如何概化地下水系统？ |
  
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如何概化地下水系统？ |
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在牛顿使用精炼的数学语言总结了世间万物的运动规律之后，科学界在振奋之余开始冒进，认为可以用机械运动解释任何事物，包括人的感情——只要观察得足够精细。这种狂妄情绪很快在19世纪自然科学的发展中消退下来，人们毕竟不可能掌握世界运行的所有细节。地下水亦然，如果我们沿用传统的分析思维，纠结于每一块砾石的形状、每一粒水滴的来源，则必然会陷入不可知论的泥潭。认识地下水必须从系统论出发，将现实世界高度精炼，定义地下水系统的水力边界，将纷繁复杂的地质体抽象为若干个含隔水层，抓住地下水运动的主流特征，定义含水层的渗透性能……这一过程就是地下水系统的概化。
地下水系统的概化是一门艺术，不会百分之百正确，也不会亘古不变，是随着资料的收集、调查的深入不断完善的过程。在此过程中需要掌握简单性与精确性的平衡，若一味追求简练，要以牺牲精度为代价，实用性不强；一味追求精度，系统过于复杂和不透明，校正和维护起来也越发困难。1983年，有西方学者发表了一篇评论文章“皇帝没有新装”，批评当时的地下水界在地下水系统概化时过于简化，数据过少。事隔15年，同一位学者又发表了一篇文章“皇帝有太多新装”，指出当时地下水工作者倾向于使用过于复杂的模型，考虑过多的过程。
进行地下水系统概化的最终目的通常是进行数学计算，而这些计算几乎必然由计算机来完成。这时，地下水系统概化的目标就变得更为具体，即将现实世界的参数与性质转换为标准的、面向高速计算工具的数据流，具体包括：
边界概化：边界条件即地下水系统与周边水系统的补排关系。常见的自然边界有地表水体边界、断层边界、抽（注）水井、岩体接触边界、分水岭等。有时所考察的地下水系统并不存在上述明显的自然边界，就需要根据具体情况划定人为边界。在概化后的系统中，这些边界会遵循各种方式向系统提供或从系统移除地下水，从而对地下水系统进行控制。这些边界中控制性最为强烈的是定水头边界，意即不论系统内地下水如何变化，边界上恒定保持某一固定的水头值，并且可以无限量地提供或移除地下水流，大江大河、湖泊海洋经常被定义为定水头边界。控制性最弱的边界是定流量边界，即此边界总是通过给定的速率提供或移除地下水，抽水井、降雨入渗、分水岭等常常被定义为定流量边界。其他类型边界都是这两类边界的组合或变种。
地层概化：一个社会中的阶级划分不是一成不变。同样，一个含水系统中有多少个含水层，每个含水层的富水和导水性质如何也是需要根据研究目的、现存资料、计算能力等客观条件概化而来。以一个泥砂互层的潜水含水层为例，在考虑水源供水问题时，可以忽略含水系统中的若干泥质隔水层，而把整个系统概化为一层；但在考虑污染问题时，局部隔水层的存在可以实质性地影响污染物的运移，这时就应把含水系统概化为若干个含水层和隔水层。同一个含水层之内，各处的渗透性和富水性也不尽相同，也需要使用“均质-非均质”、“各向同性-各向异性”等范畴对含水层参数进行概化。
经过概化后，真实世界中的地下水系统被简化成为一系列具有明确边界和属性的对象和过程（图片改编自：ca.water.usgs.gov）。1.潜水和承压含水层；2.作为隔水边界的断层；3.泥砂互层的含水层；4.隔水层；5.河流；6.泉和排水渠；7.季节性河流； 8.水库；9.降雨和灌溉入渗；10.蒸发蒸腾作用；11.抽水井
流场概化：一个实际的含水层中，地下水的流动严格来讲是三维的，但多数场合允许简化成二维流处理。如在多层含水层中，将同一层中的流动当做二维流；在供水条件下，若含水层的平面展布范围很广并且井中的降深相对较小时，地下水流动基本上是水平的，则可视为二维水流；降落漏斗中心附近的三维流一般很明显，但降落漏斗以外，流动基本上还是二维的。多数情况下，为了建模和简化计算而将三维流近似概化为二维流来处理，其计算结果在一定限制条件下可以接受。然而，当存在区域漏斗或较大降深时，这种概化将使计算失真，应当按三维流问题处理。对地下水流动状态的概化，还可以使用“稳定流-瞬时流”、“层流-越流”等范畴，理论性较强，在此不再赘述。