第2章 模拟目的和概念模型

建模工作流程的前两个步骤（确定目的和发展概念模型；图1.1）推动建模过程的其余部分。建模目的概括了动机，并为建模练习提供了方向和背景；目的决定了选择适当的假设和简化，并帮助建模者决定校准模型是否与现场观测相匹配。概念模型总结了对水文地质系统的了解，从而为设计数值模型提供了框架。模型的不良校准和/或未能进行准确的预测往往可归因于不适当、不准确或不足够的概念模型（Ye等人，2010年）。执行模型的质量保证评估的审查人员通常花费大量时间来审查概念模型的优势和劣势。

2.1 模拟目的

建立数值模型从未是一个独立的目标。模型总是设计来回答特定的问题或一组问题。在实践中，建模最常见的目的是预测某些未来行动或水文条件的影响，但模型也被用于重新创建过去的条件并作为解释工具（第1.3节）。

在定义目的时，建模者考虑激发建模练习的问题，并规定从模型中学到什么。对模型目的的精心约束的陈述非常重要，因为目的指导了数值模型的设计，并用于判断模型是否适当地实现了其目标。如果水文地质数据发现不足以满足初步建模目标，目的可能会被修改。一旦定义了目的，建模者还应确认模型是否是回答问题的最佳方式。建模目的以及可用的时间和资金将决定地下水流模型是分析还是数值；一维、二维还是三维；稳态还是暂态，以及是否需要除了流模型之外的颗粒追踪或溶质输送模型。

预测模型的有效目的陈述示例有：

这份报告提供了对密西西比州联合县2050年的水需求的估计，并描述了东北密西西比的咖啡砂和尤托-麦肖恩含水层在2000年至2050年间的模拟地下水下降，这是由于预计的抽水量增加所导致的。

——Hutson等人，2000年

这份报告的目的是记录使用区域地下水流模型估算LVVWD提出的拟议水权申请可能产生的影响的结果。

——Schaefer和Harrill，1995年

以下是用于解释性筛选模型的目的陈述的示例，如果校准的话，也可以用于预测：该报告描述了模型如何用于支持ARNG调查，包括确定监测井位置，识别潜在的源区域，并勾画为市政井提供补给的区域。

——ARNG = 美国陆军国民警卫队；Walter和Masterson，2003年

解释性通用模型的目的陈述的例子有：我们开发了一个简单的假设地下水/湖泊系统的稳态模型，以测试用于表示湖泊（K2）的水力导数值对含水层（K1）的水力导数值的敏感性。

——Anderson等人，2002年

在这项研究中，从二维假设模型获得的潜在净值进行了定性检查，以展示控制参数变化对区域地下水流系统的影响。

——Freeze和Witherspoon，1967年

2.2 概念模型：定义和一般特征

为了解决任何具体场地的地下水问题，水文地质学家必须收集和分析相关的现场数据，并阐述地下水系统的重要方面。

关于场地已知信息的综合构成了一个概念模型（Kresic和Mikszewski，2013）。通常，与地下水开发、污染源识别和治理相关的美国州和联邦法规要求制定一个场地概念模型（SCM），也称为概念场地模型。例如，美国环保署（U.S. EPA，2003年，第13页）指出，用于评估RCRA和超级基金站点地下水恢复可行性的SCM：“综合了通过历史研究、场地表征和治理系统运行获得的数据。概念模型为评估站点的恢复潜力提供了基础。”概念模型通常是为特定于场地的水文地质环境建立的，但也可以为通用地质环境构建（图2.1；Winter，2001）。大多数地下水问题将通过从概念模型中发展出的数学模型来解决。一般而言，概念模型越接近实际情况，数值模型给出的预测就越合理。所需的详细程度由建模目的、可用的现场数据以及将复杂性引入数值模型的实际限制来确定。在实践中，致力于在概念模型的设计中追求简约是可取的，这意味着概念模型被简化为仅包括对解决目的重要的那些过程，但仍具有足够的复杂性来表示相关的系统行为。如有必要，可以通过修改概念模型在建模过程中稍后添加更多复杂性。

在上述提出的一般概念的基础上，水文地质学文献中出现了许多关于概念模型的定义。根据Zheng和Bennett（2002）的说法，概念模型的发展与场地表征“同义”，因此概念模型是利用简化假设和对特定场地流动和输运过程的定性解释，整合相关的局部和区域水文地质信息。以下是其他一些定义的摘录。

概念地下水流模型是对真实世界地下水问题的简化，以便（1）捕捉真实世界问题的基本特征，以及（2）可以用数学方式描述。

——Haitjema，1995年。

概念模型是对物理系统特征和动态的解释或工作描述。

——ASTM，2008年

概念水文地质模型是一种心理构建或假设，伴随着对场地水文地质条件以及相应的流动/输运动力学的口头、图像、图解和/或表格解释和表示。

——Neuman和Wierenga，2002年

概念模型是一个不断发展的假设，确定在已知问题的背景下，在特定场地控制流体流动和有关物质输运的重要特征、过程和事件。

——NRC，2001年

概念模型整合了对地下水系统关键过程的当前理解，包括应力的影响，并有助于理解可能的未来变化。

——Barnett等人，2012年

我们定义概念模型为一个符合水文地质原理、基于地质、地球物理、水文、水文地球化学和其他辅助信息的地下水系统的定性表示（表2.1）。概念模型的设计通常应考虑九个数据源：地貌学、地质学、地球物理学、气候、植被、土壤、水文学、水文化学/地球化学以及人为因素（Kolm，1996年）。因此，概念模型包括对水文地质框架（图2.2(a)）和水文系统（图2.2(b)）的表征。

图2.1：大型河谷带阶地的通用概念模型（Winter等人，1998年）。

表2.1：可能用于构建水文地质场地概念模型的数据类型（Alley等人，1999年）。

物理框架

地形图，显示河流排水网络、地表水体、地貌、文化特征以及与水相关的结构和活动的位置。地质图，显示地表沉积物和基岩。水文地质图，显示含水层和限制单元的范围和边界。含水层和限制单元的顶部和底部地图。非限制性（水位面）和限制性含水层的饱和厚度图。含水层和限制单元的平均水力导度地图以及含水层的传导率地图。显示含水层存储系数变化的地图。在含水层的选择位置估算的地下水年龄。

Hydrologic budgets and stresses水文预算和应力

降水数据蒸发数据河流流量数据，包括测量测站之间的河流增益和损失地图，显示通常多年生流、通常干燥河道和通常季节性流的范围估算总的地下水排入河流 测量泉水排放量 测量地表水的引水和回流量 汇水区引水和回流的数量和位置 抽水井在含水层中的抽水率的历史和空间分布 各种用途的地下水消耗量和回流的空间分布 含水层的井水流量和历史水头（水位）图 补给区域的位置（面积补给来自降水、流失河流、灌溉区域、补给盆地和补给井）以及补给的估算值

化学框架

地球材料和含水层以及限制单元中自然生成的地下水的地球化学特征 含水层水质的空间分布，包括面积和深度方向上的分布 水质的时间变化，特别是对于受污染或潜在脆弱的非限制性含水层 潜在污染物的来源和类型 人工引入水或废液的化学特性 土地覆盖/土地利用的地图，根据研究需要在不同的尺度上 流量质量（空间和时间上的水质采样），尤其是在低流量期间

在发展概念模型时，建模者通常借助地理信息系统（GIS）等数据库工具组织、分析和综合相关的水文地质数据（见框2.1）。除了基于GIS的数据外，数据还可以来自由顾问公司、州地质和水文调查机构以及美国地质调查局等联邦机构制作的报告，以及发表在专业期刊上的论文。概念模型的关键组成部分包括边界；水层地层学和水文地质参数的估算；地下水流的一般方向以及水的来源和汇；以及基于现场的地下水预算。尽管概念模型的数据可能存储在GIS中，但概念模型通常以一系列图表呈现，包括横截面、栅栏图和表格。

在发展概念模型时，考虑到区域背景有助于理解区域水文地质如何影响研究区域内的地下水流动。对于美国的模型，有关区域水文地质条件的信息可以在美国地质调查局的在线《美国地下水图集》（http://capp.water.usgs.gov/gwa/index.html）以及Back等人（1988年）的著作中找到。Johnston（1997年）提供了美国一些重要含水层系统的区域水量预算信息。其他国家的区域水文地质概述可在Zektser和Everett（2006年）等人的著作中找到。

图2.2 数据和分析导致（a）水文地质场地概念模型。

图2.2 续。 (b) 水文系统概念模型（修改自Kolm，1996年）。<