Navigation:  理解地下水 > 什么是地下水模型？

地下水是无形无质的场流，在地下空间三个维度和时间维度上都存在变化，而人们又不可能把地层打成筛子在各处观测地下水。如何考察监测点之间以及监测网以外的地下水的流动和污染状态让科学家们大费脑筋。最简单的办法当然是观察水在土柱中的流动，但这一办法也有明显的缺点：我们只能在土柱两端进行控制和测量，这远远达不到科学家们要求的精度。在此基础上，人们想出了很多新奇的办法在实验室再现地下水系统，比如：

●在薄箱中使用粘稠的液体来再现地下水的流动，用液体分子间的粘滞作用来模拟地下水受到岩土的阻滞作用；

●用紧绷的薄膜代表潜水面，用钉子按压薄膜表面来代表抽水井，这时可以通过测量薄膜的变形程度来模拟潜水面所受到的影响；

●一度非常流行的电模拟法利用了电流和水流的相似性，用导电纸或是电阻网络来模拟含水层构架，而观测各点的电势即可比拟现实中地下水的水头。

这些地下水的物理模型由于各自的局限性较为明显，在二十世纪六、七十年代后逐渐退出了历史舞台，取而代之的是地下水的数学模拟。

在数值模拟成为主流前，地下水科学家常使用电流来模拟地下水流。图为美国伊利诺伊州水文调查局制作的圣路易斯市地下水电网模型，将一块块的电阻或电容填入网格中即可模拟当地的地下水流动（图片来源：www.isws.illinois.edu）

计算能力的提高将人类认知能力提高了一个维度。在计算机技术得到普遍应用之前，地下水建模属于数学物理问题，一般涉及到求解一定边界条件下的微分方程。拥有较好数学基础的水文地质学家针对多种类型的地下水系统和地下水问题给出了高度精炼的微分方程形式并求得了解析解，比较突出的有：解决承压含水层抽水问题的Theis公式和解决地形起伏的区域地下水流场问题的Toth方程。

计算机技术的快速发展和应用深刻改变了地下水流模拟的格局，微分方程是否能够求得解析解不再是地下水流模拟的决定因素，对地下水运动的数学考量不再局限于寥寥几种简单的概念性模型，而地下水模拟也不再是只有少数顶级科学家才有能力从事的工作。在计算机的辅助下，地下水建模重新变为地下水问题，模型创建者可以集中精力分析研究区的地下水赋存条件和补排规律，将模型结构和模型参数定义到离散后的模型节点上，确定模型边界条件和初始条件，而将求解地下水流场的数学工作交由较为成熟的通用代码实现。

人们对地下水模型的需求，归根结底都是为了预测未来，从而为决策提供支持，这是人类文明发展的最高表现。预测未来必须建立在充分了解过去、当前情况以及系统演变机制的基础上。有些决策单纯通过借助以往经验和对宏观情况的把握就可以做出，而另外一些情况下人类的认知能力无法系统地整合已有的信息进行预测，这时就需要借助一些外在工具，而地下水模型是帮助地下水工作者进行预测的最好工具。

在电脑上打开某个应用软件，输入一些参数并运行得到预测结果，这一过程并不能称之为地下水模拟工作。地下水模拟工作的核心是深入理解研究区地下水赋存和运移规律，选择适当的数学工具对问题进行表征和求解，创造性地使用可用信息对模型进行校正，其后才可以对现实世界进行一定程度的预测，而且这一预测结果必须经过审慎考察方能使用。

由于地下水循环的不确定性较高，在创建地下水模型时极少遇到初始的模型结构和参数就能再现现实世界，所以建立地下水模型的重要工作之一就是使用现场测得的水位、水量、水质信息对模型进行校准和验证，在合理范围内反复调整模型结构和参数，只有当模型的可靠性得到充分验证后，方可使用此模型进行更深入的工作。