[01152627]复杂条件下的地下水数值模型及其应用

地下水是我国北方城市的主要供水水源,有时甚至是唯一水源。但日益加剧的人类活动已对地下水资源的质和量造成了许多负面影响。借助于地下水数值模型可科学地评估人类活动对地下水的影响,并预测其变化发展趋势,以选择解决问题的最佳策略。然而,地下水的隐蔽性和系统复杂性特点,给建立和求解乃至在工程实际中应用地下水数值模型均带来极大挑战。南京大学地下水数值模拟研究团队二十多年来在多个国家自然科学基金项目的持续资助下,围绕“复杂条件下的地下水数值模型及其应用”开展了系统深入的研究,并及时将理论研究成果应用于工程实际。在多项重要实际工程项目的支持下,研究建立了一系列适用于复杂条件的地下水数值模型,提出了相应的有效数值求解方法,并成功地将其应用到地下水开发利用与管理、污染防治与环境保护等工程实践,取得了显著的经济、环境和社会效益。 主要创新性成果包括： （1）在国内较早研究建立了多种复杂条件下的地下水流和溶质运移数值模型,应用于工程实际,效益显著。如大型水电工程（导流洞/地下厂房）实际施工中的精细渗流模型、长江三角洲地区多个含水层大区域复杂含水系统的地下水流模型、考虑水岩反应的海水入侵过程中交换阳离子运移行为三维数值模型等; （2）在国内较早研究建立了复杂条件下的地下水管理模型,如考虑海水入侵、区域地面沉降等约束的地下水管理模型,进而在国内最先建立了应用于控制咸—淡水界面运移和地下水污染治理的地下水多目标优化管理;研究建立了考虑参数不确定性的地下水长期监测网多目标优化设计模型,创新提出了多种复合智能进化算法,对开拓地下水非线性优化管理具有重要理论意义,同时对拓展地下水优化管理模型的实际应用亦有现实意义; （3）针对含水介质高度非均质性在野外实际地下水模拟中的重大作用,在国内率先开展非经典的地下水随机理论研究,发展了一整套基于非平稳地下水随机理论的矩方程数值法,将地下水随机理论向实际应用方向推进;从弥散过程的时空相关性角度推导了分数阶的对流—弥散方程,给出弥散系数尺度效应的理论解释,并发展了分数阶对流—弥散方程的数值求解方法,克服了传统对流—弥散方程的局限,如实刻画了反常弥散现象; （4）提出了多种地下水数值模型高效高精度求解方法,并以国际化标准开发了多个复杂条件下地下水数值模拟软件,推动了国内地下水数值模拟的快速发展。 已在国内外重要期刊发表论文198篇（其中SCI收录72篇,EI收录31篇）,出版著作3本,授权国家发明专利5项,软件著作权登记授权2项。论文被国际SCI期刊引用超过330次,被国内核心期刊引用超过2600次,在水文与工程地质、应用数学、计算物理等多个领域均取得了较大影响力。成果已分别被山东省龙口市水务局、长江三峡集团公司白鹤滩工程建设筹备组、上海地质调查研究院、江苏省环境地质研究所、合肥工业大学、桂林理工大学、内蒙古农业大学等多家单位推广应用,取得了巨大的经济效益和社会效益。