水文地质参数反演及其在地下水模拟中的应用

在全球气候变化和人类活动日益频繁的大环境中，地下水系统正面临水位变化和水质恶化的多重挑战。准确求取水文地质参数，是进行地下水模拟，预测和治理的基础。但含水层介质空间变异性和观测数据有限性使参数确定一直是地下水研究的一个难题。水文地质参数反演可以通过建立数据驱动优化模型对实测数据和模型输出进行动态拟合，从而自适应地调节参数。这一技术不但加深人们对地下水系统作用机制的认识，而且为水资源规划、污染防控提供科学的决策依据，并在地下水领域中显示出广泛的应用前景。

一、水文地质参数反演

水文地质参数是描述地下水系统特征的重要指标，常见的参数包括渗透系数、给水度、弥散系数等（见表 1）。这些参数对精确地描述地下水运动规律非常重要，然而在实践中直接求取这些参数常常有一定难度，所以需采用水文地质参数反演进行识别。

水文地质参数反演主要有三种方法：解析法、数值法和随机方法。解析法是以地下水运动解析解为基础，利用建立观测数据和参数间关系的方法来反演地下水运动，它适合简单水文地质条件且计算效率高，而对于复杂系统适应性差。数值法是应用最广泛的反演方法之一，该方法通过构建地下水数值模型，以水文地质参数为待估变量，采用优化算法对参数进行不断地调整，从而使得模型的计算结果和观测数据之间达到最优拟合。随机方法考虑参数的不确定性，并通过概率统计方法确定参数的取值范围和概率分布，这能更真实地反映实际的水文地质条件的不确定性[1]。

水文地质参数反演基本过程主要有：（1）结合研究区水文地质条件构建概念模型；（2）选取适当反演方法建立反演模型；（3）对观测数据进行收集和整理，这些数据涵盖水位、流量和水质等多个方面的信息；（4）进行参数反演计算并通过对参数的不断调整使得模型的模拟结果和观测数据尽量一致；（5）验证并分析反演结果并评价其可靠性。

二、水文地质参数反演在地下水模拟中的应用

（一）地下水流动模拟

水文地质参数反演是通过对模型参数进行调整，使得模拟结果能够与观测数据相匹配，从而为地下水模拟工作提供精确的参数支撑，是促进模拟精度提高的关键环节。在地下水流动模拟方面，建立以有限差分或者有限元方法为基础的数值模型，需要依据研究区复杂程度来决定空间离散化网格精度，对地质结构复杂，水流变化强烈的地区使用加密网格进行处理，使研究区被分割为足够细的若干计算单元。随后，收集区域内的水位观测数据，不仅包括长期监测井的逐日或逐时水位数据，还需补充特定时期（如雨季、旱季转换期）的水位统测数据，同时，采用地质勘探和地籍测绘相结合的方法，综合获得地形地貌，地质构造分层、岩性分布的基本信息[2]。

利用智能优化算法，例如遗传算法，需要合理地配置种群大小、交叉可能性和变异率等关键参数，而粒子群优化算法则需要确定适当的惯性权重和学习参数，以渗透系数，给水度和导水系数为模型参数，观测水位和模拟水位均方根误差和平均绝对误差最小为目标函数建立组合指标，全局搜索参数可行域。搜索时，利用并行计算技术来加快运算效率并不断地调整水文地质参数，经过多次迭代使得该模型能精确地描述地下水流场随时空变化的动态特性，最终达到精确模拟地下水流动状态的目标。

（二）溶质运移模拟

溶质运移模拟的目的是揭示地下水系统溶质迁移转化的规律，而水文地质参数反演是这一过程的核心部分。在构建含对流－弥散方程溶质运移数值模型之前，需要在研究区开展细致的污染源调查工作，厘清溶质来源、种类以及初始浓度分布规律，并综合考虑各种污染源排放规律以及排放强度等。对研究区水质监测数据进行集成，除采集不同水深和不同地点监测点溶质浓度数据外，还采集相同监测点在不同时刻浓度变化序列，及相应地点水流速度、弥散度及其他相关资料，剔除资料中异常值并插值处理，确保资料质量。

同时，利用正则化反演方法对适当的正则化参数进行试算或者交叉验证来兼顾拟合精度和参数稳定性并以弥散度、有效孔隙度和吸附分配系数为反演目标，利用实测溶质浓度和模拟浓度加权平方和之差构造目标函数。将共轭梯度法、拟牛顿法这两种高效的迭代算法相结合，每一次迭代都会对参数做微小调整，重新计算仿真的浓度，从而使参数值得到持续的优化。同时，考虑溶质在地下水中的化学反应（例如酸碱中和、氧化还原）和生物降解过程，将相关反应动力学参数纳入反演体系，使得该模型能合理地描述地下水中溶质对流、弥散、吸附，化学反应等多个过程的耦合，进而精确地模拟出溶质运移轨迹及浓度随时间及空间变化的趋势。

（三）地下水管理与保护

地下水管理及保护有赖于科学合理的决策支持，而水文地质参数反演则为之提供重要数据支撑及技术手段。对于管理保护目标而言，在构建多目标优化模型过程中需要采用层次分析法和熵权法确定地下水开采量，水质达标率和生态水位维持目标权重并纳入目标体系中。综合考虑区域地下水系统结构特征及边界条件，构建相关地下水数值模型，该模型充分考虑河流、湖泊和水库边界水力联系及人工开采与回灌人类活动的作用[3]。

再者，利用贝叶斯反演方法根据现有地质资料，以往研究成果等求出参数先验概率分布并结合水位、水质观测资料，利用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法来计算参数的后验概率分布，从而确定参数的最有可能值和其不确定性的范围。在对不同管理保护方案的仿真中，设定不同开采强度，不同污染源控制程度以及不同回灌量的多个场景，并通过对模型参数及决策变量的重复调整，使用模型来模拟地下水系统在未来 5 年、10 年或更长的时间范围内的反应，并采用一个综合的评估指标系统来衡量各个方案对管理目标的达成程度，综合决策者喜好及实际工程条件等因素，选择在满足用水需求的前提下，可持续利用地下水并保护生态环境的最佳方案，从而为地下水管理部门科学、有效地制定政策、措施提供可靠技术支持。

三、结语

在水资源问题日趋严重的今天，水文地质参数反演技术以量化地下水系统中关键要素为手段，在理论模型和复杂现实之间架起一座桥梁。它不仅创新人们对地下水系统的认知模式，而且用科学的手段推动决策范式的变革，在统筹资源利用和生态保护以及迎接未来不确定性的挑战等方面，显示其不可替代的战略价值，为建立可持续地下水管理体系提供坚实技术支撑和理论保障。

参考文献

[1]宋永东,王海建.基于微水试验的水文地质参数反演方法研究[J].中国新技术新产品,2025,(08):114-116.

[2]徐中华,宗露丹,王卫东,等.基于群井抽水试验的承压含水层水文参数反演分析[J].地下空间与工程学报,2024,20(S1):180-187.

[3]郭涵轩,王全荣,潘可欣,等.基于微水试验求解高渗透性承压含水层水文地质参数[J].水文地质工程地质,2024,51(04):108-116.