保關麗 高紅 何莉莉

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

地下水是人類生活的重要水資源，然而由于過渡開采、渣滓填埋、污水排放、廢棄物質沉積、施藥施肥、無機污染物與石油泄漏、水質惡化、治理不達標等原因，大批污染物質滲入到地下水中，地下水資源發(fā)生嚴重危機。因此，我們亟需更好地估量出地下水的量和質的動靜變化及污染狀況，提出解決辦法，保護地下水資源，使地下水資源能夠持續(xù)化利用。將數(shù)值模擬應用在水資源方面，可提高保護水資源效率并為開發(fā)水資源提供可靠性依據(jù)，國內(nèi)外已有不少數(shù)值模擬應用于地下水的研究。

1 地下水數(shù)值模擬的發(fā)展歷程

法國著名水利工程師達西(H.Darcy)于1856年提出了滲透能量損失與滲透流速度之間的相互關系，計算方法為解析法；1950年，計算方法主要是電網(wǎng)絡模仿；20世紀中后期，計算機被華爾頓(W.C.Walton)引入數(shù)值地下水建模，幫助解決水文地質數(shù)學方面的問題，并幫助定量解決水文地質問題，加速了數(shù)值模擬的發(fā)展。常見的數(shù)值模擬方法為有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、有限分析法(FAM)、邊界單元法(BEM)。

2 常用地下水數(shù)值模擬軟件的分析對比

計算機應用在水文地質方面的優(yōu)異效果，致使用數(shù)字軟件模擬地下水發(fā)展迅速，國外科研小組研討出了許多地下水建模項目。目前效果反映良好的地下水模擬軟件有GMS、Visual MODEFLOW、Visual Groundwater、MIKE SHE、MT3DS、TOUGH2、HST3D、FEFLOW等。以上8種軟件的模擬方法、數(shù)據(jù)導入方式、功能及不足等方面分析對比見表1。

由表1可以看出FEFLOW作為地下水模擬軟件是現(xiàn)有的功用最全面的建模軟件，可模擬地下水流、溶質、熱傳輸?shù)葼顟B(tài)。FEFLOW的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)界面優(yōu)越，空間區(qū)域參數(shù)化，具有良好的數(shù)據(jù)圖形直觀性，對應4類網(wǎng)格劃分算法: Advancing Front、Gridbuilder、Triangle、Transport Mapping。

表1 常用地下水數(shù)值模擬軟件的分析對比

3 FEFLOW在我國地下水數(shù)值模擬中的應用

3.1 地下水資源評價方面的應用

地下水質及水量直接影響著人類日常生活，針對水資源流失、水污染一系列問題，利用FEFLOW軟件對其進行評價，可為保護地下水資源提供可靠的依據(jù)。賀國平等[1]利用遠程監(jiān)測技術，精確界定研究區(qū)域邊界，采用有限元的FEFLOW軟件，創(chuàng)建地下水量模型，利用后識別模型建立地下水平衡，分析了經(jīng)典水文年的地下水儲量和開發(fā)潛力，給出合理利用地下水的建議。欽麗娟[2]采用FEFLOW建立了水文地質概念模型和地下水流模擬模型，通過識別后的模型計算可開采資源量，并統(tǒng)計了地表水可利用量，計算出可利用水資源總量。孫志浩等[3]選擇曲阜市沖積平原區(qū)域,建立了綜合數(shù)值模型模擬地下水流動和可溶性物質運輸,通過對地下水系統(tǒng)的發(fā)展研究表明,人類活動是最終導致地下水環(huán)境惡化的一個重要原因。高寧[4]利用FEFLOW軟件建立水流模型，模擬旱地地區(qū)某庫壩工程施工前后地下水水位的動靜狀態(tài)。

3.2 地下水動態(tài)預測方面的應用

進入21世紀，地下水動態(tài)變化可通過FEFLOW數(shù)值模擬展現(xiàn)，毛軍等[5]構建了青海柴達木盆地香日德綠洲地下水流模型，用一定數(shù)量指標表示事物的質的重要方法解釋灌溉引水對生態(tài)系統(tǒng)的不利方面。張俊華等[6]為預測開采后的地下水位，通過FEFLOW建立引水工程水源地地下水流場模型，結果驗證了開采方法是正確的。地下水位現(xiàn)如今備受關注，提前預測地下水位動態(tài)變化為阻止地下水位下降提供了可靠依據(jù)。李雪艷等[7]構建傍河水源地地下水模型，預測了在新增開采量情況下，1年以后地下水中產(chǎn)生基本不波動的渦旋并且在輸入輸出情況下水量仍能達到平衡。程雙虎等[8]通過FEFLOW建成了東線工程受水水域地下水空間動態(tài)模型，預測區(qū)域地下水波動幅度情況，開展研究區(qū)域深層淺層中的水產(chǎn)量值，提前預測在正確及最大限度開采量的情況下地下水流量能保證且不影響地下水環(huán)境。郭達鵬等[9]以山東淄博灃水泉域為例，基于FEFLOW優(yōu)越算法，進行空間非均質巖溶水模型構建,通過年水位動靜數(shù)據(jù)辨認模型，開展了水源地開采方案的優(yōu)化預測研究。袁廣坤[10]使用FEFLOW創(chuàng)建1個區(qū)域模型,旨在定義二七商業(yè)區(qū)域的精確模型,模擬地下水位波動的研究區(qū)域,在極端的情況下,根據(jù)不同水位的預測, 可分區(qū)域設置抗浮水位。陳永祥等[11]基于FEFLOW對成都地鐵7號線太平園站點構建三維水流數(shù)值模擬，預測差別工況下地底下公開空間開發(fā)對地下水的干擾狀況。

3.3 礦坑涌水量方面的應用

礦井涌水量由于地質構造不同而造成的影響復雜，涌水量的預測極其重要，梁盛軍等[12]在梧桐莊礦搜集整理原始數(shù)據(jù)，利用FEFLOW對目標層中2條河流的狀態(tài)進行數(shù)字化建模，聯(lián)結停止沖刷后的水位觀測，評估再灌溉對含水層水位的影響，預測不斷循環(huán)的含水層入滲條件的變換。姚文濤等[13]利用FEFFLOW建立了東歡坨礦地下水模型，預計增加的深度流量，并用地下水動力學的廊道法進行模擬驗證，為涌水量預測結果的準確性提供依據(jù)。提前預知礦坑涌水量是否會對周圍環(huán)境造成影響是很有必要的。段瑞琪等[14]基于FEFLOW建立了洛陽市諸葛鎮(zhèn)龍門煤礦二維地下水滲流模型，結果表明：在龍門煤礦正常涌水情況下產(chǎn)生的降落漏斗未波及到景區(qū)，不會直接影響到景區(qū)泉的流量。李士錦等[15]在草甸煤勘探領域創(chuàng)建了水文地質空間模型，采用了調試與辨認相結合的方法，為準確查驗礦井水位提供了數(shù)據(jù)。選擇FEFLOW建模的同時，用解析法參與預測及檢驗，使得礦坑涌水量預測結果愈加準確。宋志鋼[16]以小屯礦為研究對象，分別使用聯(lián)合預測的大氣降水入滲系數(shù)法與解析法結以及FEFLOW三維地質模擬方法預測小屯礦井第1號、5號礦區(qū)不同階段的涌水量，預期結果接近于聯(lián)合方法的預測。。

3.4 地下水溶質運移方面的應用

國內(nèi)對污染物在地下水中運移模擬已有諸多成果，孫道林[17]以北京豐臺區(qū)典型垃圾堆放場為研究區(qū)域，選擇硝酸根離子作為控制對象，用 FEFLOW按量剖析地下水水質問題建模，模型參差小的情況下忽略不計，創(chuàng)建垃圾液浸出液隨水流下滲到土壤里污染范圍模型，結果顯示5年后污染面積達到2.8 km2。楊亞芳[18]的研究對象是東線工程項目中段，使用軟件模擬MIKE11流程和一維河流，分析了主管道內(nèi)部的地下水儲量為9 168.75 m3/d，地下蓄水離子流入主通道的速度為162.7 g/d,。龐桂斌等[19]利用FEFLOW建立了黃河三角洲地區(qū)五七灌區(qū)的水流與溶質運移模型，并模擬冬小麥微咸水灌溉計劃，確立了理想灌溉方案。張淼等[20]以寧波某印染廠為對象開發(fā)了地下水流動和可溶性物質置換模型，表明印染廠的污水泄漏會對該區(qū)域造成10年的負面效應。高月香等[21]構建了北方某高爾夫球場及其周邊地下水流和可溶性物質擴散模型，選取錳等物質為指標，結果表明了污染物在有隔離措施情況下污染物運移狀況優(yōu)于無隔離措施保護下。韓爽[22]運用FEFLOW建立了遼寧省大伙房水庫地表水和地下水中阿特拉津的溶質運移模型，結果顯示第303天含水層頂層阿特拉津殘留量0.44～1.20 μg/L，含水層底層殘留量為0.37～2.00 μg/L。

3.5 海水入侵方面的應用

國內(nèi)最早將FEFLOW應用在海水入侵方面的是廖小青等[23]，他們在黃河農(nóng)用地域空間地下水流建模，概算出穩(wěn)定隔水層和隔水底板間地下水能夠進入海中的流量。左文喆等[24]基于FEFLOW構建了秦皇島沿海平原海水入侵的空間模型，提前預知了研究區(qū)各種挖掘情形下的海水入侵現(xiàn)狀以及應對海水入侵的管理措施。何麗[25]在模擬沒有地下水壩的情況下海水入侵界面的動態(tài)變化時，F(xiàn)EFLOW利用室內(nèi)試驗結果建模，調整參數(shù)，建立空間飽和、不穩(wěn)定通量和瞬態(tài)運移模型，模擬大規(guī)模的海水入侵過程。余海忠等[26]利用FEFLOW模擬深圳西部海域入侵速率，數(shù)據(jù)顯示深圳西部海域活動逐年減少，地下水和年均降雨量連續(xù)不變。

3.6 水熱耦合運移方面的應用

數(shù)值模擬不僅僅應用在地下水模型中，同時也應用到了地下水熱源模型的建立中，為合理可持續(xù)利用資源提供可行的依據(jù)。YANG J W等[27]根據(jù)地質圖繪制和地層重建，首次使用FEFLOW對澳大利亞北草坪山臺西東側進行流體流動和熱量傳輸?shù)臄?shù)值模擬，結果表明影響排液溫度和速度的主要因素是滲透深度和導水特性。地熱資源是清潔可再生能源，合理、可持續(xù)開發(fā)利用不僅節(jié)約能源，對保護環(huán)境也有著重要意義。郭帥[28]以廣東省從化地區(qū)溫泉為例，在FEFLOW研究中對地下熱流和熱資源研究利用，在地熱異樣區(qū)域開發(fā)1個新的ZKX礦床，能使地熱資源持續(xù)使用，只要其提取量不超過6 000 m3/d。汪琪[29]結合磁強計和實地數(shù)據(jù),以及為特定規(guī)模的地下儲熱地熱地質條件選出4個地熱地區(qū)，并評估計算地熱資源,通過FEFLOW平原地熱層熱模型,建?？梢暬療嵩吹目臻g分布。郭林茂等[30]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型模擬了高山地域的地表溫度，最優(yōu)FEFLOW模型的使用來自高地的地表溫度驅動，在研究區(qū)域更深層次的活動中模擬各種土壤溫度，從而更準確地了解土壤溫度變換的季節(jié)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型和FEFLOW模型的聯(lián)合預估表明了50年后不同的深度冷卻過程會隨著溫度的增加而減少差異。

4 結語

近20年以來，F(xiàn)EFLOW作為地下水資源評估、地下水環(huán)境及地下水資源治理等建模軟件被廣泛使用，同時還延伸到了礦坑涌水量預測、海水入侵及水熱耦合運移等方面，最大限度利用了源于有限元的FEFLOW地下水數(shù)值模型的功能及長處。國內(nèi)目前已具有溶質運移模型、熱運移模型、壩體滲漏模型、地面沉降模型、地下水資源管理模型等。

與此同時，F(xiàn)EFLOW地下水模型仍不能實現(xiàn)初始項的個體處理，增加了之前的處理難度；實踐中常見的混合井流動模擬存在難點；在應用模型建模中，因為FEFLOW網(wǎng)格分隔有限，大區(qū)域的超空間建?？赡軙粶蚀_；FEFLOW應用的領域還沒有水流、溶質運移和熱耦合事例。隨著人類對地下水賦存環(huán)境及其演化規(guī)律意識的不停深化，F(xiàn)EFLOW在地下水數(shù)值模擬應用方面仍具有廣闊的開發(fā)空間。