共水水文地质计算 文章节选nbsp; 一
当今地下水水文学，即水文地质学的一个重要发展趋势是定量化、计算机化和智能
化。虽然从20世纪60年代以来，我国在水资源评价中已逐步引进和发展了有限元和有限
差分等数值方法，同时也出版了许多这方面的专著和译著，但还没有一本完全采用计算机
方法解决供水水文地质计算问题的研究生教材。
李云峰教授多年从事地下水水文学的教学和研究工作，曾在国内外杂志上发表了大量
关于供水水文地质计算的学术论文，受到专家的赞赏，其教学和科研成果得到公认和好
评。李教授针对许多大学本科毕业生和研究生走上工作岗位仍不具备上机完成较复杂水文
地质计算能力和不会自己动手编制常用水文地质计算程序、独立实现相应计算的局面，编
著了这本《供水水文地质计算》研究生教材，不仅填补了国内的一个空白，而且具有理
论意义和实用价值。
《供水水文地质计算》一书全面系统地介绍了供水水文地质计算中存在的主要计算问
题，其中包括多种条件下的潜水、承压水二维有限元水量计算问题，多种条件下的二维流
承压水解析法计算问题，多种条件下的抽水试验水文地质参数计算问题，预测方案中井内
水位问题，水源地开采对环境的评价问题等。在三维流数值模拟计算中，简要介绍了当前
在全世界普遍使用的MODFLOW、Visual MODFLOW、FEFLOW三种软件的使用和操作步
骤。书中还列出了所有源程序和实例，可供读者使用。特别应当指出的是该书所特有的内
容：第七章供水水质评价的计算问题，针对数十年来地下水对混凝土侵蚀评价方法中存在
的两大缺陷：①水样间的侵蚀性指标没有可比性、不能独立地构成鉴定标准；②难以定量
地绘制各类侵蚀分区图等，推出了多个新的判别式，包括两种分解性侵蚀判别式、一种结
晶性侵蚀判别式、一种分解结晶复合性侵蚀判别式，实现了定量绘制各类侵蚀分区图的功
能；第八章地下水污染评价有关的计算问题。
总之，该书系统性、逻辑性强，在学术方面有创新见解，文字简明通顺，极具可读
性，是一本优秀著作和研究生教材。前 言
《供水水文地质计算》是在水文地质基本理论指导下，介绍供水水文地质计算方法的
教材，其任务是使研究生学会在水文地质理论指导下利用先进的计算机技术实现一系列繁
琐、复杂的供水水文地质计算，培养研究生上机进行科学计算的能力。这门课是一门理论
性、实践性均很强的课程。
自从1945年计算机面世以来，人类开始迈进了“智能化社会”，尤其是1956年第一
个高级语言FORTRAN问世以来，计算机技术迅猛发展，过去许多无法完成的复杂的科学
计算得以实现，目前大量的水文地质计算也必须通过计算机来完成。由于课程及时间等因
素，水文及水资源工程专业、水文地质专业、地下水科学与工程专业、环境工程专业的本
科生，直到其毕业走上工作岗位，大部分仍不具备上机完成较复杂水文地质计算的能力；
而刚考取水文学与水资源专业、地下水科学与工程专业的硕士研究生也没有摆脱此种状
况。因此，在攻读硕士学位的阶段，必须非常重视研究生这项能力的培养。如果毕业后仍
不能胜任水文地质专业较复杂的计算，这样的研究生，在走上工作岗位后是很难完成水文
地质专业高层次生产和科学研究任务的。
尽管目前有大量成熟的、先进的、效率很高的水文地质计算软件供人使用，但是，作
为经常从事复杂水文地质计算的高层次科技人员，在学会使用别人研制的、现成水文地质
计算软件的同时，如果不能自己动手编制常用的水文地质计算程序实现相应的计算，则犹
如只用一条腿走路，是十分不方便的。本教材的内容，着重培养研究生自己动手编制常用
水文地质计算程序实现相应计算的能力。
本教材中的内容是作者最近二十多年来科研工作中的一部分研究内容，教材涉及的主
要计算问题是供水水文地质必不可少的，其中包括多种条件下的潜水、承压水二维流、准
三维流有限元水量计算问题、多种条件下的二维流解析法水量计算问题、多种条件下的抽
水试验水文地质参数计算问题、预测方案中井内水位问题、水源地开采对环境影响的评价
问题、供水水质评价的有关计算与绘图问题、地下水污染评价有关的计算与绘图问题，等
等。对于三维流数值计算，则简要介绍了当前在全世界使用最普遍的MODFLOW、Visual
MODFLOW、FEFLOW三种软件，对Visual MODFLOW、FEFLOW还结合例题重点介绍了
其使用、操作步骤，附有例题的全部原始数据；上述内容均是水文学与水资源专业、地下
水科学与工程专业的硕士生必须掌握的。
教材中列出的所有源程序全部由作者编制并经过多次使用无误后从FORTRAN90编辑
窗口中用拷贝命令直接复制到本书稿的电子文档中的，当读者把书中源程序输入到空白的
FORTRAN90编辑窗口中后，可直接存盘、编译、顺利地生成*．exe应用程序，投入运行。主要计算程序均逐段附有汉字注释，方便读者快速阅读、理解，甚至修改、调试源程
序；大部分计算程序配套有例题的完整原始数据文件、配套有一个用于检验计算是否正确
的输出数据文件，便于读者上机练习。
全书共分八章，第五章几种三维流数值计算软件的简要介绍由万伟锋博士翻译编写、
李云峰修改(其中的“5．1_4 MODFLOW在我国西北地区的一个应用实例”由李云峰完
成)；其他七章，包括全部源程序的编制、配套例题、插图的绘制，均由李云峰完成。
本教材初稿完成之后，承蒙煤炭科学研究总院西安研究院博士生导师李竞生教授、长
安大学博士生导师钱会教授审查，他们提出了宝贵的修改意见并为本书写了序，在此表示
衷心地感谢!
本教材为长安大学2006年度立项教材，得到了长安大学教材出版经费资助，在此表
示感谢!
教材排版印刷过程中，作者的学生万伟锋博士、付晓刚硕士、张希雨硕士、何建军硕
士、郭婷婷硕士参与了书稿的校对工作，在此一并表示感谢!
因编写匆忙，不尽如人意之处在所难免，敬请读者谅解。
作者 李云峰
2007年6月于西安5 几种三维流数值计算软件的简要介绍
三维流数值模拟是非常复杂而繁琐的工作。近二十年来，随着科学技术的高速发
展，在人机交互、计算机图形学等可视化技术推动下，国际上地下水模拟软件得到了巨大
发展，出现了一批功能强大的数值模拟软件。本书简单介绍MODFLOW、Visual MODFLOW、
FEFLOW三种。
5．1 MODFLOW简介
5．1．1 MODFLOW的发展及应用范围
5．1．1．1 MODFLOW的问世及发展
MODFLOW是在国际上免费公开的地下水流模拟软件，其程序和源代码以及相关说明
文件都是公开的，读者可以到美国地质调查局网站上免费下载、学习、使用MODFLOW，
可以说是一款免费共享软件。
MODFLOW是英文Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water flow model
(模块化三维有限差分地下水流模型)的简称。由美国地质调查局(U．S．Geological Sur．
vey)的McDonald和Harbaugh于20世纪80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水
流动数值模拟的软件㈠。
在MODFLOW问世之前，美国地质调查局已经先后开发了一系列用于模拟地下水二
维和三维流动的计算机程序并已在美国地质调查局内广泛使用。MODFLOW就是在这些早
期工作的基础上发展起来的。其目的就是发展一套容易修改、实用的计算机软件供水文地
质工作者使用。此外，由于当时计算机硬件的限制，开发MODFLOW的另一个要求是能
有效地利用计算机的内存以及提高运算速度
MODFLOW最初由FORTRAN66版本写成，后来原作者又在1988年将其移植为
FORTRAN77语言。虽然最近Harbaugh等人又将MODFLOW用FORTRAN90语言重写，并
称为MODFLOW96，但在内容上MODFLOW96与MODFLOW88并没有太大的差别。经
过不断的更新和子程序包的陆续开发，2000年7月，美国地调局推出了MODFLOW2000，
此后又陆续增添了许多子程序用来模拟和解决各类实际问题，软件的功能也得到极大的加
强，目前MODFLOW最新的版本是MODFLOW2005，于2006年1月在网上公开发布。
5．1．1．2 MODFLOW的应用范围
MODFLOW除了模拟地下水在孔隙介质中的流动外，也可以用来解决许多与地下水在
裂隙介质中的流动相关的问题，经过合理的线性化处理后还可以用来解决空气在土壤中的
运动问题。将MODFLOW与其他溶质运移模拟的程序相结合，还可以模拟如海水入侵等
以地下水密度为变量的问题。自问世以来，MODFLOW在全世界科研、生产、环境保护、
城乡发展规划、水资源利用等许多领域和部门得到了广泛的应用，已经成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序㈠引。
5．1．2 MODFLOW的特点
5．1．2．1 MODFLOW的最显著特点是采用了模块化的结构
这里所说的模块化结构是指由一个主程序和一系列具有高度独立性的子程序——即模
块所组成的计算机程序结构。它一方面将许多具有类似功能的子程序组合成为子程序包，
另一方面用户可以按实际工作需要选用其中某些子程序包对地下水运动进行数值模拟。此
外，这种模块化结构使程序易于理解、修改，甚至添加新的子程序包。自从MODFLOW
问世以来，已经有许多新的子程序包被开发出来，用来解决MODFLOW本身不能解决的
问题。例如，1989年Prudic开发出了模拟河流与含水层之间水力联系的河流子程序包；
Leake和Prudic 1988年、Hoffmann和Leake 2003年开发出了模拟由于抽水引起地面沉降的
子程序包；Hsieh和Freckleton 1993年开发出了模拟水平流动障碍(Horizontal flow-barn—
er)的子程序包；Halford和Hanson 2002年开发出了模拟限制降深抽水条件下的混合井流
子程序包等。这些新子程序包的加入，大大提高了MODFLOW的应用范围。虽然
MODFLOW本身仅限于模拟地下水在孔隙介质中的流动，但大量实际工作表明，只要恰当
使用，MODFLOW也可以用来解决许多地下水在裂隙介质中的流动问题。不仅如此，经过
合理的线性化，Guo 1995年把MODFLOW用来解决空气在土壤中的流动问题。Guo和
Bennett 1997年将MODFLOW与其他用于溶质运移模拟的程序结合起来，用来模拟诸如海
水入侵等地下水密度为变量的问题。MODFLOW之所以能得到如此广泛的应用，一个很重
要的因素就在于其设计上的合理性。参与MODFLOW设计、编程的工作人员大多都是具
有丰富实际经验的著名水文地质学家。因此，MODFLOW的使用说明书本身就是一部关于
地下水数值模拟方面的教科书，很值得广大水文地质工作者阅读参考。
5．1．2．2离散方法简单
包括空间上的离散、时间上的离散。
在空间的离散上，MODFLOW对含水层采用三个轴向上不等距正交的长方体剖分网
格，这种网格的优点在于用户易于准备数据文件，便于文件的规范化输入。
在时间的离散上，MODFLOW模拟系统引入了应力期的概念，可以把整个模拟期划分
为外应力(如抽水量、蒸发量、补给量等)保持不变的若干个应力期，每个应力期可再
细划分为若干个时间段。比如以季度长度为应力期，以天的倍数为时间段。在同一个应力
期中，各时间段既可以等步长，也可以几何序列逐渐增长；通过对有限差分方程组的求
解，可得到每个时间段末刻的水头值。
5．1．2．3求解方法多样化
求解的方法可以分为直接求解方法和迭代求解方法。MODFLOW原来含有两种迭代求
解子程序包：SIP方法(或称为强隐式法)、SOR方法(或称为逐次超松弛迭代法)。由
于MODFLOW的模块化结构，Mary Hill于1990年设计增加了一种新的迭代子程序包，即
PCG子程序包，该子程序包采用PCG方法(或称为预调共轭梯度法)迭代求解。
对于MODFLOW的多个求解子程序包，一方面，用户可以根据问题的实际情况选用
比较合适的求解方法；另一方面，对于某一特定的实际问题，由于水文地质条件的复杂
性，用户选择不同的求解子程序包可能都会收敛，也可能只收敛于一种(或几种)求解方法而不收敛于另一种(或几种)求解方法。通过我国国内多项实践应用，PCG法和SIP
法实用可靠，而运用SOR子程序包求解的结果精度低，不宜采用。
5．1．3 MODFLOW子程序包功能
MODFLOW包括一个主程序和一系列相对独立的子程序包。每个子程序包又包括多个
模块和子程序。
标准1988年版MODFLOW所包括的子程序包分两大类：①水文地质子程序包；②求
解子程序包。
其中的第一大类水文地质子程序包：包括一些与外应力有关的用于计算有限差分方程
组系数矩阵的子程序包，以及用于计算各单元间地下水渗流量的BCF子程序包(Block
Centered Flow)，还包括外应力子程序包，分别用于模拟不同的外应力对地下水运动的影
响。例如，河流子程序包可以用来计算地表水体与含水层之间的水力交换。
第二大类求解子程序包：用于求解线性方程组，MODFLOW88含有两种迭代求解方
法，即松弛因子法(SSOR)和强隐式法(SIP)。此外，还有一个基本子程序包，其作用
是完成一个模拟的基本任务，如模拟时间的划分等，这个基本子程序包称为“BAS'’子程
序包。
5．1．4 MODFLOW在我国西北地区的一个应用实例
这里以甘肃省西华水源地三维流数值法计算为例，来看一下其计算概况(李云峰，
钱会，1998)。
西华水源地为南纳河冲洪积扇型水源地，为单一潜水含水层，含水层由第四系冲洪
积层构成，非均质，各向同性。水源地南侧由第三系甘肃群构成隔水边界，水源地上
游地下水经冲洪积层潜流人水源地，构成上游地下径流补给边界，水源地下游以仙姑
山为界，构成南段、北段两段地下径流排泄边界，地下水潜流出区外，而仙姑山则由
隆起地表的甘肃群构成隔水边界。在水源地北边界，即王寨村一蔺家沟村区段，南纳
河北支流本身构成水头边界，南纳河北支流汇集地下水排泄量后从水源地东北角流出
区外。水源地的基底由第三系甘肃群构成隔水底板，无承压水顶托补给。西华水源地
不同于一般山问河谷型水源地的一大特点是受仙姑山隆起的影响，水源地的中轴线
(南西一北东向，恰是仙姑山隆起的延伸)基底面明显高于两侧，这里第四系厚度很
小，枯水季节地下水位下降后在上安塬村北形成较大区域(1．94km2)的无水区，构成
水源地内部的封闭隔水边界。水源地的上边界即潜水面边界有垂向水量交换，在水位
埋深<5m的区段有潜水面蒸发排泄(分布在水源地的东南及东部地区，1．5046km2)。
水源地常年有泉水排泄。雨季水源地有降雨人渗补给及南纳河南支流一干河河水渗漏
补给，常年有南纳河北支流河水渗漏补给。
共水水文地质计算 |
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