⑴ 本書的研究思路、研究內容及研究方法
一、研究內容
針對目前農業節水及灌區地下水模擬研究中亟待進一步研究和解決的問題，本書以陝西省涇惠渠灌區為例，根據灌區的地下水開發利用實際情況，結合水文地質資料建立地下水數值模擬模型，分析預測不同農業節水措施對灌區淺層地下水的影響，並提出灌區適宜的節水方案。具體內容主要包括五個方面。
1.利用ArcGIS技術研究灌區水循環要素的空間分布特徵
根據灌區水文氣象和地下水觀測資料，運用Mann-Kendall法、Spearman秩相關法及R/S重標極差法等方法對灌區蒸發量、降水量、涇河徑流量及其他氣象因子進行趨勢分析，利用ArcGIS地統計學方法對灌區水循環要素進行空間分析，為地下水資源合理開發利用提供准確翔實的基礎數據。
2.灌區農業節水對淺層地下水系統的影響分析
在調查統計節水改造和地下水開發利用現狀的基礎上，從灌區干支渠道襯砌改造、農業種植結構調整、節水型灌溉制度等方面研究農業節水措施對灌區淺層地下水系統的影響。
3.基於鑽孔資料和GMS的灌區淺層地下水含水層空間結構變化可視化模型
根據灌區已有地質、水文地質鑽孔資料和研究成果，系統分析灌區典型剖面鑽孔岩性、岩相等資料，參考地震及其他相關物探等資料，刻畫灌區地下水系統地質、水文地質結構及其空間展布，建立灌區地下水系統三維空間結構模型。
4.灌區淺層地下水數值模擬模型
根據灌區水文地質勘探、水文地質試驗以及地下水長期觀測等資料，分析灌區地下水流動場、水化學場及水文地質參數演變等，查明地下水補、徑、排條件。在此基礎上，分析灌區地下水補、徑、排條件變化及其原因，綜合灌區地下水補、徑、排條件、生態水位及工農業需水量分析成果，建立基於GIS面向水資源合理配置的地下水數值模型，實現地下水資源的持續動態評價。
5.基於地下水模型的適宜農業節水方案及地下水合理開采模式
在灌區地下水現狀開采條件下進行模型預報，設計農業節水措施的不同方案，利用建立的地下水模擬模型對每一個方案進行預測，通過對預測結果的定量分析，提出灌區適宜農業節水方案及地下水合理開采模式。
二、研究方法
（1）應用ArcGIS技術和現場調查統計等方法，收集並整理灌區有關水文氣象資料，對灌區水循環要素空間分布特徵進行分析。利用主成分分析法分析灌區農業節水對淺層地下水系統的影響；
（2）利用灌區水文地質鑽孔資料，通過GMS軟體建立灌區淺層地下水含水層三維空間結構模型，尋求更為准確表達含水層空間結構的技術方法，揭示灌區含水層系統空間結構，為灌區地下水資源的開發利用提供依據；
（3）綜合應用ArcGIS，GMS，PMWIN軟體，利用VB程序語言改寫MODFLOW軟體中EVT蒸發蒸騰模塊的源代碼，使其能模擬非線性蒸發，利用灌區地下水水位觀測資料、田間試驗資料及節水改造統計資料等，針對灌區節水改造條件下水循環變化的實際情況，模擬分析農業節水措施對淺層地下水系統的影響。
三、技術路線
本書研究的技術路線如圖1-4所示。
圖1-4 研究技術路線 Fig.1-4 The framework of technical routes
⑵ 盆地地下水數值模型的構建方法
一、研究思路
地下水數值模型的構建旨在建立符合實際的數值模型。然而，幾十年來的實踐告訴我們，由於地下水流動系統很多因素的復雜性，不確定性，使得人們很難構建出反映實際客觀的地下水數值模型，這種復雜性和不確定性程度隨著研究對象不同而有所不同。對於盆地大區域地下水流問題主要特點是:區域面積大、地質水文地質資料控製程度低、開采量時空分布信息少、觀測孔密度不均。就山西六大盆地而言，主要特點如下。
1）具有相對獨立的水文地質單元結構；
2）山間盆地，沉積層分布不穩定，透鏡體多，難以劃分連續的含水層或隔水層和弱透水層；
3）地下水開采量目前只能按水文地質單元或行政區域統計的年開采總量，以及水力部門統計的工農業生產和居民生活用水量。
針對山西六大盆地下水系統特徵及資料情況，結合地下水數值模型研究基本理論方法，採取下述思路構建六大盆地地下水數值模型。
1）以各盆地結構模型研究成果為基礎，根據岩性分布結合岩性參數特徵，採用網格屬性參數粗化理論方法，建立數值模型網格參數模型。
2）由於六大盆地含水層分布不穩定，沒有穩定分布的隔水層和弱透水層，地下水流表現出三維流；因此，採用三維不穩定流模型描述六大盆地地下水流動過程。
3）由於各盆地屬於山間盆地，盆地邊界基本上由基岩山區控制。因此，以盆地孔隙水系統為地下水流動單元建立數值模型，孔隙水系統與邊山系統的關系由以上章節研究結果確定。
二、數值方法及模擬軟體
地下水數值模擬方法很多，如有限差分法、有限單元法等。實際上，利用有限單元法和有限差分法建立的模型沒有太大的差別，對於穩定流問題，在網格剖分和插值方法相同時，兩者可以統一起來。張宏仁還證明了對於平面二維穩定流問題而言，兩種方法是完全等價的；對於平面二維非穩定流問題，用有限元法導出來的代數方程，實質上是有嚴重缺陷的差分方程，在一定條件下會給出反常的計算結果，如反常的水位值。也就是說，利用有限單元法建立的非穩定的地下水流模型，在時間步長Δt較小的情況下，某些單元可能出現質量不守恆，因此會引起個別點的水頭反常。使儲量矩陣對角線化雖可消除反常現象，但卻又使有限元法與有限差分法完全等同起來，這表明，有限差分法比有限元法更實用。相比之下，有限差分法物理意義明確，容易理解，對於矩形單元法，其主要缺點是當對某些單元網格加密時，會增加許多額外不必要的計算單元；但如果利用基於三角形網格剖分的有限差分法，就具有有限單元法相同的優點。
對於大區域地下水流動問題計算，採用矩形網格有限單元法，計算簡便，也能滿足精度要求。因此，我們採用有限差分法建立山西六大盆地地下水數值模型。
根據任務書要求，山西六大盆地數值模型採用美國地質調查局的地下水三維滲流模擬軟體GMS軟體進行研究，該軟體模塊多，功能全，幾乎可以用來模擬與地下水相關的所有水流和溶質運移問題。相比其他同類軟體如ModIME、MODFLOW和Visual MODFLOW，GMS軟體除模塊更多之外，各模塊的功能也更趨完善。GMS軟體具有良好的可視化模擬前後處理模塊，其中模擬計算程序是採用矩形網格有限差分法，能夠較好地處理地下水系統中各種常見的水文地質現象，如大氣降水補給、河流湖泊水庫及灌溉渠系滲漏、農田灌溉回滲、地面蒸發排泄以及人工開采等源匯項。
目前使用的GMS軟體對多層含水層系統混合開采井或三維流系統中開采井以及混合觀測孔水位等問題的處理與陳崇希教授提出的滲流-管流模型處理方法相比還有待進一步完善。不過，根據山西六大盆地水文地質勘察和地下水開采量及地下水水位動態觀測資料精度，用GMS軟體進行數值模擬研究是可以滿足客觀實際要求的。
三、基本方法與步驟
1）根據山西六大盆地鑽孔資料研究各盆地第四系地下水系統岩性結構、利用沉積構造資料和地下水流場信息研究各盆地孔隙水與周邊基岩岩溶裂隙水水力聯系，確定邊界性質；利用敏感性分析方法對盆地深度超過300m的孔隙水對上部孔隙水的補給量進行估算，確定人為確定的底邊界條件及相應的誤差。
2）根據各地地形地貌和岩層構造資料，結合地下水統測和長觀孔地下水動態資料，研究各盆地第四系地下水補、徑、排特徵，在系統研究區域內大氣降水、河流湖泊水庫等地表水體及渠系滲漏和灌溉回滲等對地下水系統的補給；以及地面蒸發排泄、人工開采地下水等資料的基礎上，對各盆地進行地下水資源均衡計算，核實各盆地某些邊界補給量。
3）根據各盆地岩性、構造及地下水系統補、徑、排特徵，建立各盆地第四系地下水流動系統的概念模型。
4）根據各盆地的水文地質概念模型及全國地下水資源評價技術規范有關要求，利用GMS軟體建立各盆地第四系地下水流動數值模型。
5）對地下水數值模型進行識別校正，在此基礎上，對各盆地地下水開采現狀及調整方案進行模擬預測和評價。