地下水数值模拟技术发展现状

【摘 要】本文简要介绍了地下水数值模拟技术的发展历程，国外、国内发展现状，展望了未来地下水数值模拟技术的发展趋势。

【关键词】地下水;数值模拟;发展现状

1、国外地下水数值模拟技术现状

20世纪60年代随着计算机的发展，地下水计算机模拟技术开始起步，最初应用于大型方程组的数值求解计算，后逐渐向综合模拟方向发展。

1979年德国开发FORTRAN IV程序FEFLOW，起初用于模拟饱和孔隙介质二维非线性流及溶质迁移，后迅速成为一个强大的实用多用途综合软件并不断升级，Version5.1为最新版本[1]。

20世纪80年代初美国地质调查局的McDonald等开发出一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件MODFLOW，已经在全世界范围内得到多领域的广泛应用，成为目前最为普及的地下水运动数值模拟标准软件。先后发布MODFLOW88、MODFLOW96、MODFLOW2000和MODFLOW2005[2，3，4]。

90年代随着地下水水流模拟技术的成熟，地下水溶质迁移、流线示踪、模拟预后处理、可视化、软件集成等技术不断发展[5]。1990年美国Chunmiao Zheng开发地下水系统溶质迁移模拟软件MT3D，之后几年MT3D被广泛应用于污染物迁移模拟和治理评估研究并不断升级。先后包括：MT3D1.1、MT3D1.5、MT3D1.86、MT3D96、MT3DMS和MT3D99；1997年美国T. P. Clement在之基础上开发出用于模拟自然降解条件下的地下污染物迁移软件RT3D；相应的溶质迁移模拟技术朝着生化反应动力学以及随机理论、神经网络方向不断发展。同时先后出现可视化软件GW、Visual Groundwater 、ModGui Modviewer、Visual Modflow 3D explorer、自动校参软件Modpest，winpest，Visual PEST-ASP、水文试验专业软件AquiferTest等。由此更促进了计算机模拟向大型集成方向的发展。2005年发布Visual Modflow 4.1，可视化程度大大提高。90年代美国Brigham Young University 的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站开发出了GMS软件，该软件综合了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等已有地下水模型，是又一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件[6]。

2、国内地下水数值模拟技术现状

国内地下水研究起步相对较晚，但发展较快。基础研究方面涉及地下水流机制、含水层参数研究、溶质运移等诸多领域；计算机数值模拟技术也紧跟国际发展趋势，包括GIS集成可视化技术、模型网格自动生成技术、遗传算法参数反演、空间差值算法等，从简单地编制特定问题方程的求解程序，引进国外成熟商用软件发展到大型集成软件(如GWMS，由中国地质科学院水文地质环境地质研究所开发)的自主开发[7]。吕俊文等[8]采用Visual Modflow对某铀矿地浸采区的水动力场进行了模拟，但尚停留在对水动力场的基本流态模拟层面，没有进一步深入对流场的流速、水量交换比例以及溶浸范围等的模拟计算，难以具体指导生产实践，而魏云杰[9]仅介绍了Visual Modflow模型及其在砂岩型铀矿成矿水文地质条件研究中的应用潜力。应用方面建立的模型已差不多囊括国际地下水模拟中心（IGWMC）分类中所有的模型，模型涉及地下水预报、管理、识别，内容涉及水流动态预测、溶质迁移、污染检测等诸多领域。

3、展望

在国内外建立的诸多模型中，往往多见的是地下水流态、地下水资源评价和管理以及污染治理等方面，对铀矿地浸开采的模拟多在地球化学反应动力学方面，对地浸流场的数值模型非常少见，近两年国内也仅见对个别的对地浸水动力场、溶浸液迁移场的模拟研究，因此，十分有必要根据生产实际，建立地浸模型，对溶浸过程中的水动力场的流速、水量交换进行综合模拟研究。

地下水数值模拟技术的发展取决于模拟软件的发展，其中模型的建立是核心内容，提高模拟的精确度是未来发展的主要趋势。随着工业污染的不断加剧，地下水污染越来越严重，地下水水痕量污染物在溶质迁移过程的变化规律成为发展的主要趋势。

参考文献

[1]陈秋锦.地下水模拟计算机软件系统FEFLOW[J].中国水利,2003（18）

[2]贺国平等.FEFLOW在地下水流模拟方面的应用[J].成都理工大学学报,2003,30（4）

[3] H.J.G.Diersch，Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System User’s Manual，Institute for Water Resources Planning and Systems Research Ltd.2004

[4] Zhang，Stochastic Methods for Flow in Porous Media:Coping with Uncertainties， San Diego，California:Academic Press. 2002

[5]Rechard B.Winston，Graphical User Interface for Modflow，U.S. Geological Survey Open-File Report，10-315

[6]李森等.地下水动态数值模拟中随机方法研究进展[J].勘察科学技术,2006

[7]陈崇希等.“渗流－管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟[J].水文地质工程地,2004（1）：1－7

[8]吕俊文等.某铀矿地浸采区水动力三维模拟[J].铀矿冶,2003,22（4）：188－192.

[9]魏云杰等.Visual Modflow软件及其在砂岩型铀矿成矿水文地质条件研究中的应用潜力分析[J].铀矿地质,19（1）