騰格爾

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

1 研究背景

地下水是我國(guó)華北地區(qū)的主要供水水源，是人民生活生產(chǎn)當(dāng)中不可或缺的資源。由于人們常年超采地下水，產(chǎn)生了區(qū)域性地下水降落漏斗，導(dǎo)致了出現(xiàn)地面沉降、土地沙漠化等生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。為了恢復(fù)地下水降落漏斗，治理地下水超采帶來(lái)的一系列問(wèn)題，人們?cè)桨l(fā)重視研究地下水人工回灌技術(shù)。地下水人工回灌技術(shù)是一種通過(guò)人為力量，采用工程措施將地表水或雨水等水源補(bǔ)給到含水層中的技術(shù)手段，由于地質(zhì)條件與回灌目的不同，有入滲池回灌、井灌和河道回灌等方式。為了科學(xué)、合理的確定回灌工程位置以及預(yù)測(cè)回灌效果，研究人員普遍采用地下水?dāng)?shù)值模擬的手段進(jìn)行研究。因此，進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬對(duì)回灌工程的位置、方式和規(guī)模的選取有著重要的指導(dǎo)意義。

隨著計(jì)算機(jī)與編程技術(shù)的研究與發(fā)展，地下水流計(jì)算開(kāi)始應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)，數(shù)值模擬技術(shù)的核心組分是地下水模型。目前MODFLOW、MT3DMS、RT3D、HST3D等地下水模型程序已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)學(xué)與地下水資源研究中?；谝陨夏Ｐ统绦蜓邪l(fā)的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件有:Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW、HYDRUS等（見(jiàn)表1）。

表1 常用的地下水模擬軟件

2 數(shù)值模擬技術(shù)在人工回灌研究中的主要應(yīng)用

2.1 區(qū)域尺度地下水流數(shù)值模擬

對(duì)研究區(qū)進(jìn)行區(qū)域地下水流數(shù)值模擬，一般情況下模擬區(qū)為一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元，或以明顯的水文地質(zhì)界限為邊界。研究者們一般常用GMS或Visual MODFLOW模擬軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析不同的回灌組合方式（滲坑式、井灌式等）與不同的回灌位置的回灌效果。

康華等人應(yīng)用Visual MODFLOW軟件對(duì)太平河洪積扇地下水人工回灌試驗(yàn)的不同調(diào)蓄方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并估算秦嶺山前的可調(diào)蓄量。王迎迎結(jié)合南水北調(diào)來(lái)水工程和FEFLOW模擬軟件對(duì)北京市平原區(qū)地下水系統(tǒng)行數(shù)值模擬結(jié)果，分析和預(yù)測(cè)北京市平原區(qū)潛水地下水的水位變化、北京市未來(lái)水資源整體發(fā)展形勢(shì)，進(jìn)行地下水回灌方案擬定，模擬不同情境下北京市平原區(qū)的地下水系統(tǒng)的變化情況。劉少玉等人基于Modflow2005使用GMS模擬軟件建立滹沱河地下水流數(shù)值模型，將模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)流場(chǎng)、鉆孔水位過(guò)程線進(jìn)行擬合，識(shí)別校正水文地質(zhì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用網(wǎng)格加密技術(shù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行加密，將區(qū)域和場(chǎng)地模型進(jìn)行耦合模擬精確刻畫(huà)水位變化的效果。聶凱翔在德陽(yáng)市旌南濕地公園進(jìn)行了地下水回灌試驗(yàn)，并使用Visual MODFLOW軟件創(chuàng)建地旌陽(yáng)區(qū)平原地下水?dāng)?shù)值模型，通過(guò)與研究區(qū)實(shí)測(cè)水位和觀測(cè)孔水位過(guò)程線的擬合識(shí)別，校正水文地質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)模擬結(jié)果分析研究區(qū)水均衡情況，預(yù)測(cè)未來(lái)研究區(qū)流場(chǎng)，為回灌提供可靠的參數(shù)。

2.2 剖面二維地下水流數(shù)值模擬

剖面地下水?dāng)?shù)值模擬大多應(yīng)用Hydrus-2D模擬軟件，根據(jù)模擬結(jié)果可觀察分析回灌水在不同時(shí)間段的入滲情況、回灌水頭及回灌流量對(duì)人工回灌工程的影響，預(yù)測(cè)該回灌場(chǎng)地地層條件下最適宜的回灌流量，對(duì)回灌工程的建設(shè)及回灌方案的設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)作用。

崔峻嶺等人基于Hydrus-2D模擬軟件，建立滲濾池回灌的二維飽和—非飽和滲流數(shù)值模型，利用實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型校正，研究回灌水在滲濾池中入滲過(guò)程機(jī)理。白福高等人根據(jù)在潮白河河道開(kāi)展的地下水人回灌試驗(yàn)，利用Hydrus-2D軟件建立二維飽和—非飽和地下水流數(shù)值模型，預(yù)測(cè)不同回灌水頭下包氣帶中回灌水的入滲特征。黃強(qiáng)對(duì)濟(jì)南市玉符河河道模擬回灌入滲，結(jié)合三次測(cè)流試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了不同地下水位情境，模擬研究區(qū)地下水位的變化，計(jì)算出河道合理滲漏量與滲漏時(shí)間，為玉符河回灌提供了科學(xué)參考。

2.3 場(chǎng)地尺度回灌地下水流數(shù)值模擬

李園運(yùn)用GMS軟件建立藁城區(qū)地下水回灌場(chǎng)地地下水流數(shù)值模型，根據(jù)實(shí)際回灌試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的識(shí)別校正，并分析研究區(qū)水均衡條件，預(yù)測(cè)不同回灌方案的回灌效果。張永杰等人設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，并根據(jù)裝置等比建立數(shù)值模型研究回灌對(duì)地下水年齡分布規(guī)律的影響條件。劉少玉等人運(yùn)用GMS軟件建立回灌場(chǎng)地的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，設(shè)計(jì)不同回灌方案，預(yù)測(cè)回灌效果，并建立場(chǎng)地溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬地下水質(zhì)演化趨勢(shì)。

3 存在問(wèn)題

（1）數(shù)值模擬技術(shù)無(wú)法替代基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，沒(méi)有扎實(shí)充分的鉆孔資料、野外試驗(yàn)和水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是無(wú)法進(jìn)行數(shù)值模擬的。源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集也比較困難，在部分經(jīng)濟(jì)水平較落后地區(qū)，當(dāng)?shù)厮畡?wù)系統(tǒng)未對(duì)開(kāi)采信息進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致通過(guò)電量法與調(diào)查法計(jì)算的開(kāi)采量數(shù)據(jù)與真實(shí)情況差別較大，影響模型的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。同時(shí)，地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)對(duì)研究人員的水文地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)要求很高，在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行邊界條件、含水層分層、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)概化時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合研究區(qū)已有資料與過(guò)去的地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定。

（2）模型是對(duì)實(shí)際情況的理想化，在實(shí)際進(jìn)行回灌工程時(shí)，會(huì)出現(xiàn)很多模型預(yù)測(cè)中未考慮到的問(wèn)題，如設(shè)備損壞、管道崩塌、入滲池及回灌井堵塞等。這些問(wèn)題會(huì)影響回灌工程的正常運(yùn)行，使得回灌難以達(dá)到模型預(yù)測(cè)的效果。同時(shí)極端天氣也會(huì)影響回灌實(shí)際結(jié)果，如在連續(xù)暴雨情況下，入滲池水位高于正常值，將影響回灌速率以及預(yù)期回灌后的水位，水位過(guò)高情況下容易發(fā)生土壤次生鹽堿化等問(wèn)題。

（3）數(shù)值模擬技術(shù)在回灌過(guò)程中對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移模擬的應(yīng)用目前較少，在某些回灌場(chǎng)地，由于包氣帶中存在污染物，回灌水在包氣帶遷移的過(guò)程中會(huì)將污染物帶入含水層中，回灌水與原始地層及原始地下水也會(huì)發(fā)生某些水化學(xué)作用，影響地下水水質(zhì)。因此應(yīng)加大對(duì)回灌工程溶質(zhì)運(yùn)移模擬，預(yù)測(cè)回灌后地下水水化學(xué)變化特征，指導(dǎo)回灌工程的選址及水源選擇。

4 結(jié)論與展望

隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)不斷優(yōu)化、完善，應(yīng)用的工程類型也越來(lái)越多。在地下水人工回灌工程中，數(shù)值模擬的作用與意義是非常重大的。一個(gè)精確、優(yōu)秀的模型可以為人工回灌工程的選址、設(shè)計(jì)提供充足的理論支撐。但建模的基礎(chǔ)是充分的地質(zhì)資料，因此，開(kāi)展地下水人工回灌工程，首要做的就是收集與調(diào)查研究區(qū)的地質(zhì)資料、氣象資料、水文地質(zhì)資料，等等，在現(xiàn)有資料缺乏的地區(qū)，應(yīng)開(kāi)展適當(dāng)?shù)劂@探、物探等技術(shù)手段查明研究區(qū)地質(zhì)條件，而后再進(jìn)行數(shù)值模擬。另外模型的校驗(yàn)也是格外重要的，通過(guò)驗(yàn)證的結(jié)果可以反向確定模擬區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)，但模型校驗(yàn)需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，所以在建設(shè)回灌工程時(shí)，應(yīng)在周?chē)贾脛?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井，同時(shí)在區(qū)域的不同關(guān)鍵位置布設(shè)長(zhǎng)期觀測(cè)井，保證長(zhǎng)期觀測(cè)井的數(shù)據(jù)可靠性，為模型校正打好基礎(chǔ)。

目前國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)分享做的并不完善，可以加強(qiáng)發(fā)展數(shù)據(jù)分享平臺(tái)，將不同區(qū)域、不同時(shí)期的水位數(shù)據(jù)、鉆孔資料與水文地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)放置網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分享，可以讓數(shù)據(jù)價(jià)值的最大化，為其他研究人員未來(lái)的工作提升效率，節(jié)約成本。另外，目前對(duì)區(qū)域和場(chǎng)地耦合的地下水流數(shù)值模擬研究與水化學(xué)模擬研究較少，由于地下水人工回灌工程的特殊性，需要對(duì)回灌場(chǎng)地周?chē)乃?、水質(zhì)模擬更精細(xì)，因此區(qū)域和場(chǎng)地耦合模型是未來(lái)數(shù)值模擬技術(shù)在人工回灌領(lǐng)域上需要大力發(fā)展的方向。