地下水人工回灌研究中数值模拟技术的应用进展

腾格尔

（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.中国地质大学（北京），北京 100083）

1 研究背景

地下水是我国华北地区的主要供水水源，是人民生活生产当中不可或缺的资源。由于人们常年超采地下水，产生了区域性地下水降落漏斗，导致了出现地面沉降、土地沙漠化等生态地质环境问题。为了恢复地下水降落漏斗，治理地下水超采带来的一系列问题，人们越发重视研究地下水人工回灌技术。地下水人工回灌技术是一种通过人为力量，采用工程措施将地表水或雨水等水源补给到含水层中的技术手段，由于地质条件与回灌目的不同，有入渗池回灌、井灌和河道回灌等方式。为了科学、合理的确定回灌工程位置以及预测回灌效果，研究人员普遍采用地下水数值模拟的手段进行研究。因此，进行地下水数值模拟对回灌工程的位置、方式和规模的选取有着重要的指导意义。

随着计算机与编程技术的研究与发展，地下水流计算开始应用数值模拟技术，数值模拟技术的核心组分是地下水模型。目前MODFLOW、MT3DMS、RT3D、HST3D等地下水模型程序已经广泛应用于水文地质学与地下水资源研究中。基于以上模型程序研发的地下水数值模拟软件有:Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW、HYDRUS等（见表1）。

表1 常用的地下水模拟软件

2 数值模拟技术在人工回灌研究中的主要应用

2.1 区域尺度地下水流数值模拟

对研究区进行区域地下水流数值模拟，一般情况下模拟区为一个完整的水文地质单元，或以明显的水文地质界限为边界。研究者们一般常用GMS或Visual MODFLOW模拟软件进行模拟，根据模拟结果分析不同的回灌组合方式（渗坑式、井灌式等）与不同的回灌位置的回灌效果。

康华等人应用Visual MODFLOW软件对太平河洪积扇地下水人工回灌试验的不同调蓄方案进行数值模拟，并估算秦岭山前的可调蓄量。王迎迎结合南水北调来水工程和FEFLOW模拟软件对北京市平原区地下水系统行数值模拟结果，分析和预测北京市平原区潜水地下水的水位变化、北京市未来水资源整体发展形势，进行地下水回灌方案拟定，模拟不同情境下北京市平原区的地下水系统的变化情况。刘少玉等人基于Modflow2005使用GMS模拟软件建立滹沱河地下水流数值模型，将模拟结果与实测流场、钻孔水位过程线进行拟合，识别校正水文地质参数，在此基础上利用网格加密技术对研究区进行加密，将区域和场地模型进行耦合模拟精确刻画水位变化的效果。聂凯翔在德阳市旌南湿地公园进行了地下水回灌试验，并使用Visual MODFLOW软件创建地旌阳区平原地下水数值模型，通过与研究区实测水位和观测孔水位过程线的拟合识别，校正水文地质参数，并根据模拟结果分析研究区水均衡情况，预测未来研究区流场，为回灌提供可靠的参数。

2.2 剖面二维地下水流数值模拟

剖面地下水数值模拟大多应用Hydrus-2D模拟软件，根据模拟结果可观察分析回灌水在不同时间段的入渗情况、回灌水头及回灌流量对人工回灌工程的影响，预测该回灌场地地层条件下最适宜的回灌流量，对回灌工程的建设及回灌方案的设计有着指导作用。

崔峻岭等人基于Hydrus-2D模拟软件，建立渗滤池回灌的二维饱和—非饱和渗流数值模型，利用实际试验结果进行模型校正，研究回灌水在渗滤池中入渗过程机理。白福高等人根据在潮白河河道开展的地下水人回灌试验，利用Hydrus-2D软件建立二维饱和—非饱和地下水流数值模型，预测不同回灌水头下包气带中回灌水的入渗特征。黄强对济南市玉符河河道模拟回灌入渗，结合三次测流试验结果设计了不同地下水位情境，模拟研究区地下水位的变化，计算出河道合理渗漏量与渗漏时间，为玉符河回灌提供了科学参考。

2.3 场地尺度回灌地下水流数值模拟

李园运用GMS软件建立藁城区地下水回灌场地地下水流数值模型，根据实际回灌试验的数据进行模型的识别校正，并分析研究区水均衡条件，预测不同回灌方案的回灌效果。张永杰等人设计实验装置，并根据装置等比建立数值模型研究回灌对地下水年龄分布规律的影响条件。刘少玉等人运用GMS软件建立回灌场地的地下水数值模拟模型，设计不同回灌方案，预测回灌效果，并建立场地溶质运移模型，模拟地下水质演化趋势。

3 存在问题

（1）数值模拟技术无法替代基础地质调查，没有扎实充分的钻孔资料、野外试验和水位监测数据是无法进行数值模拟的。源汇项数据的收集也比较困难，在部分经济水平较落后地区，当地水务系统未对开采信息进行全面监测，导致通过电量法与调查法计算的开采量数据与真实情况差别较大，影响模型的准确性与科学性。同时，地下水数值模拟技术对研究人员的水文地质经验和理论基础要求很高，在对研究区进行边界条件、含水层分层、水文地质参数分区概化时，应充分结合研究区已有资料与过去的地质工作经验进行设定。

（2）模型是对实际情况的理想化，在实际进行回灌工程时，会出现很多模型预测中未考虑到的问题，如设备损坏、管道崩塌、入渗池及回灌井堵塞等。这些问题会影响回灌工程的正常运行，使得回灌难以达到模型预测的效果。同时极端天气也会影响回灌实际结果，如在连续暴雨情况下，入渗池水位高于正常值，将影响回灌速率以及预期回灌后的水位，水位过高情况下容易发生土壤次生盐碱化等问题。

（3）数值模拟技术在回灌过程中对溶质运移模拟的应用目前较少，在某些回灌场地，由于包气带中存在污染物，回灌水在包气带迁移的过程中会将污染物带入含水层中，回灌水与原始地层及原始地下水也会发生某些水化学作用，影响地下水水质。因此应加大对回灌工程溶质运移模拟，预测回灌后地下水水化学变化特征，指导回灌工程的选址及水源选择。

4 结论与展望

随着计算机的高速发展，数值模拟技术不断优化、完善，应用的工程类型也越来越多。在地下水人工回灌工程中，数值模拟的作用与意义是非常重大的。一个精确、优秀的模型可以为人工回灌工程的选址、设计提供充足的理论支撑。但建模的基础是充分的地质资料，因此，开展地下水人工回灌工程，首要做的就是收集与调查研究区的地质资料、气象资料、水文地质资料，等等，在现有资料缺乏的地区，应开展适当地钻探、物探等技术手段查明研究区地质条件，而后再进行数值模拟。另外模型的校验也是格外重要的，通过验证的结果可以反向确定模拟区的水文地质参数，但模型校验需要大量的观测数据，所以在建设回灌工程时，应在周围布置动态监测井，同时在区域的不同关键位置布设长期观测井，保证长期观测井的数据可靠性，为模型校正打好基础。

目前国内的数据分享做的并不完善，可以加强发展数据分享平台，将不同区域、不同时期的水位数据、钻孔资料与水文地质经验参数放置网络中进行分享，可以让数据价值的最大化，为其他研究人员未来的工作提升效率，节约成本。另外，目前对区域和场地耦合的地下水流数值模拟研究与水化学模拟研究较少，由于地下水人工回灌工程的特殊性，需要对回灌场地周围的水位、水质模拟更精细，因此区域和场地耦合模型是未来数值模拟技术在人工回灌领域上需要大力发展的方向。