地下水管理模型的建立步骤 地下水管理的研究步骤

地下水管理是一个广义概念，从技术和经济意义上来说，地下水管理是通过某些工程措施或技术手段把一个或几个地下水流域（或地下水系统）的地下水和地表水联合起来，在满足一定的约束条件下，通过对决策变量的操作运行，使既定的管理目标达到最优，并确定出管理问题的最佳决策方案。这一整体过程可以通过管理模型的建立和运行来完成。因此，地下水管理模型的建立步骤应该包括管理问题的确定，基本资料的收集和分析，数学模型的建立和求解，管理方案的综合评价，最佳决策方案的实施，以及反馈信息的监测和调控等。其具体步骤见图10-1。

一、管理问题的确定

管理问题的确定包括以下几方面。

（1）确定管理目标：根据管理问题和要达到的目的，概括出地下水管理目标，同时还要确定出与此目标相关联的社会、经济、环境、法律等因素的相互制约和限制条件。目标可以是一个或多个，也可以是多层次或包含多重含义。

（2）确定管理区范围：管理区范围的大小，原则上应该是一个完整的地下水系统或水文地质单元。但有时也要考虑地下水管理的行政划分或特定管理需要来圈定管理区范围。

（3）选定管理期限：地下水管理期限的长短，应根据管理目标、资料精度、地下水模型及计算方法误差来选定。一般最长的管理期以不超过五年为佳。随着地下水管理模型的运转，管理区的社会、经济、自然条件和人为作用等也在不断变化，因此，管理模型必须在管理期内做定期的修正。当管理期需要延长时，则更需要对原有的管理模型进行全面检查和修正，方可在延长期内继续管理模型的运转，以保证模型的精确度和可靠性。

图10-1 地下水模型建立步骤框图

二、基本资料的收集和分析

这是地下水管理的基础，主要包括各种资料的收集和分析、整理及合理概化，并形成水文地质概念模型，以便为地下水管理提供可靠的信息。

三、数学模型的建立和求解

以水文地质概念模型为基础，对地下水系统的特征和运动规律作进一步研究，并建立地下水模拟模型，继而对地下水系统进行动态预报和优化管理。

（一）建立地下水流状态模拟和预报模型——地下水系统的模型化

建立地下水模拟模型并对地下水系统进行预报。模拟和预报模型可以对地下水水位、水量、水质运移规律及其变化特点等进行现状模拟和预报。

（二）建立管理模型——地下水系统的最优化

运用系统分析原理，综合考虑社会、环境、经济、法律等因素，在地下水系统模拟与预报模型的基础上，建立管理模型，求解并确定地下水资源开发利用的最优决策方案。

四、管理方案的综合评价

通过地下水管理模型的建立、求解和结果分析，可以得到若干个地下水管理规划的优化决策方案，或者是这些方案中的某几个方案的组合。但是，要决定哪一个或哪几个方案的组合是最合理可行的，则要从技术、经济、环境、社会、法律等方面的效益上对各个决策方案进行综合评价，论述其可行性，最终选定一个或几个最为理想的，并且在经济、环境和社会效益等几个方面达到最佳的决策方案，使其纳入地区整体水资源管理规划范畴，以便为地区国民经济建设服务。

五、决策方案的实施运行

要实现地下水管理规划最佳决策的各种效益，就要对管理规划方案进行实施和运行。在真正实施管理规划方案时，要涉及到技术、经济、社会、环境乃至法律和制度上的问题，而这些问题与管理区的工农业生产和人民生活有直接关系，所以在管理规划实施过程中，必须与地方政府密切联系，广泛听取当地人民的意见，积极争取他们的重视和支持，使地下水管理规划方案得以顺利实施。

六、反馈信息的监测调控

为了防止和纠正地下水管理决策方案偏离既定的管理目标，需要及时了解地下水系统所处的状态和变化情况。因此，在方案实施阶段，要对地下水管理模型运转结果进行监测，以便及时掌握各种反馈信息。地下水信息的捕捉方法，除了传统的人工监测、记录、采样分析方法外，目前已有获取、传输和处理地下水各种信息的自动或半自动化的成套设备，借助于计算机，可使获得的信息以文字、表格、图形等各种方式加以显示，并反馈给管理人员。这样，就可以及时地对地下水管理规划进行调整、补充、维护，使整个系统完善运行。

最后需要说明，以上地下水管理的基本工作步骤，仅是一般性论述，在具体应用时，还要根据具体情况有所侧重，有所变化。

首先要确定地下水管理的目标，要系统地调查分析地下水系统本身及与之相关的各种因素、过程和联系，全面收集相关资料，在此基础上去粗取精、去伪存真、抽象概化，建立地下水系统的水文地质概念模型，即地下水系统的概化；然后以概念模型为基础建立地下水模拟模型，即地下水系统的模型化；再以地下水模拟模型为基础，综合考虑其他各种约束条件建立地下水管理模型，即地下水系统的最优化。
通过地下水管理模型的建立、求解和结果分析，可以得到若干个地下水管理规划的优化决策方案，或者是这些方案中的某几个方案的组合。但是，要决定哪一个或哪几个方案的组合是最合理可行的，则要从技术、经济、环境、社会、法律等方面的效益上对各个决策方案进行综合评价，论述其可行性，最终选定一个或几个最为理想的，并且在经济、环境和社会效益等几个方面达到最佳的决策方案，使其纳入地区整体水资源管理规划范畴，以便为地区国民经济建设服务。地下水管理研究工作步骤图见图2.2［108］。

图2.2 地下水管理研究工作步骤图

一、模型建立的方法
GMS软件有三种建立确定性模型的方法，包括概念模型法、网格法和Solids法。本书中所选择的方法为Solids法。不管是利用网格法或者概念模型法建模，对含水层结构进行合理的概化是其中一个重要环节，所建模型的准确性很大程度上取决于对实际水文地质条件的正确判断。若轻视对具体水文地质条件的研究，过多依赖模拟技术建立的模型，通常与实际问题相差甚远，也没有使用价值（魏加华等，2003）。当地层出现尖灭、垂向上具有多元结构、水文地质条件比较复杂时，前两种方法不能准确描述此类地层结构，也不能验证基于地质统计学插值求得的含水层顶底板高程是否与实际的钻孔资料相符。GMS中的实体模块Solids利用钻孔资料可以建立地层的三维结构可视化模型，Solids模型定义了地层结构的空间分布，可以切割生成三维显示任意方向的地层剖面（王丽霞等，2011）。
二、模型建立的步骤
利用Solids建模的步骤：
（1）在钻孔模块（borehole）中定义钻孔的坐标位置及垂向上的层位（horizon）。层位即不同地层的交线或岩性分界线。由于地层沉积通常是连续的，因此层位按照一定的次序排列。然而实际地层一般比较复杂，钻孔资料常出现地层缺失现象，遇到此种情况，将缺失的层位空出，使Solids得到的剖面和实际地层剖面相符合。
（2）根据实际的钻孔资料将相应的层位用弧线连接，同时注意地层尖灭的标示。层位连接后生成不同多边形，每个多边形表示相应的地层或岩性。
（3）在地图模块Maps中定义不规则三角网格TIN，来表示地层单元插值的表面边界。
（4）在实体模块Solids选择恰当的插值方法，由horizons生成其相应地层的Solids。如果有N个horizons则有N-1个Solids，Solids生成后即可以在模型上切割任意剖面来检验模型的三维空间结构。
（5）根据Solids数来确定所需网格的最小层数，生成三维网格并进行MODFLOW的初始化。将Solids记录的地层空间信息转成MODFLOW中含水层的顶底板标高，至此地下水三维空间结构模型建立完成。
三、建模过程中可能遇到的问题及解决方法
地下水三维可视化模型建立，首先要基本查明灌区的水文地质条件。了解灌区的地貌、地质条件、构造发育、各地层厚度等信息，需要收集和整理地下水的相关资料，包括灌区水文地质报告、构造图、地质地貌图、水文地质剖面图、电子版地理底图、等高线图、含水层顶底板高程等值线图以及钻孔数据资料等。再结合水文地质条件对含水层资料进行整理和概化。利用GMS建立地下水三维可视化模型时，尤其是在大区域建模中，可能出现3类问题（张永波等，2007；孙红梅等，2008）。
1.由于钻孔分布不均匀而导致的地层缺失
在大区域建模中，由于研究区范围较大，各部分研究程度不同，一般会引起钻孔分布的不均匀。通过不均匀分布的钻孔资料建立水文地质结构模型，可能致使部分地层产生缺失，导致结构模型失真。另外，钻孔分布均匀程度是一个相对概念，对于地形平缓、地层结构相对简单的地区，少量钻孔基本可以比较清楚地反映地层结构；对于地形起伏较大、地层结构比较复杂、构造比较发育的地区，需要较多的有效钻孔，才可能准确揭示地层分布及构造发育状况，然而实际工作中完全实现是不可能的。对于此种问题，根据研究区的地质地貌图、构造分布图及前人绘制的剖面图，对已有的钻孔数据资料进行分析和整理，在具有控制点作用的位置可以适当虚拟部分钻孔数据或者各层面的高程数据，以准确反映该区域地层结构和构造。采用扩充后的钻孔数据资料建立水文地质结构模型，可以弥补由于钻孔资料缺乏而导致的部分地层的缺失。
2.由于钻孔不够深而引起的下伏地层抬升
在钻探工作中，往往有些钻孔深度不够，不能完整地揭露地层。根据这样的钻孔数据建立水文地质结构模型时，系统默认将钻孔底部的标高作为上一层的底部界面。这样就造成下伏地层的抬升。对于这种情况，根据前人绘制的地层等厚度线及剖面图，结合四周钻孔数据对该钻孔资料进行修正，修正后的钻孔资料可以比较准确地反映地层结构。采用修正后的数据资料建立水文地质结构模型，可以有效地控制下伏地层的抬升。
3.由于钻孔资料过细而引起的地层混杂
在野外纪录的钻孔资料中，局部有透镜体形成的地层，透镜体分布的连续性相对较差。采用过细的资料建模，计算机不能分辨透镜体及连续地层，容易出现地层混杂，即将某个钻孔的透镜体地层和另一个或其他几个钻孔的连续地层分界面相连接，导致生成错误的地层结构。对于这种情况，根据该区域剖面图整理资料时，将透镜体区分出来，忽略较小的透镜体，针对较大的透镜体则另外生成地层结构。
此外，在插值计算中，由于计算方法的不同，产生的结果也许会有很大差异，这需要在进行插值计算时，根据不同的具体条件选择适当的插值方法。

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