剛什婷，鄧英爾

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059)

地下水是我國(guó)城市生活和工農(nóng)業(yè)用水的重要供水水源。全國(guó)約有2/3的城市和部分農(nóng)田皆以地下水作為其重要供水水源。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)水需求量增加，地下水長(zhǎng)期過(guò)度開(kāi)采，加之水資源調(diào)度與管理的不完善，引發(fā)了地下水位下降、地面沉降、咸水入侵、水質(zhì)惡化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。地下水資源的開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)已顯得尤為重要。計(jì)算機(jī)的普及與發(fā)展，對(duì)地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬成為水文地質(zhì)工作中一種經(jīng)濟(jì)、迅速、定量程度高的工作手段。

1 地下水模型的發(fā)展歷程

隨著科技的進(jìn)步以及對(duì)地下水流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)和理解的深入，地下水?dāng)?shù)值模擬也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)到繁的過(guò)程。從十九世紀(jì)中葉到二十世紀(jì)初，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢，地下水開(kāi)發(fā)利用規(guī)模較小，地下水?dāng)?shù)值模擬剛剛起步，采用穩(wěn)定流模型(Dupuit，1863)表述地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律;二十世紀(jì)三十年代，地下水開(kāi)采量日益增大，非穩(wěn)定流模型問(wèn)世(C.V.THEIS，1935);二十世紀(jì)五十年代，開(kāi)始開(kāi)采深層承壓水，漢圖什(M.S.Hantush)和雅可布(C.E.Jacob)研究使用越流模型解決多含水層越流問(wèn)題;六十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的推廣使用和數(shù)值分析計(jì)算方法的應(yīng)用，使復(fù)雜地下水流模型成為可能，先后出現(xiàn)二維流、準(zhǔn)三維流、三維流以及耦合模型[1]。

地下水管理是新發(fā)展起來(lái)的一門(mén)學(xué)科，20世紀(jì)七十年代國(guó)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬模型與管理模型的耦合方法進(jìn)行研究[2];20世紀(jì)90年代至今是模型實(shí)用性研究階段。時(shí)至今日，地下水管理模型的理論更加完善，建模方法更加成熟實(shí)用。

2 模擬軟件GMS

地下水模擬系統(tǒng) GMS(Groundwater Modeling System)，是由美國(guó)Brigham Young University環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程實(shí)驗(yàn)工作站在綜合 MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、FEMWATER、RT3D、SEAM3D、SEEP2D 、NUFT 、UTCHEM等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一個(gè)綜合性的圖形界面軟件。

MODFLOW子模塊是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于80年代開(kāi)發(fā)出的一套專(zhuān)門(mén)用于模擬孔隙介質(zhì)中地下水流動(dòng)的三維有限差分軟件;MODPATH子模塊是確定給定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定或非穩(wěn)定流中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑的三維示蹤模型，需與MODFLOW聯(lián)合使用;MT3DMS子模塊是用來(lái)模擬地下水系統(tǒng)中對(duì)流、彌散和化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型，需與MODFLOW聯(lián)合使用;PEST和UCODE子模塊一般在使用 MODFLOW、FEFLOW等計(jì)算模塊時(shí)交替運(yùn)用，來(lái)調(diào)整選定的參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果和野外觀測(cè)值相吻合;MAP子模塊用來(lái)在GMS中快速建立概念模型;Borehole子模塊用來(lái)管理鉆孔地層數(shù)據(jù)，多與SOLID、T－PROGS模塊聯(lián)合使用，用來(lái)建立地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型;2DScatter points和3D－Scatter points子模塊分別用來(lái)管理二維和三維散點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值;地理信息系統(tǒng)(GIS)與地下水模型的整合強(qiáng)化了數(shù)據(jù)的輸入、傳遞、方案調(diào)整和空間分析等。

3 GMS在我國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)與管理中的應(yīng)用

GMS目前主要應(yīng)用于地下水資源評(píng)價(jià)、地下水污染預(yù)測(cè)與修復(fù)評(píng)價(jià)、污染地下水的自然衰減模擬、地下水流特征演示、污染羽的描繪、污染地下水暴漏的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，GMS軟件以其友好的界面廣泛應(yīng)用于美國(guó)和世界其他國(guó)家。

3.1 三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)建模

GMS軟件建立概念模型時(shí)，除了常用的網(wǎng)格化方式外，多了一種概念化方法。概念化方法是先采用特征體來(lái)表示模型的邊界、不同的參數(shù)區(qū)域及源匯項(xiàng)等，然后生成網(wǎng)格，再通過(guò)模型轉(zhuǎn)換，將特征體上的所有數(shù)據(jù)一次性轉(zhuǎn)換到網(wǎng)格相應(yīng)的單元和結(jié)點(diǎn)上，用不同的多邊形來(lái)表示不同的參數(shù)值區(qū)域。在隨后的參數(shù)擬合過(guò)程中，即可直接對(duì)這些相應(yīng)的多邊形進(jìn)行操作，而無(wú)需對(duì)此多邊形內(nèi)的每一個(gè)網(wǎng)格都重復(fù)進(jìn)行同一操作。覃榮高等(2009)通過(guò)對(duì)基巖礦區(qū)鉆孔資料進(jìn)行分析、整理，基于GMS快速構(gòu)建礦區(qū)地下三維實(shí)體。在 GMS界面下通過(guò)實(shí)體(solid)模型向有限差分模型(MODFLOW)和三維有限元網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地下水的數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)[3]。A.BORGIA(2011)等，基于GMS建立威尼斯?jié)暫鞅辈康睦鴪?chǎng)地區(qū)復(fù)雜的水文地質(zhì)概念模型(該垃圾場(chǎng)底部地層沉積環(huán)境為潮間帶沉積)，并利用 Fortran將其網(wǎng)格解譯為T(mén)OUGH2的輸入文件，結(jié)合其他獲得的信息，利用TOUGH2模擬垃圾場(chǎng)滲漏污染液體在不同滲透補(bǔ)給率下的運(yùn)移，并將模擬結(jié)果導(dǎo)入 GMS，清楚展現(xiàn)了模擬結(jié)果，彌補(bǔ)TOUGH2在建模方面的不足，使模擬結(jié)果更為精確[4]。楊軍杰(2014)以蒙西至華中地區(qū)運(yùn)煤通道鐵路裴莊隧道地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，針對(duì)GMS數(shù)據(jù)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)地質(zhì)資料自動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，建立隧道周?chē)?3.54KM2范圍內(nèi)的三維地質(zhì)模型。通過(guò)DEM和疊加遙感影像，再現(xiàn)裴莊隧道及周?chē)貐^(qū)地形地貌和地層分布情況，為比較選擇隧道方案提供了可視化手段，對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量也有一定的意義[5]。許彥平等(2014)在全面分析武漢市水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，將地層劃分為4個(gè)含水層，基于GMS，采用有限差分方法，選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦吔鐥l件，應(yīng)用滲流－管流耦合模型來(lái)準(zhǔn)確模擬混合開(kāi)采井，采用“參數(shù)－初始水頭迭代法”確定初始水頭的分布，建立非均質(zhì)三維地下水非穩(wěn)定滲流水文地質(zhì)模型，用以反應(yīng)武漢市地下水動(dòng)態(tài)變化特征[6]。

3.2 地下水水資源評(píng)價(jià)問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，地下水資源評(píng)價(jià)包括地下水水量和水質(zhì)兩個(gè)方面。地下水資源評(píng)價(jià)就是確定地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量、分布范圍、和可靠性以及人類(lèi)活動(dòng)的影響，對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用狀況及開(kāi)發(fā)潛力作出評(píng)價(jià)。

GMS中的SEEP2D模塊是專(zhuān)門(mén)用于計(jì)算二維有限元穩(wěn)定滲流模型的軟件包，可以模擬承壓、無(wú)壓、飽和和非飽和流，還可以用來(lái)模擬二維井流和排水溝，適合模擬細(xì)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)滲流模型。趙紅紅(2008)基于GMS中的 SEEP2D模塊對(duì)心墻堆石壩進(jìn)行二維穩(wěn)定流分析。通過(guò)分析可知，土石墻擋水作用明顯，心墻滲透坡降集中于下游面，靠近下游面底部尤為明顯，需要采取措施確保滲流穩(wěn)定性。防滲幕在覆蓋層區(qū)域效果明顯，滲透坡降大，防滲幕應(yīng)穿過(guò)弱風(fēng)化巖層以降低下游水頭，但不必進(jìn)入新鮮基巖太深，因?yàn)獒∧槐旧淼臐B透性大于新鮮基巖。反濾排水對(duì)下游水頭影響不大，對(duì)防止下游覆蓋層管涌有積極作用[7]。

楊麗君(2008)基于飽和－非飽和流理論建立了河流與地下水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，將河流與地下水關(guān)系的演化視為若干個(gè)穩(wěn)定過(guò)程連接起來(lái)的一個(gè)非穩(wěn)定過(guò)程，應(yīng)用 GMS中的SEEP2D模塊對(duì)河流與地下水由具有統(tǒng)一浸潤(rùn)曲線(xiàn)向河流與地下水“脫節(jié)”的演化過(guò)程做數(shù)值仿真模擬，計(jì)算出給定條件下穩(wěn)定時(shí)刻河流與地下水的關(guān)系圖，模擬結(jié)果表明當(dāng)河水位不變，排泄水位低于臨界脫節(jié)水位時(shí)，河流與地下水脫節(jié)，地下水面隨著排泄水位的降而降低，形成河流－懸掛飽水帶－包氣帶－飽水帶的水流系統(tǒng);河床底部弱透水層的存在使得上下含水層水量交換極其困難，當(dāng)排泄量大于弱透水層補(bǔ)給量時(shí)，將疏干弱透水層下部含水層中的水來(lái)滿(mǎn)足排泄量，形成河流－上層滯水－弱透水層－包氣帶－飽水帶的水流系統(tǒng)為評(píng)價(jià)傍河水源地開(kāi)采量及可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)[8]。

楊曉婷(2011)以飽和－非飽和流理論為指導(dǎo)，建立地下水流與污染質(zhì)協(xié)同運(yùn)移相耦合的數(shù)學(xué)模型，選用GMS軟件中的FEMWATER模塊，將飽和 －非飽和帶作為一個(gè)整體進(jìn)行模擬計(jì)算，首次將污染物在河流－地下水系統(tǒng)中的運(yùn)移方式分為:以對(duì)流占優(yōu)勢(shì)的對(duì)流帶、以對(duì)流向彌散過(guò)渡的過(guò)渡帶和以彌散占優(yōu)勢(shì)的彌散帶。

模擬結(jié)果表明在河水位與地下水位臨界脫節(jié)的狀態(tài)下河流的補(bǔ)給量時(shí)最大的，當(dāng)排泄水位達(dá)到臨界脫節(jié)水位時(shí)，河流污染物擴(kuò)散范圍是最大的;河水深度越大臨界脫水位越低，即越難脫節(jié);而河水越深河流污染物擴(kuò)散范圍越大，通過(guò)增加河流深度可增加河流補(bǔ)給量，但同時(shí)污染物的擴(kuò)散范圍也隨之增大。在此基礎(chǔ)上提出了保障傍河取水安全的對(duì)策與措施，如對(duì)于水質(zhì)較好的河流中上游地區(qū)，可以使開(kāi)采水位降到臨界脫節(jié)水位，獲得最大河流補(bǔ)給;對(duì)于水質(zhì)較差的河流中下游，不可采取脫節(jié)開(kāi)采，必須保證一定的水力梯度，使污染物有充足的時(shí)間和距離進(jìn)行吸附、降解[9]。

楊宗杰(2011)采用 GMS軟件，建立了博興縣南部區(qū)地下水源地?cái)?shù)值模擬模型，并對(duì)該水源區(qū)未來(lái)滲流場(chǎng)、溶質(zhì)運(yùn)移場(chǎng)和污染程度進(jìn)行了定量預(yù)測(cè)，采用MODPATH模塊的軌跡反向追蹤和水力截獲技術(shù)，借助離子示蹤定量劃分各級(jí)保護(hù)區(qū)，為該區(qū)的地下水環(huán)境保護(hù)提供了技術(shù)支撐和預(yù)警平臺(tái)[10]。

很多簡(jiǎn)單的道理，非讓大師反復(fù)言說(shuō)，信眾才能反思進(jìn)步，實(shí)在是一種怠惰……今天問(wèn)完醫(yī)患關(guān)系，明天求解國(guó)際局勢(shì)，大師可不是百度、谷歌，會(huì)被大家玩壞的。

鄭立博等(2014)基于GMS，建立某應(yīng)急水源地地下水?dāng)?shù)值模擬模型，直觀反映并預(yù)測(cè)出在特定供水量的條件下，評(píng)價(jià)區(qū)地下水資源量、區(qū)域地下水降落漏斗的范圍，有利于更好的利用并保護(hù)地下水資源[11]。

在干旱－半干旱地區(qū)，地下水源是人類(lèi)最可靠的引用水源，保護(hù)地下水水質(zhì)、水量尤其重要。HOSSEIN BANEJAD等(2014)基于GMS建立伊朗哈馬丹省西南部平原非承壓含水層的水文地質(zhì)概念模型，對(duì)地下水均衡進(jìn)行計(jì)算，并利用MADPATH正向和反向粒子追蹤技術(shù)計(jì)算出污染物在30，100，1000年后的污染范圍和潛在污染源，對(duì)保護(hù)地下水資源，防止平原其它地區(qū)含水層受污染具有指導(dǎo)性意義[12]。

3.3 飽和帶地下水污染問(wèn)題的模擬

MT3DMS是模擬地下水系統(tǒng)中對(duì)流、彌散和化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型。模擬須和MODFLOW一起使用。譚文清等(2008)基于GMS中的MODFLOW和MT3DMS軟件包對(duì)研究區(qū)污染物在正常泄露、事故泄露、及正常與事故疊加三種情景下在地下水中運(yùn)移進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示基地防滲雖能減少對(duì)地下水污染的影響，但污染仍然會(huì)存在，由此提出了在做好防滲的同時(shí)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，開(kāi)展水力調(diào)控措施的研究，降低地下水污染應(yīng)急處理的技術(shù)難度[13]。王喆等(2012)以北京市西郊典型地段為研究區(qū)，基于 GMS軟件建立地下水污染組分運(yùn)移數(shù)值模型，對(duì) Cl－1、NO32－、THD 濃度場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。利用此模型模擬和預(yù)測(cè)了南水北調(diào)中線(xiàn)工程建成來(lái)水后，地下水開(kāi)采方案改變條件下，垃圾填埋場(chǎng)被浸沒(méi)情況下污染組分濃度的時(shí)空分布，為垃圾填埋地下水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供依據(jù)[14]。吳曉艷等(2013)以我國(guó)南方某大型鈾尾礦庫(kù)為例，基于GMS分別進(jìn)行水流場(chǎng)和溶質(zhì)遷移模擬，研究了降雨對(duì)鈾尾礦庫(kù)地下水中核素遷移的影響[15]。張洵等(2013)運(yùn)用GMS，對(duì)研究區(qū)在非正常工況情景(主要是指裝置區(qū)硬化面或防滲層出現(xiàn)破損、管線(xiàn)因腐蝕出現(xiàn)漏洞等情景)下污染物滲漏進(jìn)行了為期 5，10，20，30，40，50a的預(yù)測(cè)，為制定污染物監(jiān)測(cè)、治理措施提供了依據(jù)[16－17]。李華(2014)采用多孔介質(zhì)模型，基于 GMS軟件建立了云南德厚水庫(kù)下游廢棄砒霜廠(chǎng)地下水水流場(chǎng)模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，對(duì)裂隙巖溶水流場(chǎng)和污染物進(jìn)行了數(shù)值模擬，判斷污染源分布及污染羽擴(kuò)展范圍，通過(guò)分析得出砒霜廠(chǎng)污染物運(yùn)移對(duì)水庫(kù)建設(shè)影響較小[18]。

3.4 非飽和帶水分、鹽分及污染物運(yùn)移問(wèn)題

P.S.Huyakorn等人于1987年第一次給出了描述密度不斷改變的液體流動(dòng)方程，但未予嚴(yán)密推導(dǎo)，且對(duì)潛水含水層中的海水入侵也未加研究，只是簡(jiǎn)單地作為承壓含水層處理，未考慮降雨入滲對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響和潛水面變動(dòng)對(duì)海水入侵過(guò)程的影響[19]。1991年，薛禹群等就對(duì)海水入侵進(jìn)行研究，提出了考慮過(guò)渡帶的適合潛水含水層和承壓含水層的海水入侵?jǐn)?shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于山東龍口市海水入侵問(wèn)題的研究，較真實(shí)和嚴(yán)密地刻畫(huà)了開(kāi)采條件下海岸帶孔隙含水層中海水入侵的物理過(guò)程，在國(guó)內(nèi)是首次的，國(guó)際上也罕見(jiàn)[20]。

王文君(2012)基于GMS建立南康盆地水文地質(zhì)概念模型，以此為基礎(chǔ)對(duì)南康盆地孔隙含水層的防海水入侵功能進(jìn)行論述。運(yùn)用GMS中的 MODFLOW建立南康盆地的第1，2承壓含水層地下水流模型，對(duì)其混合地下水流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行模擬對(duì)比;最后，運(yùn)用 MODFLOW預(yù)測(cè)了不同情況下防止海水入侵的開(kāi)采方案[21]。

FEMWATER是用來(lái)模擬飽和流和非飽和流環(huán)境下的水流和溶質(zhì)運(yùn)移的三維有限元耦合模型，還可以用來(lái)模擬咸水入侵等密度變化的水流和運(yùn)移問(wèn)題。該模塊采用壓強(qiáng)水頭作為因變量，將飽和－非飽和帶作為一個(gè)整體進(jìn)行模擬。謝文逸(2013)應(yīng)用GMS中的 FEMWATER模塊及其它相應(yīng)模塊，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)、地質(zhì)勘查資料及其他相關(guān)資料，對(duì)上海市西南閔行工業(yè)區(qū)地下水的水質(zhì)狀況和地下水水位變化做出相應(yīng)模擬預(yù)測(cè)，得出通過(guò)兩口井抽取處理的最優(yōu)方法可以防止地下水狀況繼續(xù)惡化[22]。

3.5 熱量運(yùn)移和含水層貯能問(wèn)題

多孔介質(zhì)中的熱量輸運(yùn)與能源、環(huán)境密切有關(guān)。早在1989年薛禹群等就對(duì)含水層貯熱能進(jìn)行了研究，提出了一個(gè)承壓含水層的三維對(duì)流－熱彌散模型，并結(jié)合上海為防治地面沉降而進(jìn)行的貯能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，此模型不僅考慮了熱對(duì)流，而且還有熱彌散項(xiàng)，結(jié)果表明只有 Peclet數(shù)很小的情況下才可以不考慮熱機(jī)械彌散。為預(yù)報(bào)地下水系統(tǒng)中冷(熱)水的熱能運(yùn)移，進(jìn)行貯能效率的研究提供了可能性[23－24]。

胡燕(2011)等通過(guò)分析濱海新區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、鉆探、物化探等資料，對(duì)該區(qū)新近系館陶組熱儲(chǔ)層邊界條件、熱儲(chǔ)特征、埋藏深度、地溫場(chǎng)及地?zé)崃黧w場(chǎng)進(jìn)行深入研究，建立新近系館陶組熱儲(chǔ)層可視化3D模型及地?zé)崃黧w數(shù)值模型，應(yīng)用GMS軟件對(duì)館陶組流場(chǎng)、觀測(cè)孔進(jìn)行模擬擬合，應(yīng)用誤差分析、靈敏度分析、流量均衡分析法對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和檢驗(yàn)。利用所建數(shù)學(xué)模型計(jì)算了地?zé)崃黧w可開(kāi)采量，以及預(yù)測(cè)了10年后館陶組地?zé)衢_(kāi)采可能引起的地面沉降量，為未來(lái)地?zé)豳Y源潛力評(píng)價(jià)和地?zé)醿?chǔ)層熱流體的數(shù)值模擬作了一個(gè)嘗試[25]。

3.6 地下水管理與合理開(kāi)發(fā)(地下水－地表水聯(lián)合評(píng)價(jià))

地下水管理模型就是基于運(yùn)籌學(xué)原理，應(yīng)用系統(tǒng)分析方法，為達(dá)到既定管理目標(biāo)所建立的地下水最優(yōu)管理決策的數(shù)學(xué)模型。通常它由地下水系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型(如地下水水流模擬模型、地下水溶質(zhì)模擬模型)和最優(yōu)化模型耦合而成。

地下水管理的一般程序是:概化 －模擬化－最優(yōu)化－系統(tǒng)評(píng)價(jià)。模擬化是通過(guò)模擬方法對(duì)水文地質(zhì)實(shí)體及其內(nèi)部的由水力特征而定性描述的水文地質(zhì)概念模型作定量的研究;最優(yōu)化是在模擬化的預(yù)報(bào)模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用線(xiàn)性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和非線(xiàn)性規(guī)劃等最優(yōu)化方法建立地下水管理模型，求得系統(tǒng)的最優(yōu)決策方案[26]。

王宏等(2005)應(yīng)用SWAT/GMS聯(lián)合模型對(duì)華北平原地下水系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合模擬調(diào)參，并結(jié)合研究區(qū)2000年地下水位降落漏斗的空間位置，計(jì)算出華北平原山前淺層地區(qū)地下調(diào)蓄庫(kù)容。得出實(shí)施南水北調(diào)中線(xiàn)工程后，在華北平原啟用地下水庫(kù)及修建人工漏水水庫(kù)，生態(tài)河等必要的配套設(shè)施，具有一定的生態(tài)價(jià)值[27]。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基于三維地下水模型MODFLOW－2000開(kāi)發(fā)的地下水管理程序GWM采用響應(yīng)矩陣法將地下水模擬模型和地下水優(yōu)化模型耦合，并提供了單純形法、序列線(xiàn)性規(guī)劃以及分支定界法供用戶(hù)來(lái)分別解決線(xiàn)性、非線(xiàn)性和0－1混合線(xiàn)性的地下水管理模型。運(yùn)用GMS中的MODFLOW模塊建立MODFLOW模型，并從中提取 GWM所需的MODFLOW數(shù)據(jù)，用來(lái)求解地下水管理模型，可進(jìn)行水資源的配置的優(yōu)化。加強(qiáng)兩個(gè)程序之間的銜接將促進(jìn)地下水管理模型的發(fā)展。

3.7 其他方面的應(yīng)用

GMS還可以用于與地下水相關(guān)的其他方面，如地下水庫(kù)選址、氣候變化對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響、地面沉降數(shù)值模擬、水文地質(zhì)參數(shù)的選取，地基穩(wěn)定性計(jì)算等。

韓程輝等(2005)在對(duì)GMS軟件各模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上，介紹了該軟件的優(yōu)點(diǎn)，分析了這套軟件在礦井防治水研究領(lǐng)域的應(yīng)用前景[28]。謝軼(2006)等基于 GMS，利用區(qū)內(nèi)大量的鉆孔數(shù)據(jù)，建立了大慶地下水庫(kù)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化模型，為地下水水庫(kù)選址和建設(shè)提供了重要的依據(jù)[29]。地下水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在數(shù)值模擬概化、模型輸入數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)參數(shù)選取具有不確定性，因此所建立的模型也具有很大的不確定性和隨機(jī)性。周美英(2012)利用GMS中的MODFLOW模塊建立地下水水流隨機(jī)模型，利用一種優(yōu)化的 Monte－Carlo方法－拉丁超立方取樣(LHS)方法獲得滲透系數(shù)和降雨強(qiáng)度的隨機(jī)組合，用此隨機(jī)模擬的地下水水位均值場(chǎng)代替確定性模型中的計(jì)算值水位場(chǎng)，來(lái)評(píng)價(jià)地下水資源，預(yù)測(cè)未來(lái)地下水位動(dòng)態(tài)變化;在地下水流隨機(jī)解的基礎(chǔ)上，對(duì)地下水開(kāi)采量進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)和可靠分析;運(yùn)用MT3DMS模塊建立“三氮”運(yùn)移隨機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)來(lái)了 10年后靠近渾河段沈陽(yáng)“三氮”分布情況[30]。在地下水?dāng)?shù)值模擬中斷層對(duì)地下水流具有控制阻礙作用，表現(xiàn)為不連續(xù)性和各向異性，運(yùn)動(dòng)規(guī)律也較為復(fù)雜。梁世川等(2013)，運(yùn)用 GMS與 ARCGIS結(jié)合，對(duì)蓋孜河水源地地下水流進(jìn)行數(shù)值模擬，采用MODFLOW下的Barrier障礙邊界處理斷層，通過(guò)分析研究區(qū)內(nèi)斷層特性及其分布規(guī)律，將它作為模型內(nèi)部第二類(lèi)邊界條件(隔水或若透水邊界)輸入模型，進(jìn)行模型檢驗(yàn)、運(yùn)行及校正，得到了與實(shí)際情況相符的地下水流數(shù)值模型。對(duì)于確定地下水時(shí)空分布，選取水源地，開(kāi)采井布局，開(kāi)采方案具有重大意義[31]。

4 存在問(wèn)題及展望

(1)地質(zhì)過(guò)程的發(fā)生大部分為應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、熱場(chǎng)以及化學(xué)場(chǎng)的耦合，如石油、天然氣、地?zé)岬荣Y源的開(kāi)采，城市垃圾填埋，污染物的滲流遷移等等方面，都存在著兩場(chǎng)或多場(chǎng)耦合。而我國(guó)大部分的研究主要局限于兩場(chǎng)或無(wú)構(gòu)造動(dòng)力作用的耦合，在理論模型、數(shù)值模型和模擬方面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)甚少，少見(jiàn)三場(chǎng)耦合的研究實(shí)例。而模擬軟件的發(fā)展取決于地下水?dāng)?shù)學(xué)模型及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展兩個(gè)方面。所以模擬者應(yīng)根據(jù)自己所研究的課題建立正確的模型及選擇與開(kāi)發(fā)合適的軟件去解決多場(chǎng)耦合問(wèn)題。

(2)地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)化是自然界普遍存在現(xiàn)象。而目前有關(guān)地表水與地下水聯(lián)合模擬評(píng)價(jià)和管理的數(shù)學(xué)模型，僅考慮主要研究對(duì)象的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而不直接考慮與研究對(duì)象存在水力聯(lián)系的其他水源的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，僅把這些當(dāng)做研究對(duì)象的源匯項(xiàng)來(lái)處理，實(shí)質(zhì)上未能將地表水與地下水這兩大子系統(tǒng)進(jìn)行真正意義上的評(píng)價(jià)。通過(guò)改進(jìn)GMS模擬軟件以及與其他軟件的集成，實(shí)現(xiàn)地表河網(wǎng) －地下水流系統(tǒng)的真正耦合也將是未來(lái)的研究方向。

(3)在地下水資源評(píng)價(jià)或地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型模擬時(shí)，往往將河流概化成定水頭邊界或定流量邊界，沒(méi)有考慮在實(shí)際開(kāi)采影響范圍內(nèi)河流連續(xù)入滲和淋濾式入滲是兩種相互轉(zhuǎn)化狀態(tài);過(guò)多關(guān)注河流污染物的飽和入滲或非飽和入滲對(duì)沿岸地下水的影響，而對(duì)當(dāng)河流與地下水脫節(jié)后，污染物由河流－懸掛飽水帶－包氣帶－地下水含水層中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理研究相對(duì)薄弱，在此復(fù)雜條件下構(gòu)建高效的、河流與地下水關(guān)系演化和污染質(zhì)協(xié)同遷移的數(shù)值仿真模型，克服數(shù)值振蕩和數(shù)值彌散也是當(dāng)前亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。

[1]錢(qián)家忠，吳劍鋒，朱學(xué)愚，等.地下水資源評(píng)價(jià)與管理數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展[J].科學(xué)通報(bào).2001，02:99－104.

[2]Maddock Thomas III. Algebraic Technological Function from a Simulation Model[J]. Water Resource Research，1972，8:129 － 134.

[3]覃榮高，高建國(guó)，臧小豹，等.基于 GMS基巖礦區(qū)地下水三維實(shí)體模型的構(gòu)建[J].地下水.2009，06:15－17.

[4]A. Borgia，L. Cattaneo，D. Marconi，C. Delcroix，E.L. Rossi，G.Clemente，C.G. Amoroso，F(xiàn). Lo Re，E. Tozzato. Using a MODFLOW grid，generated with GMS，to solve a transport problem with TOUGH2 in complex geological environments:The intertidal deposits of the Venetian Lagoon[J]. Computers and Geosciences，2011，376.

[5]楊軍杰.GMS三維地質(zhì)模型在鐵路地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).2014，11:24 －27.

[6]許彥平，熊志濤，趙德君，等.武漢市三維水文地質(zhì)建模要點(diǎn)研究[J].資源環(huán)境與工程.2014，03:339－342.

[7]趙紅紅，陳振華，趙忠偉.GMS在心墻堆石壩二維穩(wěn)定滲流分析中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué).2008，04:74－76.

[8]楊麗君.河流與地下水關(guān)系演化的數(shù)值模擬研究[D].長(zhǎng)安大學(xué).2008.

[9]楊曉婷.傍河抽水驅(qū)動(dòng)下污染物在河流—地下水系統(tǒng)中運(yùn)移機(jī)理研究[D].長(zhǎng)安大學(xué).2011.

[10]楊宗杰，李曉，王開(kāi)章.基于 GMS的博興縣南部區(qū)域淺層地下水流數(shù)值模擬[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電.2011，05:24－27.

[11]鄭立博，李陽(yáng)，王少龍，張凱.某應(yīng)急水源地地下水資源評(píng)價(jià)[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù).2014，03:83－87.

[12]1.Banejad，H.，et al.，Numerical simulation of groundwater flow and contamination transport in Nahavand plain aquifer，west of Iran.Journal of the Geological Society of India，2014.83(1):p.83－92.

[13]譚文清，孫春，胡婧敏，等.GMS在地下水污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J].東北水利水電.2008.

[14]王喆，盧麗，夏日元.基于GMS的北京西郊垃圾場(chǎng)地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬[J]. 人民黃河.2012.

[15]吳曉艷，熊正為，彭小勇，等.降雨對(duì)鈾尾礦庫(kù)地下水中核素遷移影響的模擬研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào).2013，01:92－95.

[16]張洵，周浩.GMS地下水?dāng)?shù)值模擬軟件在地下水污染預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[A].水與水技術(shù)(第 3輯)[C].2013:5.

[17]GMS numerical simulation of crude oil pollution caused by some oil pipeline leak Ye，Jianhua(Department of Information Science and Technology， Chengdu University， Chengdu， China);Ren，Yufeng;Luo，Shukun Source:Advanced Materials Research，v 488－489，p 1076－1081，2012，Key Engineering Materials II.

[18]李華，吳靜，徐世光，等.基于 GMS的云南德厚水庫(kù)下游廢棄砒霜廠(chǎng)地下水溶質(zhì)運(yùn)移模擬[J].水資源與水工程學(xué)報(bào).2014.

[19]Huyakorn，P.S.，P.F. Anderson，J.W. Mercer and H.O. White JR.，Saltwater intrusion in aquifers:Development and testing of a three dimensional finite element model，Water Resources Research，1987，23(2):293 －312.

[20]薛禹群，謝春紅，吳吉春.含水層中海水入侵的數(shù)學(xué)模型[J].水科學(xué)進(jìn)展.1992，02:81 －88.

[21]王文君.南康盆地地下水資源防海水入侵開(kāi)采方案研究[D].桂林理工大學(xué).2012.

[22]謝文逸.基于 GMS的某電廠(chǎng)地下水污染物運(yùn)移研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2013.

[23]薛禹群，謝春紅.多孔介質(zhì)中熱量運(yùn)移問(wèn)題研究[J].工程勘察.1990，03:27 －32.

[24]薛禹群，謝春紅，李勤奮.含水層貯熱能研究——上海貯能試驗(yàn)數(shù)值模擬[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào).1989，01:73－85.

[25]胡燕，沈鍵，劉杰，等.天津市濱海新區(qū)新近系館陶組地?zé)崃黧w流場(chǎng)三維數(shù)值模擬方法[A].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、天津市人民政府.第十三屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第14分會(huì)場(chǎng)－地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用與低碳經(jīng)濟(jì)研討會(huì)論文集[C].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、天津市人民政府.2011.

[26]許涓銘，邵景力.地下水系統(tǒng)與管理問(wèn)題[J].工程勘察.1986，05:31 －36.

[27]王宏，婁華君，田廷山，等.SWAT/GMS聯(lián)合模型在華北平原地下水庫(kù)研究中的應(yīng)用[J].世界地質(zhì).2005，04:368－372.

[28]韓程輝，劉文生.地下水模擬系統(tǒng)(GMS)與礦井防治水[J].礦業(yè)安全與環(huán)保.2005，01:25－26+41－0.

[29]謝軼，蘇小四，高淑琴.基于GMS支持下的大慶地下水庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版).2006，S1:51 －54.

[30]周美英.地下水中“三氮”運(yùn)移的隨機(jī)模擬研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京).2012.

[31]梁世川，徐明，王磊，等.GMS在地下水?dāng)?shù)值模擬及斷層處理中的應(yīng)用——以蓋孜河水源地為例[J].地下水.2013.