⑴ 本书的研究思路、研究内容及研究方法
一、研究内容
针对目前农业节水及灌区地下水模拟研究中亟待进一步研究和解决的问题，本书以陕西省泾惠渠灌区为例，根据灌区的地下水开发利用实际情况，结合水文地质资料建立地下水数值模拟模型，分析预测不同农业节水措施对灌区浅层地下水的影响，并提出灌区适宜的节水方案。具体内容主要包括五个方面。
1.利用ArcGIS技术研究灌区水循环要素的空间分布特征
根据灌区水文气象和地下水观测资料，运用Mann-Kendall法、Spearman秩相关法及R/S重标极差法等方法对灌区蒸发量、降水量、泾河径流量及其他气象因子进行趋势分析，利用ArcGIS地统计学方法对灌区水循环要素进行空间分析，为地下水资源合理开发利用提供准确翔实的基础数据。
2.灌区农业节水对浅层地下水系统的影响分析
在调查统计节水改造和地下水开发利用现状的基础上，从灌区干支渠道衬砌改造、农业种植结构调整、节水型灌溉制度等方面研究农业节水措施对灌区浅层地下水系统的影响。
3.基于钻孔资料和GMS的灌区浅层地下水含水层空间结构变化可视化模型
根据灌区已有地质、水文地质钻孔资料和研究成果，系统分析灌区典型剖面钻孔岩性、岩相等资料，参考地震及其他相关物探等资料，刻画灌区地下水系统地质、水文地质结构及其空间展布，建立灌区地下水系统三维空间结构模型。
4.灌区浅层地下水数值模拟模型
根据灌区水文地质勘探、水文地质试验以及地下水长期观测等资料，分析灌区地下水流动场、水化学场及水文地质参数演变等，查明地下水补、径、排条件。在此基础上，分析灌区地下水补、径、排条件变化及其原因，综合灌区地下水补、径、排条件、生态水位及工农业需水量分析成果，建立基于GIS面向水资源合理配置的地下水数值模型，实现地下水资源的持续动态评价。
5.基于地下水模型的适宜农业节水方案及地下水合理开采模式
在灌区地下水现状开采条件下进行模型预报，设计农业节水措施的不同方案，利用建立的地下水模拟模型对每一个方案进行预测，通过对预测结果的定量分析，提出灌区适宜农业节水方案及地下水合理开采模式。
二、研究方法
（1）应用ArcGIS技术和现场调查统计等方法，收集并整理灌区有关水文气象资料，对灌区水循环要素空间分布特征进行分析。利用主成分分析法分析灌区农业节水对浅层地下水系统的影响；
（2）利用灌区水文地质钻孔资料，通过GMS软件建立灌区浅层地下水含水层三维空间结构模型，寻求更为准确表达含水层空间结构的技术方法，揭示灌区含水层系统空间结构，为灌区地下水资源的开发利用提供依据；
（3）综合应用ArcGIS，GMS，PMWIN软件，利用VB程序语言改写MODFLOW软件中EVT蒸发蒸腾模块的源代码，使其能模拟非线性蒸发，利用灌区地下水水位观测资料、田间试验资料及节水改造统计资料等，针对灌区节水改造条件下水循环变化的实际情况，模拟分析农业节水措施对浅层地下水系统的影响。
三、技术路线
本书研究的技术路线如图1-4所示。
图1-4 研究技术路线 Fig.1-4 The framework of technical routes
⑵ 盆地地下水数值模型的构建方法
一、研究思路
地下水数值模型的构建旨在建立符合实际的数值模型。然而，几十年来的实践告诉我们，由于地下水流动系统很多因素的复杂性，不确定性，使得人们很难构建出反映实际客观的地下水数值模型，这种复杂性和不确定性程度随着研究对象不同而有所不同。对于盆地大区域地下水流问题主要特点是:区域面积大、地质水文地质资料控制程度低、开采量时空分布信息少、观测孔密度不均。就山西六大盆地而言，主要特点如下。
1）具有相对独立的水文地质单元结构；
2）山间盆地，沉积层分布不稳定，透镜体多，难以划分连续的含水层或隔水层和弱透水层；
3）地下水开采量目前只能按水文地质单元或行政区域统计的年开采总量，以及水力部门统计的工农业生产和居民生活用水量。
针对山西六大盆地下水系统特征及资料情况，结合地下水数值模型研究基本理论方法，采取下述思路构建六大盆地地下水数值模型。
1）以各盆地结构模型研究成果为基础，根据岩性分布结合岩性参数特征，采用网格属性参数粗化理论方法，建立数值模型网格参数模型。
2）由于六大盆地含水层分布不稳定，没有稳定分布的隔水层和弱透水层，地下水流表现出三维流；因此，采用三维不稳定流模型描述六大盆地地下水流动过程。
3）由于各盆地属于山间盆地，盆地边界基本上由基岩山区控制。因此，以盆地孔隙水系统为地下水流动单元建立数值模型，孔隙水系统与边山系统的关系由以上章节研究结果确定。
二、数值方法及模拟软件
地下水数值模拟方法很多，如有限差分法、有限单元法等。实际上，利用有限单元法和有限差分法建立的模型没有太大的差别，对于稳定流问题，在网格剖分和插值方法相同时，两者可以统一起来。张宏仁还证明了对于平面二维稳定流问题而言，两种方法是完全等价的；对于平面二维非稳定流问题，用有限元法导出来的代数方程，实质上是有严重缺陷的差分方程，在一定条件下会给出反常的计算结果，如反常的水位值。也就是说，利用有限单元法建立的非稳定的地下水流模型，在时间步长Δt较小的情况下，某些单元可能出现质量不守恒，因此会引起个别点的水头反常。使储量矩阵对角线化虽可消除反常现象，但却又使有限元法与有限差分法完全等同起来，这表明，有限差分法比有限元法更实用。相比之下，有限差分法物理意义明确，容易理解，对于矩形单元法，其主要缺点是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元；但如果利用基于三角形网格剖分的有限差分法，就具有有限单元法相同的优点。
对于大区域地下水流动问题计算，采用矩形网格有限单元法，计算简便，也能满足精度要求。因此，我们采用有限差分法建立山西六大盆地地下水数值模型。
根据任务书要求，山西六大盆地数值模型采用美国地质调查局的地下水三维渗流模拟软件GMS软件进行研究，该软件模块多，功能全，几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问题。相比其他同类软件如ModIME、MODFLOW和Visual MODFLOW，GMS软件除模块更多之外，各模块的功能也更趋完善。GMS软件具有良好的可视化模拟前后处理模块，其中模拟计算程序是采用矩形网格有限差分法，能够较好地处理地下水系统中各种常见的水文地质现象，如大气降水补给、河流湖泊水库及灌溉渠系渗漏、农田灌溉回渗、地面蒸发排泄以及人工开采等源汇项。
目前使用的GMS软件对多层含水层系统混合开采井或三维流系统中开采井以及混合观测孔水位等问题的处理与陈崇希教授提出的渗流-管流模型处理方法相比还有待进一步完善。不过，根据山西六大盆地水文地质勘察和地下水开采量及地下水水位动态观测资料精度，用GMS软件进行数值模拟研究是可以满足客观实际要求的。
三、基本方法与步骤
1）根据山西六大盆地钻孔资料研究各盆地第四系地下水系统岩性结构、利用沉积构造资料和地下水流场信息研究各盆地孔隙水与周边基岩岩溶裂隙水水力联系，确定边界性质；利用敏感性分析方法对盆地深度超过300m的孔隙水对上部孔隙水的补给量进行估算，确定人为确定的底边界条件及相应的误差。
2）根据各地地形地貌和岩层构造资料，结合地下水统测和长观孔地下水动态资料，研究各盆地第四系地下水补、径、排特征，在系统研究区域内大气降水、河流湖泊水库等地表水体及渠系渗漏和灌溉回渗等对地下水系统的补给；以及地面蒸发排泄、人工开采地下水等资料的基础上，对各盆地进行地下水资源均衡计算，核实各盆地某些边界补给量。
3）根据各盆地岩性、构造及地下水系统补、径、排特征，建立各盆地第四系地下水流动系统的概念模型。
4）根据各盆地的水文地质概念模型及全国地下水资源评价技术规范有关要求，利用GMS软件建立各盆地第四系地下水流动数值模型。
5）对地下水数值模型进行识别校正，在此基础上，对各盆地地下水开采现状及调整方案进行模拟预测和评价。