北極星水處理網訊:摘要
在地下水流數值模擬中，通常都會涉及到河流邊界的概化問題。在不同的地下水流系統中，河流邊界可以被概化成不同的形式，每一種形式都表現了不同的河流與地下水之間的相互作用關係。在某些條件下不同的概化形式可能得出相同的結果，而在另一些條件下又可能得出完全不同的結果，因此合理概化河流邊界對於更真實可靠的模擬地下水系統是及其重要的。
作為地表形態存在的河流影響著與之有相互作用的地下水系統的水頭和流量，因此河流通常成為地下水流系統中一個重要的邊界。河流與地下水之間的相互作用方式(圖1)包括：(1)地下水系統補給河流;(2)河流補給地下水系統，這其中又有兩種情況，河流與地下水系統之間有連續飽水帶聯接，河流與地下水系統之間有非飽和帶存在，河流與地下水系統脫節。
圖1 河流與地下水系統相互作用關係圖
有些河流的河床是由低滲透性的物質組成，因此會造成河流和含水層之間水頭差值很大，而另一些河流的河床滲透性高，因而河流和含水層聯繫較密切。有些河流完整切割含水層而有些不是。正是因為存在著不同類型的河流，因此在數值模型中河流邊界就會有不同的概化方法。
在地下水模型中，根據不同的河流與地下水系統之間的相互作用方式，河流可以被概化為不同的形式：
1、指定水頭邊界
當河流被概化為指定水頭邊界時，表示模型中河流位置節點處的水頭是不變的，水頭值通常設置為河流水位，這意味著河流與地下水系統之間沒有水頭損失，河流補給地下水或排洩地下水都不會影響到河流的水位。河流與地下水系統之間的交換水量依賴於代表河流的指定水頭邊界周圍節點的地下水水頭值。這種概化方法適用於大型河流或者河流與地下水系統之間聯繫密切且河流水位不發生變化的情況。
2、指定流量邊界
當河流的流入或流出水量已知，河流可以被概化為指定流量邊界，模擬時代表河流的位置節點處給定一個流量值。從概念上說，此時假設地下水和河流之間的流量與地下水系統和地表水系統中的水頭值無關。這種概化方法適用於河流與地下水系統之間沒有聯繫，比如海拔高的河流從山上流入山谷，或者是穩定流模擬的情況。
3、變水頭邊界或滲漏邊界
在有限差分數值模型MODFLOW中，河流還可以被概念化為變水頭流量邊界或滲漏邊界，也稱為「通用水頭邊界」。這種代表河流的邊界有一個不變的水位值，但在河流與地下水系統之間存在著介質層(河床)或者其他阻力。這種概念化假設河流與地下水系統之間總是有聯繫的，河流流出流進的流量變化與河流水位和地下水系統中水頭值的差值成比例。
4、非線性變化的滲漏邊界
(1)嚴格盈水河流
非線性表示中最簡單的就是嚴格盈水河流，在MODFLOW 中這種情況是通過利用Drain子程序包來實現的。如果地下水系統中的水頭下降到低於河流高度或者是排水標高，地下水就不再排洩到河流，河流會逐漸疏幹。這種概化方法適用於模擬地下水排水或者相對於地下水流入量而言地表徑流很少的河源河流。在用Drain 來模擬河流的時候要注意每一個表示為排水邊界的節點與其他表示排水邊界的節點沒有關係，比如河段的中部出現疏幹現象，事實上自疏幹河段上遊的河水能夠滲入到疏幹河段，並且可以使河流補給地下水，但如果此時把河流概化為Drain 邊界，就不能模擬出這種實際情況，因此在選用Drain 邊界來模擬河流時必須要一致於河流的實際情況。
(2)與地下水系統之間存在非飽和帶的河水位不變的河流
這種表示方式是滲漏邊界的延伸，允許地下水系統中的水頭低於河流底板，此時地下水系統和河流脫節，這種情況下用定流量來表示河流。當河流與飽和地下水系統脫節時，河流的流出量與地下水系統的水頭值無關。此種表示法假定河流水位是不變的，它不是地下水流入流出量的函數，這樣就會導致不管有多少水量從河流流入地下水系統，河流永遠不會疏幹。因此在使用此種概化方法時要特別注意檢驗系統和邊界的水均衡，確保模型中模擬的水量是合理的。
(3)河水位作為模型解的河流
最後這種表示方法最複雜，且可以用多種不同的方式來處理。用這種方法表示時，河流系統模型與地下水系統模型是相互耦合的，河流的水位不僅與河流流量有關，還與地下水系統和河流之間的交換水量有關。河流系統的現存模型很多，且基於不同的方法和複雜程度，在地下水模型MODFLOW 中已經有三種不同的方法來模擬河流，它們分別是Stream-Flow Routing Package、DAFLOW-MODFLOW 和MODB RANCH。這些方法可以很精確的表示河流系統，但是需要增加更多的資料和數據，對於更為複雜的河流模擬程序包來說，數值方法可能會失去穩定性。同時河流流量的響應時間通常遠遠快於地下水系統的響應時間，這種不一致會影響模擬策略的確定。當由於地表水的影響地下水系統出現短期波動這種現象對研究目的很重要時，或者在模擬過程中河流疏幹又有水，就會用到地下水與地表水的耦合模型。
總結對於不同的概化方法，複雜程度和數據要求就會不同。當設計模型時，在水文系統中選擇合適的數學邊界來表示特定條件下的河流是至關重要的，因為這一步直接影響模型是否能做到精確預報，同時在選擇過程中需考慮河流的天然特徵、研究的目的及模型的用途。
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