，用来求解地下水管理模型，可进行水资源的配置的优化。加强两个程序之间的衔接将促进地下水管理模型的发展。

3.7 其他方面的应用

GMS还可以用于与地下水相关的其他方面，如地下水库选址、气候变化对地下水动态的影响、地面沉降数值模拟、水文地质参数的选取，地基稳定性计算等。

韩程辉等(2005)在对GMS软件各模块进行简单介绍的基础上，介绍了该软件的优点，分析了这套软件在矿井防治水研究领域的应用前景[28]。谢轶(2006)等基于 GMS，利用区内大量的钻孔数据，建立了大庆地下水库水文地质结构三维可视化模型，为地下水水库选址和建设提供了重要的依据[29]。地下水系统是一个复杂的动态系统，在数值模拟概化、模型输入数据、水文地质参数选取具有不确定性，因此所建立的模型也具有很大的不确定性和随机性。周美英(2012)利用GMS中的MODFLOW模块建立地下水水流随机模型，利用一种优化的 Monte－Carlo方法－拉丁超立方取样(LHS)方法获得渗透系数和降雨强度的随机组合，用此随机模拟的地下水水位均值场代替确定性模型中的计算值水位场，来评价地下水资源，预测未来地下水位动态变化;在地下水流随机解的基础上，对地下水开采量进行风险和可靠分析;运用MT3DMS模块建立“三氮”运移随机模型，在此基础上预测来了 10年后靠近浑河段沈阳“三氮”分布情况[30]。在地下水数值模拟中断层对地下水流具有控制阻碍作用，表现为不连续性和各向异性，运动规律也较为复杂。梁世川等(2013)，运用 GMS与 ARCGIS结合，对盖孜河水源地地下水流进行数值模拟，采用MODFLOW下的Barrier障碍边界处理断层，通过分析研究区内断层特性及其分布规律，将它作为模型内部第二类边界条件(隔水或若透水边界)输入模型，进行模型检验、运行及校正，得到了与实际情况相符的地下水流数值模型。对于确定地下水时空分布，选取水源地，开采井布局，开采方案具有重大意义[31]。

4 存在问题及展望

(1)地质过程的发生大部分为应力场、渗流场、热场以及化学场的耦合，如石油、天然气、地热等资源的开采，城市垃圾填埋，污染物的渗流迁移等等方面，都存在着两场或多场耦合。而我国大部分的研究主要局限于两场或无构造动力作用的耦合，在理论模型、数值模型和模拟方面的相关实验甚少，少见三场耦合的研究实例。而模拟软件的发展取决于地下水数学模型及计算机软件技术的发展两个方面。所以模拟者应根据自己所研究的课题建立正确的模型及选择与开发合适的软件去解决多场耦合问题。

(2)地表水与地下水的相互转化是自然界普遍存在现象。而目前有关地表水与地下水联合模拟评价和管理的数学模型，仅考虑主要研究对象的水流运动规律，而不直接考虑与研究对象存在水力联系的其他水源的运动规律，仅把这些当做研究对象的源汇项来处理，实质上未能将地表水与地下水这两大子系统进行真正意义上的评价。通过改进GMS模拟软件以及与其他软件的集成，实现地表河网 －地下水流系统的真正耦合也将是未来的研究方向。

(3)在地下水资源评价或地下水溶质运移模型模拟时，往往将河流概化成定水头边界或定流量边界，没有考虑在实际开采影响范围内河流连续入渗和淋滤式入渗是两种相互转化状态;过多关注河流污染物的饱和入渗或非饱和入渗对沿岸地下水的影响，而对当河流与地下水脱节后，污染物由河流－悬挂饱水带－包气带－地下水含水层中的迁移转化机理研究相对薄弱，在此复杂条件下构建高效的、河流与地下水关系演化和污染质协同迁移的数值仿真模型，克服数值振荡和数值弥散也是当前亟待解决的重要科学问题。

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