陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献.pdf

第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3焦赳赳,万军伟,王旭升,等.陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1-1 4.J i mm y J i u J i a o,W a n J u n w e i,W a n g X u s h e n g,e t a l.P r o f.C h o n g x i C h e ns a c a d e m i c r e s e a r c h c o n t r i b u t i o n s i n t h e a r e a o f h y d r o-g e o l o g yJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1-1 4.基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 5 7 2 2 0 8)作者简介:焦赳赳(1 9 6 3),男,教授,博士生导师,主要从事水文地质教学和科研工作。E-m a i l:j j i a o h k u.h k E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献焦赳赳1,万军伟2,王旭升3,胡立堂4(1.香港大学地球科学系,香港 9 9 9 0 7 7;2.中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 4 3 0 0 7 8;3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 1 0 0 0 8 3;4.北京师范大学水科学研究院,北京 1 0 0 8 7 5)摘 要:陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究,取得了丰硕的学术研究成果。对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献进行了系统的总结评述,主要包括3个方面:开展了地下水动力学的理论创新研究,纠正了历史上“影响半径稳定井流”模型的错误,提出了一系列特殊水文地质问题的解析模型,改进和拓展了经典井流模型;持续探索水文地质模拟方法,研究形成了一系列提高地下水模拟仿真水平的技术方法,包括滨海区地下水的等效排泄边界、渗流-管流耦合模型、岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型、地下水开采-地面沉降模型等,研发了独具优势的地下水流模拟软件P GM S;提出地下水可持续开采量评价的补排增量理论,完成我国多个典型区域的地下水模拟,为科学评价地下水资源起到示范作用。陈崇希教授的创新研究对我国水文地质学的发展起到了重要的推动作用。关键词:地下水动力学;井流模型;水文地质模拟;可持续开采量;模拟要素仿真2 0 2 3-0 4-2 7收稿;2 0 2 3-0 6-0 1修回;2 0 2 3-0 6-0 2接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-1 4d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 3 0 2 3 8 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):P r o f.C h o n g x i C h e ns a c a d e m i c r e s e a r c h c o n t r i b u t i o n s i n t h e a r e a o f h y d r o g e o l o g yJ i mm y J i u J i a o1,W a n J u n w e i2,W a n g X u s h e n g3,H u L i t a n g4(1.D e p a r t m e n t o f E a r t h S c i e n c e s,T h e U n i v e r s i t y o f H o n g K o n g,H o n g K o n g 9 9 9 0 7 7,C h i n a;2.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t S t u d i e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a;3.S c h o o l o f W a t e r R e s o u r c e s&E n v i r o n m e n t,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(B e i j i n g),B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a;4.C o l l e g e o f W a t e r S c i e n c e s,B e i j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 8 7 5,C h i n a)A b s t r a c t:S i g n i f i c a n c eP r o f.C h o n g x i C h e n h a s l o n g b e e n e n g a g e d i n t e a c h i n g c o u r s e s,p e r s o n n e l t r a i n i n g a n d s c i e n t i f i c r e s e a r c h i n t h e f i e l d o f h y d r o g e o l o g y,w o r k i n g d i l i g e n t l y a n d i n n o v a t i v e l y,a n d h a s a c h i e v e d f r u i t f u l a c a d e m i c r e s e a r c h r e s u l t s.P r o g r e s sT h i s a r t i c l e m a k e s a s y s t e m a t i c r e v i e w o f P r o f.C h o n g x i C h e ns a c a d e m i c c o n t r i b u t i o n s i n t h e f i e l d o f h y d r o g e o l o g y,m a i n l y i n c l u d i n g t h r e e a s p e c t s:C a r r y i n g o u t i n n o v a t i v e a n d t h e o r e t i c a l r e s e a r c h o n g r o u n d w a t e r h y d r a u l i c s.H e c o r r e c t e d t h e h i s t o r i c a l m o d e l e r r o r o f s t e a d y-s t a t e w e l l f l o w w i t h i n t h e i n f l u e n c e r a d i u s,d e v e l o p e d a s e r i e s o f a n a l y t i c a l m o d e l s f o r s p e c i a l h y d r o g e o l o g i c a l p r o b l e m s,a n d i m p r o v e d a n d e x t e n d e d c l a s s i c a l w e l l f l o w m o d e l s.C o n t i n u o u s l y e x p l o-r i n g h y d r o g e o l o g i c a l s i m u l a t i o n m e t h o d s.H e p r o p o s e d a n u m b e r o f t e c h n i q u e s a n d m e t h o d s t o i m p r o v e t h e h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 e m u l a t i o n a l l e v e l o f g r o u n d w a t e r s i m u l a t i o n,s u c h a s t h e e q u i v a l e n t s u b m a r i n e d i s c h a r g e b o u n d a r y o f c o a s t a l g r o u n d w a t e r,t h e c o u p l i n g s e e p a g e-p i p e f l o w m o d e l,t h e l i n e a r-n o n l i n e a r f l o w m o d e l i n t r i p l e K a r s t m e d i a o f c a v e-f r a c t u r e-p o r o u s a n d t h e g r o u n d w a t e r w i t h d r a w a l-l a n d s u b s i d e n c e m o d e l,e t c.H e a l s o d e v e l-o p e d a u n i q u e a n d a d v a n t a g e o u s s o f t w a r e f o r g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n,P GM S.P r o p o s i n g a t h e o r y o f r e c h a r g e-d i s c h a r g e c h a n g e s f o r t h e e v a l u a t i o n o f t h e s u s t a i n a b l e g r o u n d w a t e r e x t r a c t i o n.H e c o m p l e t e d g r o u n d w a t e r m o d e l l i n g i n s e v e r a l t y p i c a l r e g i o n s i n C h i n a,w h i c h p l a y e d a d e m o n s t r a t i o n r o l e f o r t h e s c i e n-t i f i c a s s e s s m e n t o f g r o u n d w a t e r r e s o u r c e s.C o n c l u s i o n s a n d P r o s p e c t sP r o f.C h o n g x i C h e ns i n n o v a t i v e r e s e a r c h h a s p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l e i n p r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f h y d r o g e o l o g y i n C h i n a.K e y w o r d s:g r o u n d w a t e r h y d r a u l i c s;w e l l f l o w m o d e l;h y d r o g e o l o g i c a l m o d e l l i n g;s u s t a i n a b l e y i e l d;e m u-l a t i o n o f m o d e l l i n g e l e m e n t sR e c e i v e d:2 0 2 3-0 4-2 7;R e v i s e d:2 0 2 3-0 6-0 1;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 6-0 2 陈崇希先生于1 9 3 3年出生,于1 9 5 6年毕业于北京地质学院水文地质与工程地质专业,毕业后留校任教,后随迁到武汉继续在中国地质大学工作,直至2 0 0 5年退休。陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究,辛勤耕耘、锐意创新,取得了丰硕的学术研究成果。在陈崇希教授九十华诞之际,笔者回顾了陈先生数十年来的研究历程,深入学习了陈先生的学术思想和创新思维,获益匪浅。本文的主旨,是对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献做出系统的总结评述!1 地下水动力学理论研究1.1纠正了历史上“影响半径稳定井流”模型的错误,恢复D u p u i t“圆岛模型”的原貌法国科学家D u p u i t提出的地下水稳定井流模型1,是地下水动力学经典模型。在2 0世纪5 0年代,该模型通过前苏联的地下水动力学教材2、以“影响半径”模型的方式传入我国。当时,欧美国家也在使用“影响半径”模型3。陈崇希教授1 9 6 6年在编著教材4时对该模型提出质疑,证明不管初始是静止还是稳定流状态,在抽水形成的降落漏斗扩展到含水层边界之前、或者对于无界含水层而言均不可能形成稳定流,即“影响半径稳定井流”模型是不成立的。陈崇希教授1 9 7 4年提出把“影响半径稳定井流模型”改为“圆岛模型”才能形成稳定流5,直至1 9 8 1年底,委托刘存富教授从法国巴黎国家图书馆复印到D u p u i t(1 8 6 3年)的原著,才见到“庐山真面目”。原著所表述的正是陈崇希教授1 9 7 4年提出的“圆岛模型”。为此,陈崇希教授对1 9 7 5年交给出版社而迟迟未能出版的 地下水不稳定井流计算方法 进行了修订,引用D u p u i t原著的“圆岛模型”图示。该教材1 9 8 3年正式出版6。陈先生1 0多年执着追踪,纠正了这个问题在水文地质文献中长时期的误用7-8。陈崇希教授认为,早期为了应用而提出“影响半径模型”是可以理解的,但1 9 3 5年T h e i s9提出不稳定井流模型之后,仍然在无界含水层中套用“影响半径模型”就属于南辕北辙了。由于“影响半径”稳定井流模型的误用,伴生出来方方面面的问题,其中之一就是对“富水性”概念的错误认识1 0-1 1,至今文献上仍然经常出现,应当注意纠正。1.2独立提 出解释孔隙 和裂隙介质渗 透系数的水力模型渗透系数是描述地下水运动的基本参数,来源于D a r c y定律,长期作为经验参数对待,缺乏物理实质的论证。陈崇希教授在1 9 6 6年编著的教材中,独立提出了孔隙介质的圆管束水力模型和裂隙介质的平直窄缝水力模型,建立了渗透系数的推导方程4。后来得知,西方国家一些学者在1 9 5 0-1 9 7 0年代也进行了解释D a r c y定律的类似研究,以色列学者B e a r对此进行了详细总结3,其中孔隙介质毛细管模型与陈崇希教授提出的圆管束水力模型一致,裂隙介质的平行缝隙模型与陈崇希教授提出的平直窄缝水力模型基本一致。陈崇希教授是同时期在国内独立开展相关研究的极少数学者。1.3提出层状非均质潜水含水层中地下水不稳定井流解析模型层状非均质潜水含水层,是自然界中常见的含水系统。自美国学者T h e i s首先提出地下水不稳定井流公式9以来,绝大多数不稳定井流解析模型都限于均质含水层,未能处理层状非均质潜水层的抽水问题。这种井流问题具有较高的复杂性,即随着抽水过程中地下水位的下降,不仅导水系数(渗透系数与饱水带厚度的乘积)随时空变化,其重力给水度也由于潜水面穿越不同层位而发生变化,导致地下水流控制方程具有很强的非线性特征。陈崇希教授在1 9 8 1年利用吉林斯基势函数提出一种解析模型,巧妙地采取分时段考虑导水系数与重力给水度平均值的变化,从而获得层状非均质潜水层定流量抽水条2 第4期焦赳赳等:陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献件下、不同时间潜水降落漏斗的分布1 2。荷兰学者H e m k e r在1 9 8 5年对层状非均质有越流承压含水层的井流进行了研究1 3,但所提出的是半解析模型。1.4发展了承压-无压井流问题的解析理论虽然承压-无压井流是经常遇到的水文地质问题,特别是在地下水位需要大降深疏干的矿山地区,但由于其复杂性,国内外有关专著和教材很少提及,或者避而不谈1 4,或者仅仅涉及极为罕见的圆形定水头边界轴对称单井稳定流模型1 5。早在1 9 7 4年接受河北省邯郸市中关铁矿疏干排水预测任务时,陈先生就曾建立了矿区常见的层状非均质含水系统地下水不稳定承压-无压井流解析模型1 6-1 7。此后陈崇希教授牵头合作研究,建立了单井地下水不稳定承压-无压井流的解析模型和定水头边界附近多井非轴对称承压-无压稳定井流的解析模型1 8-2 0。1.5发展了泉流量衰减的解析模型枯水期岩溶泉流量的衰减是一种重要的水文地质现象。M a i l l e t在1 9 0 5年提出的岩溶泉流量衰减方程可以用来确定岩溶泉流量的衰减系数2 1,在国内外被普遍使用,其结果可成为评价岩溶含水层水资源和水动力特征的依据。这个衰减系数的形成机理及其与含水层参数的关系一直不清楚。林敏、陈崇希两位教授对此开展合作研究,构建了几种类型泉域地下水在层流和紊流状态下的水力学模型,获得岩溶泉流量衰减的解析方程2 2,揭示了衰减系数与含水层基本参数之间的关系,也从机理上阐明了岩溶泉流的动态规律。该成果略作改进后编入地下水动力学教材2 0。1.6提出地下水混合抽水井流的解析模型对于混合抽水井的处理,国际上存在流行的“混合抽水井各层流量按导水系数分配”的方法2 3。此法的提出者并未给出其理论依据。陈崇希教授对此进行了深入研究,建立了地下水混合抽水井流的解析模型,得出若干重要的基本规律,其中“混合抽水井各层流量按导水系数分配”需要满足的条件是各层的压力传导系数(水头扩散系数)相等2 0,2 4。此条件一般情况下不成立,对MO D F L OW处理混合抽水井的模拟方法是个极大的约束。1.7放宽了T h e i s井流模型和H a n t u s h井流模型的适用条件T h e i s不稳定井流模型是地下水动力学中极重要的理论和应用模型,但其所要求的初始水头面为水平条件,自然状态几乎不可能,限制了该模型的应用。陈崇希教授对此做了严格的分析论证,表明无需满足此条件,只要初始地下水流属于稳定状态即可6,1 6,2 0,2 5-2 6。对于地下水不稳定流的初始条件,陈崇希教授指出对抽水试验的实测数据进行(抽水前)自然动态矫正后也可以近似应用。这样就大大地放宽了T h e i s公式的适用条件。除此之外,T h e i s井流模型还假定“水头下降引起地下水从储存量中的释放是瞬时完成的”,陈崇希教授用实例分析了这个假定与实际条件不符的种种因素6,2 0,2 6。王旭升等2 7-2 8通过引入弹性薄板理论,建立了承压含水层井流-顶板弯曲效应的解析模型,结果支持了上述见解。越流含水层系统的H a n t u s h井流模型2 9是对T h e i s模型的重要发展。该模型的初始条件:主含水层与相邻含水层的水头都是水平的且相等。这个要求极大地限制了模型的应用。与T h e i s模型一样,陈崇希等6,2 0,2 5-2 6对此作了严格的分析,结论是可以把这个模型的应用条件放宽为:主含水层的初始水头面可以是非水平的,而且与相邻含水层(地表水体)的水头可以不一致,只要初始地下水流为稳定状态。尽管仍然保留了H a n t u s h井流模型要求相邻含水层的水头在抽水过程中保持不变的条件,这样的论证也大大放宽了H a n t u s h井流公式的适用条件。1.8考虑入渗补给改进D u p u i t模型及T h e i s模型地下水的补排主要表现为垂向入渗补给、蒸发排泄及与地表水发生交换形成的侧向补给、排泄。地下水可持续开釆量的评价原则涉及补给的增量与排泄的减量。因此地下水开采的预测模型应包含上述两类的补排因素,否则不能满足要求。然而,地下水动力学解析法中的几个基本的井流模型,例如经典的D u p u i t圆岛稳定井流模型1及T h e i s不稳定井流模型1 1,包括釆用镜像井表示其侧边界(河流边界及隔水边界)作用的模型,它们有一个共同的特点,即不考虑入渗补给和蒸发排泄。这样一来,这些解析模型基本上不能够用以预测,而只能在旱季用以井流试验求取含水系统的参数。这是当前解析法井流模型的一个非常大的缺憾。近年来,陈崇希教授申请获得国家自然科学基金项 目,开 始 系 统 性 地 研 究 改 进D u p u i t模 型 和T h e i s模型,把入渗补给考虑在模型中并推导出解析解。至今,已经发表2篇这方面的研究论文3 0-3 1。后来才发现,某些国外专著中已经提出了具入渗补给的D u p u i t圆岛稳定井流模型,但没有受到重视。陈崇希教授认为这是基础理论问题,并进一步建立具入渗补给的层 状非均质含 水 层 稳 定 流 圆 岛 模型3 2、具入渗补给的层状非均质含水层T h e i s不稳定井流模型等,后续将贡献更多研究成果推动井流解析理论的发展。3h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 1.9质疑现有孔隙介质非D a r c y流公式的通用性,提出新的试验方案在研究孔隙介质非线性渗流问题的过程中,陈崇希教授对常用非D a r c y流公式(如F o r c h h e i m e r公式)的通用性提出质疑,认为粗颗粒孔隙介质中的紊流与粗糙圆管紊流N i k u r a d s e试验中相对粗糙度达到极限状态高度相似,光滑紊流区几乎不存在,提出“孔隙介质渗流的N i k u r a d s e试验”方案来探究孔隙介质非D a r c y流的实际特征3 3。陈先生这个设想在他参与的一个国家自然科学基金项目得到实现,万军伟等3 4、H u a n g等3 5-3 7开展一系列粗糙圆管试验,取得了新的认识。2 水文地质模拟方法研究2.1提出“防止模拟失真、提高仿真性是数值模拟的核心”数值模拟是区域地下水资源评价和地下水开采-地质环境(地面沉降,海水入侵等)及生态环境恶化等问题最重要的方法。然而,不少数值模型的设计存在种种问题,例如,模型设计与区域水文地质条件不符,水文地质要素的模拟方法违背地下水流动机理,在此情况下盲目追求“拟合”,这是不会获得好效果的。为此,陈崇希教授强调“合理设计水文地质模型,采用符合水流机理的模拟方法,只有在此基础上,才有真正意义上的 拟合 可言”,提出“防止模拟失真、提高仿真性是数值模拟的核心”3 8。这对水文地质模拟者来讲,是非常重要而中肯的提醒。2.2提出模拟滨海区含水系统的等效排泄边界概念和确定方法沿海地区往往人口稠密、工农业发达、需水量大,但若地下水开发不当,容易引发海水入侵等问题。建立滨海区地下水的模拟模型,是评价滨海区地下水可开采量的重要基础。然而,如何确定滨海含水层在海底延伸的边界,是一个长期困扰国内外研究者的难题。国内大多数模型误将海岸线直立面作为边界。对于海岸带三维流潜水含水层,也不满足D u p u i t假设,不宜将海岸线直立面作为等水头面。国外 模 型 大 多 无 依 据 地 向 海 底 延 伸 一 段 距离3 9。对此,陈崇希教授等提出“等效排泄边界”的概念,创造性地运用地下水位和水头波动的潮汐效应确定“等效排泄边界”和水文地质参数4 0-4 1。这一系统而完整地确定海底边界的理论和方法,在建立滨海区水文地质模型上具有重要的理论意义和实用价值。该方法成功应用于广西(获国家科技进步三等奖)、海南和山东等沿海地区4 2-4 6。2.3提出“渗流-管流耦合模型”及“等效渗透系数”计算方法,解决了长期不能模拟混合抽水井等难题自然界的含水系统,大都具多层性。对于多层含水系统,为了增大出水量,简化钻井工序和降低成本,人们普遍采用混合井开采地下水,甚至利用混合井做抽水试验。对于均质含水层三维流中的常规观测孔,本身就属于混合井。如何建立混合井的数值模型,困扰国际水文地质学界长达半个世纪。以国际上流行的美国地质调查局地下水模拟程序MO D-F L OW为例,直到1 9 9 8年该模型的使用手册2 3仍建议根据各含水层导水系数的大小人为预先分配混合井各层的出水流量,这种预先分配流量的方法缺乏理论依据,一般会导致模型失真。1 9 8 9-1 9 9 2年,陈崇希教授等与北海地质工程勘察公司合作,在北海市建立了首个混合井抽水试验场(双主孔两层混合抽水试验)。为分析试验资料,陈崇希教授提出“渗流-管流耦合模型”及“等效(折算)渗透系数”的概念,成功解决了利用混合井抽水试验确定分层水文地质参数的难题4 7-4 9。此后,陈崇希教授又采用该方法对郑州市黄河“九五”滩地三层混合抽水试验进行了参数评价5 0,并相继应用于我国西北地区4个涉及地下水混合井的地下水资源评价项目5 1-5 4,取得了很好的效果。针对混合观测孔或三维流中常规观测孔的水位形成机理,陈崇希教授向经典理论提出了质疑5 5。国外多数学者都认为常规观测孔中的水头降深可视为滤管内各点降深的平均值5 6-5 8。陈崇希教授指出:“这些计算观测孔水位降深的方法是缺乏物理基础的纯数学方法”,并用“渗流-管流耦合模型”重新解释了观测孔水位的形成机理。该研究产生了一系列新的认识,如:三维地下水流常规观测孔中只是孔口的流量为零,而孔内却存在“抽水”和“注水”的井段;混合观测孔中的水头并不能“混合”成一个水位和水头,而是孔中存在符合机理的水头分布规律。这是对传统水位观测孔概念的重要修正、改进。陈崇希教授进一步将“渗流-管流耦合模型”用于研究水平井5 9和自流井5 2,5 4,并在国家自然科学基金项目资助下完成了水平井的砂槽物理模拟,对“渗流-管流耦合模型”开展了全面的检验。结果表明,“渗流-管流耦合模型”能够有效仿真水平井的水头和流量动态5 9-6 0。从提出“渗流-管流耦合模型”与“等效渗透系数”计算方法,到现场试验和物理模拟验证以及不同条件下的模型应用,陈崇希教授坚持这一课题研究达1 0多年。这项长期的研究工作形成了一套能够有效模拟混合井的新理论和新方法,突破了国际地下水动力学领域处理井孔的“线4 第4期焦赳赳等:陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献汇”理论以及按导水系数人为分配流量的方法局限,使我国相关领域的研究处于世界领先水平。2.4提出“岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型”及其模拟方法在强岩溶化地区,含水层具有很强的非均质性,地下水的流动具有很强的非线性特征。如何模拟这类地区的地下水运动,是众所周知的难题。早期有研究者采用孔隙-裂隙双重介质模型对岩溶含水层进行简化处理,个别学者6 1-6 2提出岩溶水系统“孔隙-裂隙-管道”的三重介质模型,但总体上停留在概念层次上,并没有形成数值模拟方法。针对上述问题,陈崇希教授主持完成了一项国家自然科学基金项目,提出“岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型”(考虑裂隙与管道为连续或非连续、水流为D a r c y流或非D a r c y流的普遍情况),引入“折算渗透系数”概念处理裂隙和管道中的非线性流,将5个流态分区(1个层流区和4个紊流区)采用统一的公式进行描述。1 9 9 5年,陈崇希教授发表论文6 3阐述了岩溶裂隙和管道“折算渗透系数”的算法和岩溶水系统的有限元建模方法。该模型被成功应用于广西环江北山矿区岩溶水非线性流模拟6 4-6 5。国外学者C l e m e n s等6 6提出连续裂隙网络和非连续管道网络中水流的耦合模型C AV E,也考虑了层流和紊流的流态转变,发表在某国际会议上。L i e d l等6 7采用C AV E模型分析了一个理想地下暗河系统(并非实际案例)的演变过程。美国地质调查局发布的MO D F L OW长期只能模拟孔隙介质的水流,直到2 0 0 8年才由S h o e m a k e r等6 8开发了C F P模块,作为MO D F L OW与管道流模拟的接口程序。此后,有一些采用MO D F L OW-C F P进行岩溶水模拟的研究。相比而言,陈崇希教授6 31 9 9 5年提出三重介质岩溶水的数值模拟方法属于世界首次,而广西环江北山岩溶水系统的研究则是世界上最早采用三重介质模型对野外场地岩溶水进行模拟的案例。“岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型”也可用于解决其他同类的水文地质模拟难题,例如:辐射井、连通井的井流问题(相当于管道-孔隙双重空隙介质中的达西-非达西流模型);多孔介质中的中宽裂隙水流问题(相当于裂隙-孔隙介质中的达西-非达西流模型);裂隙岩体实施减压孔排水的问题(相当于管道-裂隙介质中达西-非达西流模型)等等。因此,该模型具有十分广阔的应用前景。2.5改进地下水开采-地面沉降模型的核心技术,提出对策思路陈崇希教授主持国家“九五”重点攻关项目“地面沉降形成机理与防治研究”专题时,以苏州市为例对地下水开采-地面沉降 模型 有 几 点 重 要 的 发展6 9,改进了一些核心技术:(1)土层固结与地下水流如何耦合?这是模型的关 键 技 术。陈 教 授 指 出 国 际 上“分 两 步 走 耦合”7 0方法的错误,提出单步求解方法的理论依据,不仅避免了错误,且减少了计算量。(2)他强调含“千层饼状”弱透水层的多层含水系统不宜采用“准三维流”模型,其误差不是通常所说的小于5%,而是超过3 0%,应采用真三维模型刻画。(3)为真实地模拟地面沉降与地下水开采间的关系,他提出“细分软土层”方法,在建立苏州地面沉降模型时,细分成2 3个模拟层,远远超过其他模型的分层数,成功刻画了开采含水层地下水时水头下降向相邻弱透水层(主要固结层)缓慢传递的过程,充分解释了土层固结沉降的滞后性。(4)将非线性固结机理与孔隙度、渗透系数以及储水系数的变化过程相结合,建立算法实现了统一模拟。该模拟研究表明,1 5年地面沉降过程中软土层孔隙率的减小幅度可以超过7%,渗透系数的衰减幅度可以超过3 3%,揭示了非线性固结的重要性。采用上述改进技术,模型重现了苏州市地面沉降的历程,对不同地下水开采情景下的发展趋势也进行了有效的评估,既揭示了地面沉降滞后于地下水开采层水头动态的普遍规律,也客观地仿真了苏州市地面沉降中心与地下水开采漏斗不一致的事实6 9,7 1-7 2。结合地下水资源评价的增量理论,陈崇希教授提出“将开采层位上移至浅部含水层组,使其接近补给源(地表水、降雨入渗补给等)和(或)排泄区(地表水、潜水蒸发排泄等),以获得补给增量与排泄减量”。他建议在渗透系数不大的浅部含水层组中采取“以水平井为主的开采模式”,这样既可以保障地下水的可持续开采,又可以达到控制地面沉降的目的7 1。后来得知,江苏省人民代表会议为了防止地面沉降而制定了禁止开采地下水的政策。对此,陈先生写信给江苏省省委,建议保留开采深部少量优质地下水作为饮用水源,而水质较差的浅部地下水可作为工农业用水的水源。2.6主持研发了通用地下水流模拟软件P GM S,其水文地质模拟要素的仿真处理优于MO D F-L OW和F E F L OW具有我国自主知识产权的P GM S软件(P o l y-g o n-G r i d-b a s e d f i n i t e d i f f e r e n c e g r o u n d w a t e r m o d-e l i n g s y s t e m,多边形有限差分地下水数值模拟系5h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 统,简称P GM S)主要由两部分组成:模拟仿真处理程序(F o r t r a n编译)和W i n d o w s平台中的数据前后处理系统。其中,模拟仿真处理程序属于软件的核心部分,是陈崇希教授长期进行水文地质模拟要素仿真研发的成果,其研究案例达2 0余项。在数据前后处理软件出现之前,国内外的研究者都是编制程序来完成地下水模拟的。美国地质调查局对外公开发布F o r t r a n 7 7语言编写的地下水模拟计算程序MO D F L OW-8 82 3之后,也是很长时间没有数据前后处理软件。直到2 0世纪9 0年代,国外有人开发了为MO D F L OW模拟服务的数据前后处理软件(例如P r o c e s s i n g MO D F L OW),才迅速推动了MO D F L OW的应用。这些数据前后处理软件传入我国之后,MO D F L OW也逐渐成为我国水文地质工作者的主流模拟工具,加上F E F L OW等其他软件的引进,使我国的地下水模拟工作越来越依赖于发达国家的技术,缺乏自主知识产权的软件支撑。其实,MO D F L OW对水文地质模拟要素的处理,存在很多技术缺陷。我国地下水模拟的数据前后处理软件研发起步较晚,经验不足,而且缺乏资助软件研发的渠道。陈崇希教授一直在争取机会把自己研发的程序发展为包含数据前后处理的软件。2 0 0 3-2 0 0 5年,在中国地质调查局项目资助下,陈崇希教授将已经研究且大都经过应用的诸水文地质要素模拟方法集中起来,包括常用的混合抽水井、自流井、混合观测孔、泉、非完整河流、潜水蒸发、格点地下水的疏干和水位恢复及降雨河渠等入渗补给的滞后性(限于时间步长为1个月)等水文地质要素的模拟以及初始水头分布的形成方法等,加上前后处理,形成具有仿真优势的P GM S软件(1.0版)。该软件2 0 0 5年通过鉴定后发布,并在专业期刊进行了介绍7 3。陈先生指出,研究区网格剖分、格点和结点的设置应考虑抽水井和观测孔的位置,否则可能导致观测点上也存在抽水、注水的严重问题7 4。对于并不常用的模拟要素,如海边界、岩溶管道-裂隙-空隙三重空隙介质地下水流模拟、地下水开采-地面沉降、水平井、抽水井模拟水位校正等问题,则采用“外挂”程序处理。对于模型设计中最困难的人为边界,目前没有统一有效的处理方法,需根据具体条件来设定,可以参考已完成的比较好的案例。2 0 1 3年形成的“地下水流模拟系统P GM S(2.0版)”增加了水平井的模拟等要素处理,获得“计算机软件著作权登记证书”,为发展我国自主知识产权的三维地下水模拟软件做出了重要贡献。P GM S软件采用不规则多边形有限差分网格模拟地下水,在处理源汇项、边界条件、混合井等核心水文地质要素 的模拟方面 总 体 上 优 于 同 期 的MO D F L OW和F E F L OW,即2 0 0 0-2 0 0 5年期间使用的MO D F L OW 2 0 0 0版本和F E F L OW V 5.2。美国地质调查局(U S G S)在2 0 0 2年发布了一个配套MO D F L OW的MNW 1模块,可以用来模拟混合井,但是处理紊流