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我国地下水数值模拟的现状及展望

时间:2022-01-08     【原创】

1.1国外研究现状

总体来说,国外的发展比较快速,也比较全面。具体体现在:

1)国外开展了几个大型的野外实验场研究,丰富了地下水溶质运移的理论和方法,并为发展和检验溶质运移理论和相应的数学模型提供了大量的数据;

2)将随机理论运用到非均匀介质渗流和溶质运移的模拟中,对人们认识非均匀介质中的流体运动和溶质运移的有很大的帮助;

3)通过多孔介质中水流运动、溶质运移和化学反应,甚至生物过程的耦合建立模型来集成地研究这些过程也取得很多进展;

4)计算方法也取得不少进展;

5)但溶质运移模拟中数值弥散和振荡问题的解决以及地下水模拟逆问题的求解进展缓慢。


1.2国内研究现状

我国的地下水数值模拟开展的比较晚,始于20世纪70年代,但到目前为止,国际上出现的各类模型在我国基本上都有了,能够满足国民经济建设的需要。具体的模型类别:


各类常系数、变系数水流模型;

地下水污染模型;

海水入侵模型;

高浓度咸/卤水入侵模型;

地下水中某些组分运移行为的模型(如海水入侵条件下,交换阳离子运移行为模型);

大区域地面沉降模型(面积超过17000km2);

地下水中热量运移和含水层贮能模型;

地下水资源管理模型;

井渠合理布局模型;

各类坝体渗漏模型;

渠道渗漏模型;

地下水-地表水联合评价调度模型等等。


运移和化学反应耦合模型以及其他一些耦合模型也有人着手考虑了。上述模型中有些水平比较高,和国际高水平模型基本上处于同一水平。


国外各类数值方法国内均有应用,少数数值方法还是将国外数学家的构思加以完善后直接应用于地下水模拟的或由中国学者直接构思完成的,因而远早于国外水文地质学者。随机水文地质的研究虽然起步较晚,但从无到有,成果比较突出,基本能跟上国外同类研究的步伐。但一般只是跟踪性研究,仅在个别领域接近国际前沿。


2、存在问题

1)基础理论的实验研究和具体地质条件的研究重视不够,有过多依赖模拟技术的倾向;

2)虽然一些先进软件在中国应用比较广泛,但有些人盲目追求所用软件的版本,过分追求模拟结果的可视化程度,而不重视对研究区具体水文地质条件的认识、概化,轻视概念模型的建立和数值模型的识别、检验,更有甚者是不重视对水流方程、对流-弥散方程和边界条件知识以及数值方法的学习、了解,以致出现重大项目虽采用的是先进软件,但报告中方程和边界条件都写错了的情况,这样评价出来的水资源量就失去了可信度;

3)理论成果少,原始创新更少,多数是跟踪性的;

4)已建模型虽多,但真正采用的却比较少,模拟结果与实际相差颇大,原因在于边界条件的处理不符合实际。


3、优先发展方向和展望

为了把我国地下水模拟事业推向一个新的、更高的高度,做出与中国作为世界大国相匹配的贡献。作者着眼于我国地下水科学需要解决的核心科学问题,结合考虑当前国际前沿科学问题,得出当前水文地质学需要解决的核心科学问题主要有:

1)地下水环境的演化和发展趋势;

2)地下水循环和地下水资源的可持续利用;

3)人类活动与地下水环境。


找到水文地质学需要解决的核心科学问题后,解决其中涉及的地下水模拟问题就是我们需要优先研究的领域。其次,需要关注的就是当前国际前沿科学问题。综合上述情况,可以遴选出以下优先研究的领域:

1)区域尺度不同地域单元地下水循环过程及其演化趋势的数值模拟;

2)地下水污染的形成机理,各类污染物(包括微生物、无机、有机)在地下水中的运移行为的模拟;

3)水文地质参数非平稳场的时空变异性和尺度效应;

4)含水层非均质性对地下水流动和污染物运移的影响,随机理论的研究和应用;

5)地下水开发利用所引起的各类环境问题(地面沉降、地裂缝、海水入侵等)的模拟和预测;

6)地下水可持续利用、科学管理与决策模型;

7)随着石油制品的渗漏,引起人们关注的非饱和带多相流问题和介质非均质性;

8)地下水模拟中逆问题的研究。


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