地下水环境影响评价中数值模拟的关键问题讨论

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。