（环境科学专业论文）济宁市湖东平原区地下水环境演化规律研究.pdf

济宁市湖东、l 原区地下水环境演化规律研究 子( c 1 一) 超过地下水质量标准( g b t1 4 8 4 8 19 9 3 ) 中的i i i 类水标准的仅占 1 5 2 ，这一比例到2 0 0 4 年达到3 8 5 ；硫酸根离子( s o ；。) 在1 9 9 6 年超 标率为1 8 8 ，到2 0 0 4 年超标率达到2 7 5 ，济宁城区第四系孔隙潜水 水质已受到较为严重的污染，城区潜水已不能作为饮用水使用。用验证好 的模型预测了研究区2 0 2 0 年的地下水中氯离子( c 1 。) 和硫酸根离子( s o l 。) 含量，预计到2 0 2 0 年地下水污染最严重的区域出现在市中区，氯离子( e l 一) 浓度会达到3 5 0 m g l 以上，硫酸根离子( s 0 2 4 ) 浓度将达到3 0 0 m g l ；邹城 市、兖州市、汶上县三个城区及排污河道沿岸区域存在潜在的污染威胁。 地下水超采是造成研究区内浅层地下水水位下降的主要原因，农药化 肥的过量施用造成的面源污染是研究区内地下水环境污染的主要原因。研 究区地下水流与溶质运移两者之间有着密切的联系，人类活动是造成地下 水环境负效应的主要因素。应加强对地下水资源的科学调度管理及控制污 水排放，防止地下水环境的进一步恶化，保护地下水资源，实现区域水资 源可持续发展。 关键词：浅层地下水；f e f l o w ；数值模拟；演化；预测 2 山东农业大学硕士学位论文 e v o l u t i o nr e g u l a r i t yo fs h a l l o wg r o u n d w a t e ri nt h ee a s t p l a i no fn a n s i h ul a k ei nj i n i n g s u nz h i h a o d i r e c t e db yw a n gk a i z h a n g a b s t r a c t t a k i n ge a s tp l a i ni nn a n s i h ul a k ei nj i n i n ga sac a s e ，i nt h i ss t u d y , t h i sp a p e ru s e dt h e e x i s t i n gd y n a m i co b s e r v a t i o nd a t ao fg r o u n d w a t e r , t h e3dg r o u n d w a t e rf l o wa n ds o l u t e t r a n s p o r tn u m e r i c a lm o d e l sa r ec o n s t r u c t e db yu s i n gn e a r l yt h i r t yy e a r s s u r v e yd a t aa n d t h eg r o u n d w a t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef e f l o w t h em o d e li sc a l i b r a t e dw i t h t h el e v e l so fg r o u n d w a t e rs u r v e yw e l l s ，t h er e s u l t si n d i c a t e d ，t h ec a l i b r a t e dm o d e lh a sa h i g hl e v e lo fs i m u l a t i o np r e c i s i o n a na n a l y s i so fe v o l u t i o nr e g u l a r i t yi ns t u d ya r e aw i t h t h em o d e lc a l i b r a t e di sc a r r i e do u t o nt h eb a s i so ff u l l yc o l l e c t i n ga n da n a l y z i n gr e l a t i v em a t e r i a l ss u c ha sg e o l o g y , h y d r o g e o l o g ya n de n v i r o n m e n to ft h ee a s tp l a i no fn a n s i h ul a k ei nj i n i n g ，t h ep a p e r e x p l a i n e ss y s t e m a t i c a l l yt h ec a u s e ，e r aa n dl i t h o l o g yo ft h em a i ns t r a t u mi nt h er e s e a r c h a r e a , a n da n a l y z e st h el a wo fr e c h a r g e ，r u n o f f , d r a i n a g ea n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e g r o u n d w a t e r a f t e rc o n f i r m i n gt h er a n g eo fs i m u l a t i o nd i s t r i c ta n do b j e c tl a y e rf o r c a l c u l a t i o na n dg e n e r a l i z a t i n gh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，v e r t i c a la n dl a t e r a lb o u n d a r y , a g r o u n d w a t e rm a t h e m a t i c a lm o d e li s s e tu p f e f l o ww h i c hi sb a s e do nf i n i t ee l e m e n t m e t h o di s e m p l o y e d t os o l v et h e n u m e r i c a le q u a t i o n s b e f o r ed a t a i n p u t ，o v e r l a p p a r a m e t e rs u b a r e aa n da d m i n i s t r a t i v er e g i o n ，t h e nd i v i d et h es o u r c es i n kd a t ao fe a c h a d m i n i s t r a t i v er e g i o ni n t ot h er e c h a r g eo fs u ba r e a t h i ss i m u l a t i o nu s e dt h ew a t e rl e v e l 3 济宁市湖东、l 原区地下水环境演化规律研究 o b s e r v e dv a l u eo fs e l e c t i n gn o v e m b e ro f2 0 0 3t on o v e m b e ro f2 0 0 4t oi d e n t i f ya n d i n s p e c tt h em o d e l ，t h ef i t t i n ge f f e c ti sa l lr i g h t ，a n di te x p l a i n st h a tt h ed e t e r m i r i a t i o no f a q u i f e rs t r u c t u r ea n dh y d r o g e o i o g i c a lp a r a m e t e r , t h em o d e lc a nb eu s e di nf o r e c a s t t h e a n a l y s i ss h o w st h a tt h eg r o u n d w a t e rl e v e lf e l li ns t u d ya r e a ，t h eg r o u n d w a t e rl e v e lh a s d r o p p e d6 6 3 mf r o m19 7 6t o2 0 0 4 ，b ya na n n u a la v e r a g eo fo 2 4 m b a s e do nt h em o d e l ， t h ep a p e rp r e d i c t st h eg r o u n d w a t e rf l o wf i e l di n2 0 2 0y e a ri nt h er e s e a r c ha r e a t h e p r e d i c t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a te x p l o i t i n ga c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t e de n l a r g e m e n t e x p l o i t i n ga m o u n t ，t h ew a t e rl e v e l sh a v et h et e n d e n c yt od e c l i n ec o n t i n u o u s l yy e a rb y y e a r , c o m p a r i n gt ot h ew a t e rt a b l eo ft h ea r t e s i a nw a t e r , t h ew a t e rt a b l eo ft h ep h r e a t i c w a t e rd e c l i n e si ne v i d e n c e t h ef i t t i n gm o d e lh a sb e e nu s e dt op r e d i c tt h ef l o wf i e l di n 2 0 2 0 ，t h ea v e r a g el e v e li s3 0 6 7 ma n dw i l lb e e nd r o p e d4 5 7 mc o m p a r e dw i t h2 0 0 4 t h eg r o u n d w a t e rs o l u t et r a n s p o r tn u m e r i c a lm o d e l so ft h es t u d ya r e aa r ec o n s t r u c t e d b yu s i n gt h eg r o u n d w a t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ef e f l o wa n dt a k i n gc h l o r i d i o n a n ds u l f a t e i o na s r e p r e s e n t a t i v e c o n t a m i n a t i o n t h i ss i m u l a t i o nu s e dt h e w a t e r c h e m i c a lm a t e r i a l so b s e r v e dv a l u eo fs e l e c t i n gj a n u a r yo f2 0 0 2t od e c e m b e ro f 2 0 0 3t oi d e n t i f ya n d i n s p e c tt h em o d e l ，t h ef i t t i n ge f f e c ti sa l lr i g h t ，t h em o d e lc a l lb eu s e d t op r e d i c t a n a l y z i n gt h ec h l o r i d i o nc o n c e n t r a t i o ni ns t u d ya r e a ，1 5 2p e r c e n te x c e e d e d g r a d ei i io ft h eq u a l i t ys t a n d a r df o rg r o u n dw a t e ri n19 9 6 ，3 8 5 p e r c e n te x c e e d e d g r a d ei i ii n2 0 0 4 a n a l y z i n gt h es u l f a t ei o nc o n c e n t r a t i o ni ns t u d ya r e a , 18 8p e r c e n t e x c e e d e dg r a d ei i io ft h eq u a l i t ys t a n d a r df o rg r o u n dw a t e ri n 19 9 6 ，2 7 5p e r c e n t e x c e e d e dg r a d ei i ii n2 0 0 4 q u a t e r n a r yg r o u n d w a t e rh a sb e e np o l l u t e ds e r i o u s l y , t h e s h a l l o wg r o u n d w a t e ri nt h ec i t yz o n ec a nn o tb eu s e da sd r i n k i n gw a t e r t h ef i t t i n gm o d e l h a sb e e nu s e dt op r e d i c tt h ec h l o r i d i o na n ds u l f a t ei o nc o n c e n t r a t i o ni n2 0 2 0 ，t h eh i g h e s t c h l o r i d i o na n ds u l f a t ei o nc o n c e n t r a t i o nw i l la c h i e v e d3 5 0 m g la n d3 0 0 m g l t h em o s t s e r i o u sp o l l u t i o ni sj i n i n gc i t ya n du r b a no fz o u c h e n gy a n z h o uw e n s h a n gh a v el a t e n t 4 山东农业人学顾l ：学位论义 i n t i m i d a t e t h eo v e r d r a f th a sc l o s ec o n t a c tw i t hw a t e rp o l l u t i o ni ns h a l l o wg r o u n d w a t e ra n dh a s p o t e n t i a lt h r e a tt od e e pg r o u n d w a t e r , a r e ap o ll u t i o nr e s u l t i n gf r o me x c e s s i v eu s i n go f p e s t i c i d e sa n dc h e m i c a lf e r t i l i z e r si st h em a j o rc a u s eo fp o l l u t i o ni nt h es t u d ya e r a s c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls e w a g ed i s c h a r g e ss h o u l db es t r e n g t h e n e di no r d e rt o p r e v e n tf u r t h e rd e t e r i o r a t i o no ft h eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：s h a l l o wg r o u n d w a t e r ；f e f l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e v o l u t i o n ； p r e d i c t i o n 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研究 所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要贡献 的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规定， 同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质本和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东农业大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并向社会公众提供信息服务。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：趣! 墨皇冬 导师签名： 日期： 济宁市湖东；r 原区地下水环境演化舰律研究 1 绪论 1 1 选题目的及意义 进入2 1 世纪，水资源可持续利用已成为经济和社会可持续发展极为 重要的保证。目前的发展趋势由开发地表水发展到地下水以及地表水、地 下水联合开发调控；由水量控制发展到水质和水量的同时控制。在对水资 源进行开发利用治理的同时，特别强调对水资源的配置、节约和保护，由 注重单纯的经济效益发展到经济、社会、生念、环境等诸多因素同时考虑。 当前最需要的是在搞好水利规划的同时，结合当地的实际情况，从水 资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护以及相互之间的最佳结合点 提出适应社会主义市场经济体制的具体方案，实现水资源的可持续利用， 确保经济和社会的可持续发展。 地下水是我国城市生活和工农业用水的重要供水水源。全国约有三分 之二的城市和部分农田以地下水作为重要供水水源。由于缺乏环境意识与 科学管理，水资源无限制的大量开发利用，以及人类活动的各种不利影响， 都会对地下水环境产生负面效果。例如，山东省济宁市的南四湖湖东平原 区，地下水超量开采形成大面积的的地面沉降，使工农业生产均蒙受损失。 城市地区不合理的污水排放，农村地区过量施用化肥农药，生产和生活垃 圾乱扔乱倒，在污染地表水的同时也污染了地下水。由此可见，人类活动 已是现今影响地下水环境演化的主导力量。地下水既是人类社会和经济发 展不可缺少的自然资源，同时又是地质作用和地质灾害的载体，如果不重 视水资源的管理和保护，在人类活动不利影响下，必然会导致环境恶化， 并对经济发展造成严重的不利后果。 目前，地下水资源开发利用过程中缺乏宏观规划、科学和严格管理， 导致地下水严重超采、水位持续下降、漏斗面积不断扩大、地下水受到普 遍污染等问题。此外，在有些城市和地区，与地下水有关的环境、生态问 题同益严重，如地面沉降、地面塌陷、土壤沙漠化和盐渍化等。因此，以 社会经济可持续发展，地下水水资源永久持续利用，社会经济与环境协调 发展为原则，对地下水资源进行科学管理，是2 1 世纪我国面临的重要任 6 山东农业火学硕二e 学位论文 务。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 地下水数值模拟研究的发展阶段 尽管人类丌发利用地下水的历史十分悠久，但对地下水运动规律的认 识进展的却十分缓慢，在1 9 世纪以前，还谈不上对地下水进行定量计算 的问题。随着对地下水丌采规模的扩大，人们对地下水形成机理的认识也 不断深化。1 8 5 6 年，法国水利工程师达西( d a r c y ，1 8 5 6 ) 提出了著名的 达西定律，奠定了水文地质学的基础。1 8 6 3 年，d u p u i t 提出了地下水稳 定井流公式( d u p u i t ，1 8 6 3 ) 。1 8 8 5 年，c h a m b e r l i n 最先对地下水的区域 流动进行了研究( c h a m b e r l i n ，1 8 8 5 ) ，他对渗透性不同的介质的作用进 行了说明。1 8 8 6 年，h a n m 首先把高等数学应用到地下水运动理论中，包 括引进等势面和流线、应用拉普拉斯方程和镜像法。1 8 9 7 年，d a r t o 绘制 了达科他( d a k o t a ，1 8 9 7 ) 承压含水层的补给和排泄区域分布图。2 0 世 纪3 0 年代到5 0 年代，泰斯公式( t h e i s ，1 9 3 5 ) 的出现开创了现代水 文地质计算的新纪元，非稳定流模型开始出现并发展起来。在此期间，1 9 4 0 年，j a c o b 建立了地下水流运动的基本微分方程，严格导出了泰斯公式并 得到了贮水系数的物理解释，创出了用数学模型研究地下水的开端。随着 深层承压水的开发利用，越流模型被用来解决多层含水层的越流问题 ( j a c o b ，1 9 6 4 ；h a n t u s h ，1 9 6 5 ) 。6 0 年代以来，由于工农业生产的发展、 环境污染的预测和防治、新能源的丌发利用、核废料的贮存等等，使地下 水运动的研究深入到更广阔的范畴( 张永波，2 0 0 1 ) 。1 9 5 3 年，t a y l o r 提 出了毛管模型，人们开始了对弥散系数结构的探讨，地下含水介质中的运 移问题，日益被提到重要地位( 朱学愚，1 9 9 0 ) 。此时，随着计算机的进 步使一些复杂的地下水流的模拟成为可能( 林学钰，2 0 0 2 ) ，数值方法不 仅有效地应用于解决地下水流问题，也用于解地下水质问题以及其它模型 问题。二维平面( 剖面) 模型、准三维流模型、三维流模型、耦合模型等 先后出现，从此进入了数值模型的迅速发展期( 魏林宏，2 0 0 0 ) 。 济宁市湖东，i - 原区地下水环境演化肌律研究 1 2 2 模型求解方法 目前最常用的数值计算方法是有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 、 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 矛h 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 。 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 的基本思想是用差商近似方程中的 微商，然后藕合初始条件及边界条件求解封闭的线性代数方程组。该方法 具有物理概念清楚、直观、易懂、计算简单、编制计算程序容易等特点( 薛 禹群，1 9 7 9 ) 。因此，最早盛行于工程科等中，2 0 世纪4 0 年代后期开始 应用于解决水工渗流问题( 孙纳f ，1 9 8 1 ) 。但由于用差分法求解微分方 法需要大量的运算工作( p i n d e r ，1 9 6 8 ) ，所以在计算机未出现以前，有限 差分法在水文地质计算中的应用仅限于少量小规模的地下水流模拟 ( c h e n ，1 9 8 4 ) 。随着电子计算机运算速度和容量的提高，数值模拟才开 始广泛地应用于大规模实际地下水流的计算( 尹尚先，1 9 9 9 ) 。如p i n d e r 和 b r e d e h o e f t 将p e a c e m a n 和r a c h f o r d 提出的交替方向隐式方法用于地下水 的计算，稍后又引入强隐式( 张宏仁，1 9 7 9 ) ，这些方法具有占用内存少， 计算速度快等优点，对地下水流流向定量模拟起到了促进作用( 李俊亭， 1 9 8 0 ) 。但由于有限差分法是用f 立网格剖分渗流区域，因此对很多水文 地质问题拟合自然边界及非均质界线的灵活性较差( n e u m a n ，2 0 0 5 ) ，例如 可动边界的处理等( h u n t o o n ，2 0 0 4 ) ；此外，方法本身要求水头函数必须 具有二阶连续导数( b o x t o n ，1 9 9 9 ) ，这一条件对地下水流容易突变部位往 往难以满足( 周仰效，1 9 9 5 ) 。为弥补上述不足，便产生了不规则网格有 限差分法( c o o l e y ，1 9 8 2 ) 。不规则网格有限差分法的出现，给这一古老的 方法增添了新的活力，使它又可以和有限单元方法相匹敌( 吴剑锋，1 9 9 7 ) 。 t y s o n 及w e b e r 成功地把不规则网格有限差分法用于美国加利福尼亚州的 含水层模拟中( t y s o n ，19 9 7 ；w e b e r ，1 9 9 8 ) 。国内学者张宏仁、李俊亭对 不规则有限差分法的推导、论证及推广应用做了大量工作( 张宏仁，1 9 7 9 ； 李俊亭，1 9 8 0 ) ，解决了许多实际问题。不规则有限差分法的出现( t h e r r i e n ， 2 0 0 1 ；n e v i l l e ，2 0 0 4 ；r i c h a r d ，2 0 0 5 ) ，克服了规则网格差分法在拟合自 然边界及非均质界线上的不足，丰富了有限差分方法的理论。 有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 为我国数学家冯康创建( 冯康， 1 9 6 5 ) ，其基本思想是采用插值近似使控制方程通过积分形式在不同意义 山东农业人学顾：l 学位论义 下得到近似满足，把研究区域转化为有限数目的单元而列出计算格式。该 方法想像解区域由有限个小的、相互联系的亚区域组成。这些亚区域常采 用简单的形状( 如三角形、四边形、四面体、立方体等) ，称为单元。这些 单元集合起来，代表不同几何形状的解区域。假定在每一单元内，函数( 如 水头) 取简单的表达式，如二维问题，单元内水头假定满足平面方程。我 们用有限个单元的拼合平面拟合实际的水头平面。 依据建立代数方程组的途径不同，有限单元法又分为迦辽金( g a l e r k i n ) 有限元法、变分有限元法和均衡法( p i n d e r ，1 9 6 8 ) 。迦辽金有限元法是以 剩余加权法为基础。首先，利用剖分、插值将定解问题离散化，提出一含 有若干未知数的近似解( 此处未知数为未知结点的水头值) 。将该近似解代 入原定问题后产生的误差，称之为剩余函数( 冯康，1 9 6 5 ) 。使剩余函数 在区域内的加权积分为零，导出相应的代数方程组，最后求解代数方程组， 从而得出所求的近似解( 代群力，2 0 0 0 ) 。 变分有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的。首先用变分原理把 定解问题的求解等价为求某个泛函的极小值问题，再用剖分插值把求泛函 极小值的问题化成求解线性方程组。 均衡有限元法是利用均衡原理，对区域剖分后形成每一个小均衡子 域，并建立相应的水均衡方程，将方程联立形成一代数方程组。 尽管以上三种有限元法所依据的原理不同，但当三者采用相同的剖分 和插值解决同一地下水流动问题时，最终所得到的代数方程组是一致的 ( 孙纳f ，1 9 8 1 ) 。三种方法各有优缺点。g a l e r k i n 法不便于误差分析等 理论研究，但不需要寻找相应的泛函形式。变分有限元法便于误差估计和 收敛性讨论，但对某些问题却很难找到与之对应的泛函极值问题( 王文科， 1 9 9 3 ) 。均衡法简单、直观，但在数学上认为是不严格的。由于迦辽金有 限元法在反映水文地质概念方面比较清楚，又无需寻找相应的泛函形式， 因此在水文地质计算中应用较广( 魏加华，1 9 9 5 ) 。 有限单元法与有限差分法相比，由于节点配制方式比较任意，单元大 小比较随意，形状可以变化，因此，对于复杂形状的渗流区，可以使边界 结点完全落在区域边界上面以及适应不同水头的分布情况( 薛禹群， 1 9 9 7 ) 。但由于有限单元法是采用线性形函数描绘单元内的水位，往往对 9 济宁市湖东、l t 原区地下水环境演化j ；! i ! 律何 究 水力梯度较大的部位计算的水位有可能失真，某些结点产生振荡，这一现 象的产生是由于在一个单元内部有限单元方程不能正确地反映质量守恒 定律，出现反热传导方程之故。此外，有限单元法占用计算机的内存要大 一些，前期准备工作及运算工作量多。 有限单元法于2 0 世纪6 0 年代后期，开始应用于地下水流计算中，如 z i n e k i e w i c z 把有限单元法用于二维稳定流计算( z i n e k i e w i c z ，1 9 6 7 ) ， j e v e n d e l 等进一步用有限单元方法解非稳定流问题( j e v e n d e l ，1 9 6 8 ) 。随后 引入等参有限单元，c a p t a 等人用三维等参数有限单元法对多层地下水盆 地进行了数值模拟( c a p t a ，1 9 7 1 ) 。p i n d e r 等人先后在1 9 7 2 年采用有限差 分法和有限单元法对加拿大新斯科舍省m u s q u o d o b o i th a r b o u r 山庄的冰 水沉积物含水层，进行了水量模拟。得出如下结论：( 1 ) 有限差分法易于 程序的普及和数据文件的规范。其主要缺点是当对某些单元网格加密时， 会增加许多额外不必要的计算单元，有限单元使用较少的结点也能提供同 样的精度；( 2 ) 以迦辽金为基础的有限单元理论比有限差分理论更抽象， 所需计算机代码更繁琐；( 3 ) 经验表明，用有限单元模拟，如果输入的结 点位置或编号有误的话，模型出现的错误将很难发现；( 4 ) 有限单元模型 的主要优点是可以灵活的处理含水层、边界等。随后，张宏仁、李俊亭发 现了有限单元法求解地下水流问题时不满足局部质量守恒。n e u m a n 和 n a r a s i h u h a n 亦发现由于释水矩阵的非对角性所构成的缺点( n e u m a n ， 1 9 9 5 ；n a r a s i h u h a n ，1 9 9 7 1 ，当井流量有突然变化时，用有限单元格式有 时会得出和物理概念上相矛盾的水头值。因此提出了相应的改进措施 ( p a r k h u r s t ，1 9 9 9 ) ，便产生了改进有限单元( 亦称为贮量集中有限单元) 。 改进有限单元的提出，简化了计算，加强了总系数矩阵主对角线的优势 ( n e k u t l e e ，1 9 9 5 ) ，提高了计算的效率，避免了不规则网格有限差对均衡 区域面积的复杂计算以及对三角形剖分内角的5 艮n ( v a s c o ，1 9 9 7 ；s m i t h ， 1 9 9 9 ) 。我国在用有限单元法模拟地下水流方面的研究，虽然起步较晚， 但其应用范围、规模及其发展水平都是十分可观的( 贺国平，2 0 0 3 ；薛禹 群，1 9 9 7 ；朱学愚，2 0 0 0 ；王金生，2 0 0 4 ；陈崇希，2 0 0 5 ) 。近2 0 多年 来，我国水文地质工作者应用有限单元数值模拟技术解决了一大批供水水 源地的资源评价、矿坑涌水量预测、区域地下水资源评价、海水入侵、污 l o 山东农业人学r o i - j ：学位论义 染物在地下水中运移过程等问题。先后有一大批水文地质界前辈如李俊 亭、林学钰、陈崇希、薛禹群、陈雨孙、杨天行等发表了有限单元数值模 拟方面的论文、专著、计算程序以及研究课题。特别是薛禹群、谢春红对 井附近地下水流的对数插值法的提出( 薛禹群，1 9 8 7 ) ，改进了传统有限单 元法在计算地下水流时把井作为一个几何点处理的缺陷，考虑了井径和井 附近接近于对数曲线的水头变化，提高了井附近计算的精度；又如杨天行、 付泽周的奇点磨光法对这一领域的研究也起到了积极的促进作用( 杨天 行，2 0 0 2 ) 。从取得的成果来看，我国在这一领域的研究工作，无论是在 理论上，还是实际应用方面都取得了显著成就，已步入世界先进行列( 林 学钰，2 0 0 2 ) a 一 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 是基于g r e e n 公式和定界问题 的g r e e n 函数，把问题的解表示为沿区域边界的积分，从而在计算上把三 维问题约化为二维问题，把二维问题约化为一维问题。边界元法己成功的 应用于稳定流计算( w uj i a n f e n g ，2 0 0 5 ；r a jm o h a n ，2 0 0 7 ) ，尤其是潜水 方面的计算，也有应用于非稳定流的例子( r o b e r t s o n ，2 0 0 7 ；李吉学，2 0 0 6 ) 。 最近，边界元法己被应用于求解溶质运移问题( a s h b y ，2 0 0 7 ；r o u x ，2 0 0 7 ) 。 但由于溶质运移问题的复杂性，用该方法求解地下水污染问题不论在理论 上还是在实用上均处于起步阶段。 1 2 3 数值模拟软件的应用 目前国内外公认的最具影响的地下水模拟软件包括：f e f l o w 、v i s u a l m o d f l o w 和g m s 等。其中g m s 是由b r i g h a my o u n g 大学环境模拟研 究实验室开发的最先进的、基于概念模型的地下水系统模拟软件。g m s 是唯一支持t i n s 、s o l i d s 、钻孔数据、2 d 或者3 d 地质统计学的系统，它 也包括2 d 和3 d 的有限单元和有限差分模型。此外，它还封装了基于 m o d f l o w 的水流模型、溶质运移模型m o d a h 、m t 3 d 和r t 3 d ，以 及基于有限单元法的f e m w a t e r 模型等。可以说g m s 是功能最强大的 复杂地下水模拟软件。v i s u a lm o d f l o w 是由加拿大w a t e r l o o 水文地质 公司在m o d f l o w 的基础上开发研制的，是国际上最为流行且被各国同 行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件 系统。它具有结构化模块程序设计、离散方法简单化、时间步长设置灵活、 济宁市湖东j 原区地下水环境演化规律研究 求解方法多样等特点。但由于有限差分法是用f 交网格剖分渗流区域，因 此对很多水文地质问题拟合自然边界及非均质界线的灵活性较差，例如可 动边界的处理等；此外，方法本身要求水头函数必须具有二阶连续导数， 这一条件对地下水流容易突变部位往往难以满足。 国外对地下水的模拟软件应用开发比较成熟，取得了一系列的成果。 m i n o r uy o n e d a ( 日本) 等人对k a t s u r a 河流附近浅层地下水进行了数值模 拟( m i n o r uy o n e d a ，1 9 9 8 ) ，结果表明：由于地下水的超采，造成地下水 位降低；- 受污染的河水入渗回灌，从而导致了浅层地下水受到污染。 a n t h o n yj s m i t h ( 澳大利亚) 运用数值模拟软件f e f l o w 和s u t r a 对近 海岸地层海水入侵造成地下水的污染进行了模拟( a n t h o n yj s m i t h ， 2 0 0 0 ) ，并针对防治海水入侵提出了指导性建议。c o l l e u i l l e 等人对挪威 r o m e r r i k s p o r t e n 隧道的裂隙岩溶水水流进行数值模拟( c o l l e u i l l e ，2 0 0 4 ) ， 并论证了人工回灌入渗法来控制地下水泄漏这一方案的可行性。r e y n o l d s 和m a r i m u t h u ( m a r i m u t h u ，2 0 0 7 ) 在澳大利亚西海岸l a k ew a r d e n 湖边 沼泽地利用f e f l o w 建立了地表一地下水联合数值模型，对两者之间的 补给关系进行了数值模拟( r e y n o l d s ，2 0 0 7 ) 。s a r w a r ( s a r w a r ，2 0 0 6 ) 利用 f e f l o w 对位于印度笳地西北部的巴基斯坦的一个河流瓮地地区的地下 水水位变化作了模拟，结果表明，该地区地下水位受地表水影响明显。 t a y l o r ( t a y l o r ，1 9 9 6 ) 币0 用f e f l o w 对澳大利亚西部伯斯地区的g w e l u p 城 的城市地下水水质进行了数值模拟，并指出了污染源，对未来1 5 - - 2 0 年 内的地下水水质变化提出了预测。g e r n o tc h r i s t o p h ( g e m o tc h r i s t o p h ，2 0 0 0 ) 用f e f l o w 对德国b i t t e r f e l d 地区由于采矿造成的地下水污染进行了数值 模拟，并提出了防治污染的建议。k i m ( k i m ，2 0 0 4 ) 针对三维立体数值 模拟在非均质各项异性含水层因过量取水造成的地面沉降当中的应用做 了研究。w o o d s ( w o o d s ，2 0 0 5 ) 对有限元模型当中误差的产生做了分析 与研究，研究结果表明：数值模拟前处理过程中的数学模型建立，模拟过 程中的网格剖分以及模拟后处理过程中的评价标准的选择，是误差的主要 来源。d a m ( d a m ，2 0 0 4 ) 运用r i c h a r d s 方程式对浅层地下水的水位的变化 进行了数值模拟，结果表明浅层地下水的水位受地表水的入渗影响较大， 因其埋深较浅，蒸发量也是影响浅层地下水水位的不可忽视的因素。a s h b y 山东农业人学硕i ：学位论义 ( a s h b y ，2 0 0 7 ) 分别对均质和非均质的地下水水流和溶质运移模型进行 了数值模拟，并对模拟结果进行了分析。 在国外学者的研究中，常用的模型包括：随机模型，简化模型等。 m c k i n n e y ( m c k i n n e y ，2 0 0 1 ) 等人运用多项式罚系数方法进行稳定流条 件下最优化含水层可恢复系统研究；s u f i ( s u f i ，2 0 0 1 ) 、w a l i d ( w a l i d ， 2 0 0 0 ) 、f r a n c h i n i ( f r a n c h i n i ，2 0 0 3 ) 、m c k m n e y ( m c k m n e y ，2 0 0 3 ) 等 人曾用遗传算法求解多目标地下水污染控制、监测等问题；l e a h ( l e a h ， 2 0 0 4 ) 等在一个溶质运移模型中运用人工神经网络法进行了地下水修复的 最优化设计。p a t r i c k ( p a t r i c k ，2 0 0 6 ) 通过建立一个三维地下水污染优化 问题，说明了随机模型法同其它算法如模拟退火、遗传算法的不同；h e r z o g ( h e r z o g ，2 0 0 7 ) 等利用遗传算法建立了c a p ec o d 地区一个潜水含水 层的优化管理模型，在优化过程中，该模型增加了污染瞬时约束条件，提 高了插值精度。e b r a h e e m ( e b r a h e e m ，2 0 0 7 ) 利用简化模型对埃及南部砂 砾区进行了数值模拟。 国内在地下水数值模拟软件方面起步较晚，但经过大批学者的不懈努 力取得了令人瞩目的成就。目前我国数值模拟软件应用方面成果突出的专 家包括：河海大学的束龙仓( 束龙仓，2 0 0 4 ) 以美国内布拉斯加州普拉特 河谷为例，分析地下水丌采对河流流量衰减的影响、陈喜( 陈喜，2 0 0 5 ) 以美国s a n dh i l l s 地区为例地下水数值模拟及水量平衡分析；南京大学的 薛禹群( 薛禹群，2 0 0 0 ) 对越流含水层系统地下水污染进行了数值模拟， 朱学愚( 朱学愚，2 0 0 4 ) 确定了岩体渗透参数的结构面控制反演法；吉 林大学的林学钰( 林学钰，2 0 0 3 ) 、曹剑峰( 曹剑峰，2 0 0 4 ) 在水资源评 价中提出了灰色理论模型；中国地质大学的邵景力( 邵景力，2 0 0 6 ) 用 f e f l o w 软件对黄河中下游地下水作了数值模拟。另外，还有王现国( 王 现国，2 0 0 5 ) 以河南洛阳市为例，对浅层孔隙地下水水质演化机理进行了 研究；陈崇希( 陈崇希，1 9 9 7 ) ，张宗祜( 张宗祜，1 9 9 8 ) ，陈梦雄( 陈梦 雄，2 0 0 0 ) 等人分别在数学建模、地下水环境演化、水文地质野外调查方 面取得了显著的成果。其中邵景力( 邵景力，2 0 0 3 ) 对济宁市由于地下水 超采引起的地面沉降作过研究。除此之外，贾德旺( 贾德旺，2 0 0 5 ) 、李 吉学( 李吉学，2 0 0 6 ) 等也对济宁沉降区作了研究。 济宁市湖东i i ，- 腺区地下水环境演化舭律研究 目前对济宁市地下水的研究大多集中在济宁市区等小范围内，大多为 水量和水质的单独模拟，且f e f l o w 软件在该地区地下水模拟当中的使 用也极为少见。鉴于以上几点，本次研究借助于f e f l o w 对较大范围内 的济宁市湖东平原区地下水水量和水质进行耦合数值模拟，进而揭示研究 区内多年来地下水环境演化趋势，为相关部门提供参考。 1 2 4 数值模拟软件的发展趋势 根据国际上地下水的研究动向，可以预计今后地下水数值模拟模型的 发展趋向可能有以下几个方面： 1 反映实际地下水流的数学模型的建立和机理研究。 2 无限边界有限处理的研究，尤其给定水头边界。 3 数值计算方法，减少计算内存仍是地下水流数值分析的重要课题。 4 多种数值分析方法相结合来处理一个课题是一个值得探讨的方向。 5 介质的非均质性及由此而引起的参数的尺度效应研究，介质的非均 值性与复杂