1 模拟工作中的关键问题
1.1 水文地质模型的概化
水文地质概念模型是将含水层或含水系统实 际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和 补给排泄等条件进行合理的概化，以便进行数学 与物理模拟，是一项综合性、专业性的整理、分析 与概化工作。参考我国相关的国家标准和行业规 范，本文仅分析总结其中最为关键的边界条件问题。一般情况下边界范围应尽量以完整的水文地 质单元进行划分，边界条件宜以自然边界为计算 边界，尽量避免使用人为边界。表１为常用自然 边界的概化准则。其中需要特别注意的是，对于 具有明显季节性或周期性变化的地表水体来说，应利用ＦＥＦＬＯＷ 提供的时间序列功能将其定义 为随时间变化的“给定水头边界”。而对地下分水岭来说，地形分水岭只可近似概化为浅部地下水系统（受地形控制、径流短、交替快）的隔水边界， 中深层地下水系统的边界条件需依具体水文地质 条件而定，不能一概而论。更为重要的是对于影 响地下水水量大小和流场形态的建设项目来说， 应考虑项目实施对边界条件的潜在影响。
2 初始模型的建立
2.1三维地质建模
三维地质建模是将水文地质概念模型中模型 范围和含水层结构通过计算机技术并利用有限元 网格建立起来的实体三维模型，即为地下水系统 中含水系统的建立，其精细程度将直接影响地下 水流动系统的模拟结果。一般可将三维地质模型 分为单一结构型（不涉及多套含水层的尖灭和复 杂的地质构造）和复杂空间型（多套含水层出露或 有特殊的地质构造）两种。建立流程均基于地勘 资料，依次构建地表和各含水层的顶底板高程模 型，最后进行空间离散。其中的关键点在于地表 高程模型的生成、含水层结构的刻画和空间离散。
（1）地表高程模型的生成。对一级评价项目 来说，模拟范围多以完整水文地质单元进行圈定， 模拟区面积一般较大，传统地形数据从获取到处 理均较为困难，推荐采用３０ｍ 精度的ＳＲＴＭ［ ２］ 数据代替传统地形数据，利用 ＡｒｃＧＩＳ软件进行 统计、裁剪、转点等操作后，即可导入ＦＥＦＬＯＷ中。图２为地表高程模型生成的过程和最终效果。
图２地表高程建立过程示意图
（2）含水层结构的刻画。一般来说刻画含水 层结构需要依靠大量钻探资料，实际工作中区域 钻探资料一般较少且获取困难，而场地工勘钻孔 一般未揭穿主要含水层且控制面积不足，故在地 质建模时需要合理简化含水层结构。对单一结构 型地质模型来说，确定各层的层厚或层厚变化的线性规律后，可根据地表高程减去某一常量或利 用线性公式进行计算得出，此工作可分区逐步开 展。而对于第四系局部分布的情况，在边界处建 立不同的缓冲区，减去的常量逐步趋近于零后即 可构建图３（ ａ）的模型。对复杂空间型地质模型 来说，特别是具有多套地层出露或包含断层、向斜 和背斜等特殊地质构造的模型，在资料不足的情 况下刻画三维结构较为困难。有效的解决思路是 在野外调查前做好室内分析工作，充分利用区域 地质资料，掌握评价区基本的地层构架；进而有针 对性地设计野外工作，注重地层产状的实地测量；最后根据实测数据，合理概化地层和构造展布，基 于 ＧＩＳ平台人工构造顶底板等值线或建立缓冲 区，并利用公式编辑功能分别计算高程属性，从而 得到各层顶底板标高。图３（ ｂ）即为利用上述方 法建立的某地区向斜盆地的三维地质模型。
图３单一结构型地质模型和复杂空间型地质模型示意图
（3）空间离散。空间离散实质上是网格化的 过程，包括水平离散和垂向离散。它是合理表达 概念模型同时满足求解精度、模拟时间与计算机 资源等限制的关键步骤。此项工作贯穿始终，是 一个需反复修改调整、多次试算的过程，主要目标 是降低数值振荡、确保模型收敛和减少求解时间。以溶质模型为例，对水平离散来说，在计算前应利 用Ｐｅｃｌｅｔ数准则，推算污染源周围的网格间距， 利用ＦＥＦＬＯＷ 灵活的节点选择功能对不同的缓 冲距离进行逐级加密，这样既可以刻画出工程构 件的几何形态又可以控制数值振荡级别，在后期 污染晕出图时亦可保证较好的效果。根据实际经 验，一般来说污染面源边界间隔达到１ｍ 级别时 可较为有效地避免计算问题；而计算产生的负值 低于污染浓度１％时，结果基本可信；此外考虑到 求解时间，模型网格节点规模以不超过５０万为宜。图４为某工程厂区与污染泄漏区的加密过 程，并给出了某矿区开采工程中酸性水库、尾矿库 和废石场的水平离散结果。当垂向上的水文地质 参数、含水层厚度差别较大、污染源所在含水层之 下数值振荡严重、存在断层等情况下，应考虑细分 垂向离散。对于有隔水层存在的情况，可通过在 隔水层上下设置过渡层的方式解决参数差异带来 的数值计算问题。
图４水平离散一般过程示意及某矿区水平离散结果
2.2 初始流场的建立
建立三维地质模型后，将边界条件、水文地质 参数和初始水头输入模型后，即可进行水流模型 的计算。数值法求解地下水非稳定流动问题需要 给出初始条件，即各节点初始时刻的水头。对于 网格剖分后形成的庞大数目的节点，实际的水位 观测数据显然无法满足需求。因此通常的处理方 法是利用稳定流计算得到模拟区的天然流场，依 据实际观测水位进行调参、反演和拟合工作以获 得能够反映地下水流场特征的初始水头。此过程 中的关键点在于边界条件及参数的输入、调参技 巧和参数反演与模型验证。
（1）边界条件及参数的输入。对于边界条件， 在实际操作中关键在于提高边界赋值的精度和质 量，以河流做定水头边界为例，在河道坡降比较小 且边界较短时可赋予同一定值，否则应沿河流进 行线性插值，ＦＥＦＬＯＷ 提供指定两点水头自动线 性插值的功能，在使用时应注意对于水头差较大 的情况宜分段进行插值，并对照节点的高程进行 检查，避免出现水头高于地表的情况。在参数输 入时，渗透系数、给水度和孔隙度等含水层特征参 数应使用野外试验和室内土工试验参数，在资料 不足时可先用经验参数代替。而降雨量、蒸发量 等源汇项参数可参考区域气象资料且精度应达到 多年月平均级别，避免使用常量。此外应根据水 文地质资料和实际野外调查情况合理的各类参数 进行分区，这是表达非均质性的主要途径，一般以 水文地质图为基础进行分区即可，但在图件资料比例尺较小或某评价区非均质性较强时，需特别 注重野外调查结果的综合分析。图５为湖南某工 程渗透系数分区情况，分区依据来源于野外调查。
图５参数分区示意图
（2）模型的校准。由于地质体的非连续、非 均匀特点，模型中的各类参数远远无法表达一套 含水层的本身特性，在此情况下需要对模型进行 校准，通过参数的调整来寻找某个等效值，从而使 使用等效值的含水层整体特性逼近真实的含水层 特性，即模型校准是一个调整模型输入参数，直到 模型输出变量（或因变量）与野外观测值达到适当 匹配程度的过程，一般分为正演和反演两大类。在实际工作中正演试错法是最常用的方法，它并 无通用的执行标准，对调参经验和水文地质认识 要求高，需要统观模型的各个方面，当参数组合较 多时整个过程十分冗长复杂，本文仅根据经验就 水流模型的校准总结如下：① 调参准备。明确待 校准的参数数量及调整范围，主要对象是一般入 渗补给量和渗透系数，其中渗透系数是关键。此 外还应设置好合理的水位观测点，详细记录调整 过程、各观测点的水位变化及模型水均衡情况。② 调参过程。整体过程分为前中后三期。前期 可使用单因子调参原则和大跳跃的参数间隔，即 每次只改变某一参数且调整幅度可成倍甚至成数 量级变化，主要目的是熟悉模型基本情况，宏观掌 握各参数的敏感性，确定重点调参对象；此后即可 进入调参中期，可同时调整两个甚至三个参数，确 定它们彼此间的相对大小关系，调整幅度一般不 出现数量级变化，主要任务是在明确各参数相对 关系并缩小参数调整值域；最后进入调参后期，在 维持参数间相对关系的前提下进行精细化微调， 调整幅度以参数值的１０％甚至更低为基准线，以 求得可靠的参数组合。需要注意的是，整体趋势 的拟合比单点的拟合精度更为重要。③ 分析思 路。在调参过程中确定调整方向是关键，应认真 分析每个观测点的变化情况，从补给量和渗透性 入手确定调整方案，如在第四系孔隙水仅接受大 气降雨补给时，若孔隙水模拟水位偏低可考虑增 大降雨入渗补给、调低第四系垂向入渗或调低下 层含水层渗透性；在第四系孔隙水与河流边界有 水力联系时，若孔隙水模拟水位偏低则可考虑增大转化系数。此外可依据实际情况对地质模型、 网格剖分、边界条件和参数分区等做合理的调整。④模型设置。模型中模式设置对计算结果影响极 大，其中最关键的是潜水面模式的设置。ＦＥＦＬＯＷ 对潜水面的处理方式有 Ｆｒｅｅ和 Ｐｈｒｅａｔｉｃ 两种。其中Ｆｒｅｅ模式只模拟饱和部分，适用于地 下水水位只在某一层内变化的情况，对潜水面陡 变的情景不太适用；而Ｐｈｒｅａｔｉｃ模式允许单元变 干或部分饱和，适用于地下水位梯度较陡且跨越 多层的情景。值得注意的是，完全适用于Ｆｒｅｅ模 式的情景较为少见，Ｐｈｒｅａｔｉｃ模式同样可用于 Ｆｒｅｅ模式下问题的求解，虽然计算量大、收敛相 对困难，但其计算精度高且收敛后的水均衡情况 好，可优先考虑使用。此外关于是否约束水位在 顶底面之内的设置，应根据实际情况进行动态调 整，如模拟抽水情景时，某一层的水位低于其底板 属正常情况，则不应进行约束。关于参数的反演， 实质上是多目标函数求最优解问题，目前国际上 已有若干水流模型自动参数识别程序，如 ＦＥ－ ＦＬＯＷ 自带的 ＰＥＳＴ 程序。需要注意的是自动 调参是参数数值上的调整并不涉及参数结构，一 开始就使用很难获得满意的结果，而在正演的中 后期，进行参数微调时使用效果较好。
（3）模型验证。当完成校准工作后需对结果 进行验证，主要原因是模型校准是一个非唯一性 的过程，即很多参数组合可能显著不同，但均能提 供与观测值同等合理匹配的模拟结果。一般应从 水位、水动态和水均衡三方面进行验证。然而在 实际项目中，受数据限制基本上仅开展了基于水 位的验证工作，但对非稳定流模拟来说，仅用稳定 流数据校准是远不够的，当未充分验证的模型加 载各类水量、水质工况并进行非稳定流计算时，模 型可能出现水动态异常、水均衡失稳、溶质浓度出 现较大负值、溶质迁移规律明显错误和模型求解 超出误差范围与迭代次数等各类问题。故在资料 偏少的情况下，根据专业经验针对水动态和水均 衡开展半定量甚至定性的验证工作仍十分必要， 可虚拟一定数量的水位观测点，记录各类边界条 件、各含水层、重要区域和模型整体的水均衡情 况，调整模型为非稳定流并输入动态降雨数据，运行 若干年并对水动态和水均衡数据进行专业判读。
3工况情景的设计与实现
3.1弥散度
弥散度是研究污染物在土壤及地下水中迁移 转化规律的重要参数之一，弥散度随着溶质运移 距离和研究问题尺度增大而增大的现象称为多孔介质水动力弥散的尺度效应。对于造成水动力 弥散尺度效应的原因，目前趋于一致的看法是野 外条件下介质的不均匀性造成了室内试验结果与 野外试验结果之间的巨大差别。目前一般不推荐开展弥散试验工作，弥散度 参数可参照ＧｅｌｈａｒＬＷ 等对世界范围内所收 集的５９个大区域弥散资料进行的整理分析结果 确定模型所对应的参数级别，在风险最大化原则 下进行取值。
3.2污染源设置
关于工况情景的设计，考虑防渗和工况两种 因素将其分为四种情景，见表２。其中情景１、３ 模拟意义相似，但情景１可在一定程度上验证长 期渗漏的情况下防渗层的可靠性，故一般选择情 景１进行模拟，此外情景２、４分别代表长期低量 和短期高量污染下的环境风险，应作为重点模拟 情景。
将各类工况情景中的污染泄漏地点、污染物 类型、浓度和总量输入溶质模型后即可执行计算， 而污染物总量的控制和污染源强的刻画是其中的 关键问题。污染物总量的控制有两种实现方式：
①方法 １。可采用修改入渗补给量并设置定浓度边界的 方法，即将泄漏区每天的入渗补给量修改为污染 物每天泄漏的体积，并将泄漏区设置为定浓度边 界，浓度取污染物在污水中的浓度。
②方法２。采用设置注水井并施加注入浓度的方法，即将污 染物每天泄漏的体积换算到泄漏区的每个节点 上，将所有节点设置为注水井并指定注入浓度为 污染物浓度。
上述两种方法通过控制总体积和浓 度来刻画污染物总量，值得注意的是，两种方法均 有一定的缺陷和适用范围。在不考虑地面工程场 地的固化情况下，方法１改变了泄漏区的入渗补 给量，当泄漏区面积相对于模拟面积不可忽略时， 需慎用方法１。而对于方法２来说，面状污染源 的节点数较庞大，全部设置为注水井后将对水流 模型的求解产生较大影响，此方法对网格的剖分、 注水井个数及注水量等问题有着较高的设计要 求。在实际工作中，应根据具体情况进行选择，必 要时可进行多次试算来辅助判断。
对污染源强来说，将污染区设置为定浓度边 界后即为连续源强，而间断源强的控制方法是利 用时间序列加上边界限制条件。需注意的是时间 序列中的值代表的是赋值操作，并非为进入地下 水中的污染物浓度值，故需要施加限制条件以解 决此问题，即限制泄漏区范围内地下水中污染物 浓度最小值为零以使得赋值操作失效。此外在间 断时间点前后插入间隔较小的时间点，有助于模 型的求解。
原标题：【收藏】地下水环境影响评价中数值模拟的关键问题讨论
