段煥娥，閆浩文，韓 慧

（蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州730070）

國內(nèi)地下水資源可視化現(xiàn)狀研究綜述

段煥娥，閆浩文，韓 慧

（蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州730070）

地下水資源日益匱乏及其可持續(xù)開發(fā)是當(dāng)前人類高度關(guān)注的資源環(huán)境問題之一。地下水賦存于地下不可直接觀測其空間特征，因此模擬可視化成為地下水資源科學(xué)規(guī)劃與管理的基礎(chǔ)，并成為水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)研究的熱點和緊迫課題之一?；谖墨I檢索，總結(jié)了該領(lǐng)域的研究進展和存在的問題，以期為后續(xù)研究提供必要的參考和借鑒。

地下水；三維建模；水動態(tài)；物質(zhì)運移；可視化

地下水賦存于地下巖石空隙中，不能直接觀察，只有通過水文地質(zhì)勘察和地下水動態(tài)監(jiān)測才能揭示其賦存條件與運動變化規(guī)律。利用可視化技術(shù)展現(xiàn)地下水賦存環(huán)境和動態(tài)特征，從而較全面準確地揭示研究區(qū)水文地質(zhì)狀況，已成為水文地質(zhì)學(xué)的熱點研究課題之一。當(dāng)前研究成果和技術(shù)方法較多，本文基于文獻檢索，總結(jié)了當(dāng)前的研究進展和存在問題，旨在為以后的研究提供必要的參考和借鑒。

1 地下水流場三維可視化模型

地下水三維建模是水文地質(zhì)三維可視化的基礎(chǔ)和重點，主要是利用有限的鉆孔數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)剖面圖及其他勘測數(shù)據(jù)構(gòu)建地下含水層模型、地下水賦存環(huán)境模型等，以此描繪地下水的分布和賦存特征。建模方法主要包括準三維寫意可視化、準三維制圖可視化、三維體視化、混合體視化等4類[1]（見表1）。其中，前2種是基于表面的建模方法，重點通過二維模型的色彩、紋理等視覺變量組合實現(xiàn)三維視覺感受；后2種是基于二維組合及三維立體的建模方法，旨在通過對象內(nèi)部參數(shù)變化描述地下水流場空間的內(nèi)部特征。此外，還有人提出了立體可視化，主要思想是在數(shù)據(jù)三維可視化基礎(chǔ)上，通過實現(xiàn)顯示器三維顯示功能和立體眼鏡等達到視覺感受三維化。這與空間數(shù)據(jù)三維建模已是兩類課題，因此，應(yīng)當(dāng)已不屬于三維建模范疇。

表1 地下水流場三維可視化建模方法分類及其特征

2 地下水時空變化及物質(zhì)運移可視化

地下水時空變化可視化以水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)、地下水文動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果及專家分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立地下水流場各類滲流、運移、污染擴散、水位變化等時空變化模型，并實現(xiàn)可視化模擬分析及顯示。這方面的研究主要有以下4類：

1）地下水流模擬模型與GIS軟件相結(jié)合。充分利用GIS軟件的可視化功能實現(xiàn)水文地質(zhì)信息分圖層管理、自動繪制等值線圖、生成水位剖面圖、控制點的添加、參數(shù)賦值、空間查詢等[9-12]。楊旭等以常州—武進地區(qū)地下水流模擬為例，研究地下水流數(shù)值模擬過程中含水層空間與模擬時間的可視化離散、計算參數(shù)的可視化賦值、模型的可視化擬合及其模擬結(jié)果可視化表達的方法，基本實現(xiàn)了地下水流模擬過程的可視化[]。

2）基于地下水流模擬專業(yè)軟件的可視化。國際上流行的地下水文地質(zhì)數(shù)值模擬專業(yè)軟件有很多，如Visual MODFLOW、FEMWATER、FEFLOW、GMS等都提供了三維地下水流評價、平面和剖面流線示蹤分析、溶質(zhì)運移模擬評價以及可變密度流場模擬等功能，主要用于對地下水資源評價所涉及的空間數(shù)據(jù)進行管理和專題制圖。國內(nèi)研究中除FEMWATER應(yīng)用較少外，其他的都被廣泛使用（見表2）。

表2 軟件名稱與“地下水”聯(lián)合檢索的期刊論文記錄數(shù)

MODFLOW軟件雖然本身僅限于模擬地下水在孔隙介質(zhì)中的流動，但大量實踐表明，只要使用得當(dāng)，MODFLOW也可用于解決許多地下水在裂隙介質(zhì)中流動的問題[13]和抽水引起的地面沉降等的模擬[14]。例如，羅云菊等采用MODFLOW模擬重慶小泉地區(qū)在不同開采條件下的地下熱水滲流場，得到小泉地區(qū)地下熱水可持續(xù)開采量[15]；周念清模擬了宿遷市地下水資源及水漏斗情況[14]；趙松江等對四川天臺滑坡體內(nèi)滲流場的變化進行模擬，獲得了特大暴雨情況下滑坡發(fā)生時坡體內(nèi)的滲流場情況，并預(yù)測了不同工況下各種降雨持續(xù)時間的坡體的滲流場，為有針對性地開展滑坡治理提供可靠依據(jù)[16]。

GMS幾乎包含了地下水流模擬的所有模擬模型，可以用來模擬與地下水相關(guān)的幾乎所有水流和溶質(zhì)運移問題[17]。曹淵等采用GMS軟件數(shù)值模擬，獲得了飽和帶和非飽和帶地下水的運動特征及飽和、非飽和情況下核素遷移的方向及其空間分布[18]。祝曉彬等實現(xiàn)了對長江三角洲（長江以南）深層地下水的三維數(shù)值模，為該區(qū)地下水資源開采提供參考[19]。譚文清對西南某沖洪積扇平原中上端的污染物在地下水中的運移進行了模擬[20]。梁秀娟對蘇錫常地區(qū)[17]、王敏對泰安市東武水源地[21]、楊宗杰對博興縣南部區(qū)域[22]等地下水文、水環(huán)境分別做了可視化模擬。

FEFLOW被認為是迄今為止功能最為齊全的地下水水量及水質(zhì)模擬軟件，也被用來解決許多地下水在裂隙介質(zhì)中的流動問題，并且經(jīng)過合理的線性化處理，還可用于解決空氣在土壤中的運動問題[23]，廣泛應(yīng)用于預(yù)測各種條件下地下水的變化。冶雪艷等根據(jù)不同斷流條件模擬了黃河側(cè)滲補給量和地下水流場、水位的變化[24]。劉娟等模擬了我國北方某市地下水中CCl4污染物的濃度場，并預(yù)測了未來濃度場變化[25]。盧薇等建立了珠江口東岸地區(qū)海水入侵三維溶質(zhì)模型,預(yù)測了在不同開采條件下研究區(qū)海水入侵的趨勢[26]。高衛(wèi)東對大屯煤電公司中心區(qū)[27]、毛軍對柴達木盆地香日德綠洲[28]等地下水動態(tài)變化也進行了有效的模擬和可視化。

3）基于虛擬現(xiàn)實和可視化編程技術(shù)的可視化。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和可視化編程實現(xiàn)水流動態(tài)的仿真模擬和動態(tài)跟蹤研究。武強等以Visual C++6.0和OpenGL graphics library為技術(shù)支撐，提出了地下水滲流場可視化動態(tài)模擬的體系架構(gòu)，設(shè)計了虛擬開采井條件下的流場仿真模擬和水位動態(tài)模擬算法，并通過建立流場的拓撲結(jié)構(gòu)和特征提取，以及區(qū)域布點、質(zhì)點途經(jīng)單元的流速計算等，實現(xiàn)了復(fù)雜流場的連續(xù)流線生成與動態(tài)跟蹤模擬可視化[8]。朱琳等利用同樣的技術(shù)在虛擬模型中耦合地下水位埋深和地面沉降間的關(guān)系，實現(xiàn)地面累計沉降量的模擬預(yù)報[29]。

4）多技術(shù)組合可視化。主要是上述技術(shù)和軟件與其他方法的聯(lián)合使用。如林晨基于 OpenGL編程進行地下水模擬和地下水位降落漏斗可視化[30]。蘇萬益等用Matlab與水文地質(zhì)有限元處理軟件 (HFEM)耦合，實現(xiàn)了地下水三維等值線的繪制等[31]。水利部中央地下水委員會（CGWB）采用Map Info Professional、Map Info VerticalMapper、SPSS和R2V等開發(fā)了GEMS軟件等，有效實踐了傳統(tǒng)軟件環(huán)境下地下水動態(tài)模擬及可視化方法。

以上類似的研究層出不窮，這對各種地下水環(huán)境建模和數(shù)值模擬方法及理論的研究進行了有效地驗證與發(fā)展，極大豐富了地下水?dāng)?shù)值模擬和可視化的實踐經(jīng)驗，對于促進地下水模擬與可視化的發(fā)展起到了積極的作用。

3 軟件方面的進展

國內(nèi)在地下水模擬模型方面頗有成果[32]，可地下水動態(tài)模擬中使用的軟件大部分是國外軟件，國產(chǎn)實用軟件極少，能檢索到的主要有：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）陳崇希等開發(fā)的 PGMS（Polygon-grid Finite-difference GroundwaterModeling System)[33]、中國礦業(yè)大學(xué)（北京校區(qū)）武強等開發(fā)的CSS(GroundwaterSimulationSystem)[8]、中國地質(zhì)科學(xué)院聶振龍等開發(fā)的地下水功能評價可視化平臺[34]、水利部中央地下水委員會（CGWB）為水文工程開發(fā)的地下水預(yù)測與管理系統(tǒng)（GEMS）等。這些軟件與MODFLOW等國外軟件比較，具有一定的優(yōu)化和完善，但目前都僅在軟件編制單位的相關(guān)項目中得到應(yīng)用和驗證，還沒有實現(xiàn)商業(yè)化。

4 存在的問題

檢索發(fā)現(xiàn)，以地下水流場三維可視化構(gòu)模和地下水動態(tài)變化、物質(zhì)運移等可視化為主題的期刊論文不下數(shù)千篇，部分構(gòu)模方法采用國外模型進行改進，水平比較高。它們涉及的地質(zhì)條件多種多樣，有潛水也有承壓水，有單個含水層也有多個含水層存在越流的情況，以及種種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖相變化條件下的水動態(tài)等。它們有二維的，也有三維的和準三維的。這為區(qū)域地下水資源規(guī)劃與管理提供了重要的依據(jù)。但是，綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，還存在如下問題：

1）小區(qū)域的實證驗證多，大范圍的隨機動態(tài)模擬可視化少。首先大多數(shù)研究都是基于非常狹小的區(qū)域，通過邊界獲取和概化處理后，進行模型驗證和二維、三維數(shù)據(jù)計算并可視化輸出。當(dāng)前研究中，空間尺度較大的有敦煌盆地、長江三角洲（長江以南）等，在更大尺度范圍或多尺度空間復(fù)雜水循環(huán)耦合環(huán)境下的地下水建模及動態(tài)分析尚未見到。其次是對數(shù)據(jù)的處理大多數(shù)采用多年平均值、短期觀測值等作為建模和可視化依據(jù)，對一些隨機現(xiàn)象，如強降水造成的短時間內(nèi)的補給增大、季節(jié)性大量采水、突發(fā)性污染擴散、區(qū)域周圍水工設(shè)施建設(shè)的影響等考慮較少。這必然造成研究成果和實際情況有較大偏差，因而很多情況下只限于科學(xué)實驗研究。

2）技術(shù)依賴性強，理論研究少。研究成果大多以現(xiàn)成的模型和軟件環(huán)境為母體，在概化處理研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進行“擬合”和跟蹤性研究，對復(fù)雜地質(zhì)條件下的建模和水循環(huán)、水動態(tài)變化缺乏具體有效地分析和顯示，部分研究似乎只是對某種模型和軟件的應(yīng)用。研究結(jié)果雖然大部分有預(yù)測，但基本未見后期的模型維護和進一步的具體化、精細化研究，整個研究沒有形成序列化，因而缺乏有效的理論積淀，造成理論成果少，原始創(chuàng)新性差。軟件開發(fā)也比較滯后，新技術(shù)、新方法的開發(fā)和應(yīng)用仍然主要依賴國外。

3）野外實驗基地建設(shè)嚴重滯后，數(shù)據(jù)獲取和驗證困難。大部分研究囿于小區(qū)域和對數(shù)據(jù)做限定性處理，且沒有后續(xù)研究的一個重要原因就是數(shù)據(jù)可得性及可驗證性差。大部分數(shù)據(jù)是基于已有的水文地質(zhì)勘察、水頭分析、水井?dāng)?shù)據(jù)等點源數(shù)據(jù)，沒有國外那種一定規(guī)模的野外實驗基地，對地下水文地質(zhì)環(huán)境和水循環(huán)過程缺乏實際觀察、考證，無法進行長期的理論、方法驗證和數(shù)據(jù)積累，也不利于模型和參數(shù)的進一步改進和優(yōu)化。

總之，可視化是現(xiàn)代地下水資源評價與管理的基礎(chǔ)工作之一，當(dāng)前研究中存在的問題與中國水資源狀況和國際地位極不相稱，這將是未來該領(lǐng)域研究中需要重點攻克的方向。

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Research on the Visualization of Groundwater Resources in China

by DUAN Huan'e

The shortage of groundwater resources and its sustainable exploitation is one of the highly concerned issues of current global resources and environment.Groundwater stores in the underground makes it can not be directly observed,sothe visualizing it by simulation becomes the indispensable means of groundwater planning and management.Actually,it has already become one of the hot spot and topics of the hydrology and hydrological geology research.Based on the literature retrieval,this paper summarized the research progress of this field and its problems，and aimed at providing the necessary reference for the future research.

groundwater，3D modeling，waterdynamics，material motion，visualization

2012-04-23

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（40871208）；國家863計劃資助項目（2009AA121404）。

P208

B

1672-4623(2012)06-0062-03

段煥娥，碩士，主要研究方向為自然地理教學(xué)及GIS應(yīng)用研究。