地下水环境影响评价中数值模拟的关键问题讨论

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