

地学前缘 ›› 2026, Vol. 33 ›› Issue (1): 432-443.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.10.25
胡立堂1,2(
), 甘霖1,2, 孙建冲1,2,3, 刘宏博1,2, 田蕾1,2, 沈琦1,2
收稿日期:2025-08-30
修回日期:2025-10-20
出版日期:2026-11-25
发布日期:2025-11-10
作者简介:胡立堂(1976—),男,教授,博士生导师,主要从事渗流模拟研究。E-mail:litanghu@bnu.edu.cn
基金资助:
HU Litang1,2(
), GAN Lin1,2, SUN Jianchong1,2,3, LIU Hongbo1,2, TIAN Lei1,2, SHEN Qi1,2
Received:2025-08-30
Revised:2025-10-20
Online:2026-11-25
Published:2025-11-10
摘要: 模型结构和参数取值的不确定性是制约地下水模型仿真精度和实现高精度管理应用的关键因素。针对这一问题,本文提出了一种基于观测井观测数据的地下水水头模拟误差补偿校正方法。该方法首先对观测井的模拟水位进行误差校正,再利用反距离插值技术估计误差的空间分布,最后将误差补偿应用于模型中其他网格点,实现整体模拟精度的提升。研究基于自主研发的地下水流数值模拟软件,设计了三种真实非均质介质、定流量和变流量抽注水、不同开采井和观测井数量组合的多种模拟情景,系统评估了均质水文地质模型误差补偿校正方法对水头模拟的效果。结果表明,误差补偿校正后的观测井水头模拟精度显著提高,且精度提升程度与渗透系数的平均值成反比、与其方差成正比。在多井抽水注水及强非均质变流量条件下,均方根误差由1.5 m降至0.25 m。通过对多种校正点数量情景的比较分析发现,所提出的方法在校正点位置的模拟效果显著提升,但对空间范围内地下水水头的整体模拟效果提升较为有限。研究方法可提升已识别地下水数值模型的模拟精度,具有较好的推广应用价值。
中图分类号:
胡立堂, 甘霖, 孙建冲, 刘宏博, 田蕾, 沈琦. 考虑参数不确定性的地下水数值模型误差补偿校正方法[J]. 地学前缘, 2026, 33(1): 432-443.
HU Litang, GAN Lin, SUN Jianchong, LIU Hongbo, TIAN Lei, SHEN Qi. Error correction method for groundwater numerical models considering parameter uncertainty[J]. Earth Science Frontiers, 2026, 33(1): 432-443.
| 序号 | 名称 | 统计值 | 真实介质条件 | 概念模型介质条件 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 中等非均质 | 平均值(m/d) | 0.5 | 模型模拟值作为 观测值 | 0.5 | 模型模拟值将 用于校正前、 校正后比较 |
| 方差(m2/d2) | 1.0 | 0.0 | ||||
| 2 | 强非均质 | 平均值(m/d) | 0.5 | 0.5 | ||
| 方差(m2/d2) | 2.0 | 0.0 | ||||
| 3 | 弱非均质 | 平均值(m/d) | 5.0 | 5.0 | ||
| 方差(m2/d2) | 0.5 | 0.0 | ||||
表1 真实与模型概化的渗透系数统计表
Table 1 Statistical parameters of hydraulic conductivities for real sites and model conceptualization
| 序号 | 名称 | 统计值 | 真实介质条件 | 概念模型介质条件 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 中等非均质 | 平均值(m/d) | 0.5 | 模型模拟值作为 观测值 | 0.5 | 模型模拟值将 用于校正前、 校正后比较 |
| 方差(m2/d2) | 1.0 | 0.0 | ||||
| 2 | 强非均质 | 平均值(m/d) | 0.5 | 0.5 | ||
| 方差(m2/d2) | 2.0 | 0.0 | ||||
| 3 | 弱非均质 | 平均值(m/d) | 5.0 | 5.0 | ||
| 方差(m2/d2) | 0.5 | 0.0 | ||||
图2 地下水数值模型网格代码(a)、网格划分(b)、平面(c)和垂向(d)水均衡计算示意图
Fig.2 Schematic figures of grid code (a), grid discretization (b),plan view (c), and vertical water balance calculation (d) in groundwater numerical model
图3 校正前(a)、校正后(b)的地下水水头模拟与观测值散点密度图
Fig.3 Scatter-density distributions between simulated and observed hydraulic heads before (a) and after calibration (b)
图4 校正前后典型观测井O1(a)、O2(b)、O3(c)和O4(d)地下水水头变化曲线
Fig.4 Hydraulic head variation curves of typical observation wells O1 (a), O2 (b), O3 (c), and O4 (d) before and after correction
图5 校正前(a)和校正后(b)第2天地下水水头模拟误差空间分布对比
Fig.5 Comparison of the spatial distribution of hydraulic head simulation errors on the 2nd day before (a) and after (b) calibration
图6 强非均质(a)和弱非均质(b)条件下渗透系数对数值的空间分布
Fig.6 Spatial distribution of the logarithm of hydraulic conductivities under strong (a) and weak (b) heterogeneity conditions
图7 强非均质(a)和弱非均质(b)条件下误差校正后的模拟水头值与观测值散点密度图
Fig.7 Scatter-density distributions between simulated and observed hydraulic head values after error correction under strong (a) and weak (b) heterogeneity conditions
图8 强非均质(a)和弱非均质(b)条件下误差校正后的模拟地下水水头误差分布图
Fig.8 Error distribution maps of simulated hydraulic head after error correction under strong (a) and weak (b) heterogeneity conditions
图9 变流量单井开采时中等非均质(a)、强非均质(b)和弱非均质条件(c)下观测井O1的地下水水头动态变化
Fig.9 Changes of hydraulic head at observation well O1 under moderate (a), strong (b), and weak (c) heterogeneity conditions during variable-rate single-well pumping
图10 不同非均质变流量多井抽注条件下地下水水头和误差值空间分布图:中等非均质条件地下水水头真值(a)、校正前的误差(b)和校正后的误差(c);强非均质条件地下水水头真值(d)、校正前的误差(e)和校正后的误差(f);弱非均质条件地下水水头真值(g)、校正前的误差(h)和校正后的误差(i)
Fig.10 Spatial distribution maps of hydraulic head and error values under variable-rate multi-well pumping and injection conditions with different heterogeneity levels: true hydraulic head (a), error before (b) and after (c) correction under moderate heterogeneity, true hydraulic head (d), error before (e) and after (f) correction under strong heterogeneity, true hydraulic head (g), error before (h) and after (i) correction under weak heterogeneity
图11 不同抽注条件和强非均质条件地下水水头均方根误差变化
Fig.11 Variation of root mean square error of hydraulic head under strong heterogeneity conditions at different extraction scenarios
图12 强非均质变流量单井开采条件下误差校正前(a)和校正后(b)的模拟水头值与观测值的散点密度图
Fig.12 Scatter-density distributions between simulated and observed hydraulic head values before (a) and after (b) error correction under strong heterogeneity during variable-rate single-well pumping conditions
图13 不同校正点数量对观测井地下水水头模拟绝对误差(a)和2天后区域地下水水头绝对误差(b)的对比
Fig.13 Comparison of absolute errors in simulated hydraulic head at observation wells (a) and absolute errors in regional hydraulic head after 2 days (b) under different numbers of calibration points
图14 多井变流量抽注强非均质含水层中观测井O1(a)和O4(b)地下水水头变化曲线
Fig.14 Hydraulic head variation curves for observation wells O1 (a) and O4 (b) simulated by model under multi-well variable flow extraction conditions in strongly heterogeneous media
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