综述：从局部到区域：利用MODFLOW等模拟模型与地理空间技术提升地下水管理水平

《Ecological Modelling》：From local to regional: Enhancing groundwater management with simulation models like MODFLOW and geospatial technologies

　　拉米兹·A·沙阿|奥罗吉·沙菲|SMA安德拉比|莎齐亚·M·沙阿|沙纳瓦兹·哈桑|奥法克·艾哈迈德·扎加尔印度查谟和克什米尔邦安南特纳格192221，卡齐贡德政府学位学院环境科学系，高等教育部门摘要由于地表水质量恶化，人们对地下水的依赖日益增加，因此有效的地下水管理变得极为重要。本文全面总结了地下水建模的进展，重点介绍了MODFLOW及其衍生版本。由美国地质调查局开发的MODFLOW已发展成为一个模块化且功能多样的建模框架。诸如MODFLOW-NWT、MODFLOW-USG和MODFLOW-LGR等高级版本提升了该模型模拟复杂水文地质条件的能力，包括非承压含水层、不规则边界以及精细的局部网格。MODFLOW与Visual MODFLOW和Groundwater Modelling System（GMS）等图形用户界面的整合，以及MODFLOW 6的推出，进一步提升了模型的可用性和模拟能力。此外，将MODFLOW与其他模拟工具如SEAWAT、HYDRUS、FEFLOW和MIKE SHE结合使用，可实现涉及地下水流动、溶质传输和地表水相互作用的多过程建模。本文还探讨了遥感技术和GIS技术的整合应用，这些技术能够提高空间数据分辨率，并弥补数据不足的问题，尤其是在喜马拉雅流域等数据匮乏的地区。案例研究展示了这些集成建模工具在地下水流动分析、补给量估算、污染物传输以及气候变化影响评估中的应用。这些应用凸显了基于MODFLOW的工具在支持可持续水资源管理中的日益重要作用。本文强调，需要在地下水建模领域持续创新，尤其是通过整合人工智能、云平台以及物联网等新兴技术。这些工具有望提升预测精度，为更明智的实时决策提供支持。最终，本文旨在帮助研究人员、规划者和政策制定者推进集成化且可持续的地下水管理策略。引言由于地表水质量不断下降，城市和农村地区为满足生活、农业和工业需求而对地下水的依赖日益增加，预计到2050年，这一需求将达到支撑95亿人口的水平（Nyika和Dinka，2023）。过度且无计划地抽取地下水会导致诸多问题，如管井干涸、河流和湖泊水位下降、水质恶化、抽水成本上升以及地面沉降（Burri等人，2019）。作为有限资源，地下水需要定期监测和管理，以确保可持续发展。除了过度开采之外，地下水质量日益恶化也是一个重大问题（Seyler等人，2019）。人类活动，尤其是化肥和农药的滥用或过量使用，以及工业废液的不当处理，都导致了地下地质的广泛污染（Khan等人，2018）。为有效应对地下水污染和短缺问题，有必要全面了解地下水流动、开采速率、补给过程以及污染物传输情况（Foster和Chilton，2017）。兼顾数量和质量的评估方法至关重要。传统上，地下水质量评估涉及对各种质量参数的实验测量，然后将其与既定标准及允许限值进行比较（Rajak等人，2025）。许多研究人员进行了局部水文研究、含水层评估以及地下水调查，为了解局部波动和污染情况提供了宝贵见解（Banerjee等人，2023）。然而，这类调查往往难以发现超出局部范围的更广泛规律和根本原因（Demissie等人，2015）。因此，地理空间和遥感工具、人工智能以及物理、数值和分析模型的整合应用在地下水研究中越来越受到重视。这些方法能够解决空间和时间尺度上的问题，为广阔区域内的含水层系统提供更为全面的认识。此外，它们在时间和成本效率方面也具有显著优势，尤其是在数据匮乏或难以进入的地区（Saha和Pal，2024；Chang等人，2025）。地下水建模已成为可持续管理及保护水资源的不可或缺工具，尤其是在那些地下水作为饮用水和灌溉水源至关重要的缺水地区（Mo等人，2024）。由于人口增长、气候变化以及土地利用模式的变化带来的压力，近年来对精确可靠的地下水系统模拟模型的需求不断增加。在区域层面，地下水模型对于了解含水层行为、预测水资源可用性以及评估人为和环境变化的影响至关重要（Raheem等人，2023）。近期地下水建模领域的进步使得更加复杂且可扩展的模型得以开发，从而便于在区域层面应用。MODFLOW、FEFLOW和HydroGeoSphere等关键模型已在全球范围内的案例研究中得到广泛应用（Winston, R. B.，2019）。研究人员越来越多地将这些模型与GIS和遥感工具相结合，以提高空间分析能力和模型精度。例如，Usman（2016）的一项研究将MODFLOW与遥感数据结合，用于评估克什米尔农业区的地下水补给情况，证明了该模型在有效模拟地表水与地下水相互作用方面的能力。由于计算能力的显著提升以及建模软件的广泛普及，地下水建模已成为水文地质实践的核心组成部分，使专家们能够高效应对各种管理挑战（Usman，2016）。由于地下水模型能够近似反映水文地质特征，因此它在地下水资源的开发与管理以及管理策略效果预测方面发挥着重要作用（Di Salvo，2023）。地下水流动模型已被用作以下领域的评估工具：(1)评估地下水状况的变化并了解流动模式（Zhang和Zhang，2022）；(2)评估补给、排泄和含水层储水量，并估算可持续产量（Zhou和Li，2011）；(3)分析地下水系统对各种压力的响应（Chrysanthopoulos等人，2024）；(4)设计有效的数据收集方法（Singh，2014）；(5)筛选和评估地下水开发方案（Singh，2013）；以及(6)为利益相关者和政策制定者提供重要信息（Cao等人，2013），从而为未来的资源管理策略提供依据（Kolkman等人，2005）。地下水模型能够模拟流动和溶质传输过程，帮助研究人员和管理者在不同环境和人为情景下评估含水层行为。为提升可访问性和功能性，人们开发了多种可视化数值建模软件。其中，由美国地质调查局开发的MODFLOW因其模块化结构、广泛的适用性以及适应复杂水文地质条件的能力而备受瞩目。为便于使用MODFLOW，人们还开发了多种图形用户界面，如Groundwater Modelling System、Visual MODFLOW（Winston，2000）以及Processing MODFLOW for Windows（Winston，1998）。这些图形用户界面支持2D和3D可视化、地理统计分析以及不确定性评估，这些都是构建真实且可靠模型所必需的（Winston，2001）。尤其是Visual MODFLOW，因其能与GIS数据集成并生成包括图表、等高线图和3D渲染图在内的详细视觉元素而广受赞誉（Anon SSG，2000）。与传统MODFLOW不同，Visual MODFLOW支持多种数据输入格式，如Excel电子表格、Surfer网格、GIS图层以及AutoCAD文件。该界面允许用户生成可视化输出，简化结果解读过程，相比基于文本的MODFLOW，大大降低了设置复杂度和时间成本。据Tian等人（2018）称，Visual MODFLOW作为一种商业图形用户界面，提升了模型的可用性和清晰度。一些开源图形用户界面也使得地下水建模更加容易实现。Rossetto等人（2019）展示了如何在GIS环境中将开源工具与分布式建模代码结合，以支持基于数据的管理。其他研究人员则评估了FREEWAT平台在含水层系统建模方面的应用价值，强调了其在参与式管理中的实用性（Koltsida和Kallioras，2019）。ModelMuse是另一个例子，它为MODFLOW-2005和PHAST提供了用户友好的界面，支持预处理和后处理。此外，Python等高级脚本语言在地下水模型开发中也逐渐受到重视（Kwon，2016）。例如，FloPy能够用于开发结构化和非结构化的MODFLOW模型，从而实现自动化并提升模型的灵活性（Hughes等人，2024）。基于Python的MODFLOW工作流脚本编写提升了模型的可重复性和定制性。虽然图形用户界面能提供直观简单的操作体验，但脚本编写则能带来更高的控制力、可扩展性和自动化程度，不过这需要更高的技术水平（Mutua，2010）。在喜马拉雅西部地区，可持续水资源管理的需求日益迫切，地下水建模尤为重要。在查谟和克什米尔，研究人员为杰赫勒姆盆地的卡雷瓦-冲积含水层开发了数值型MODFLOW模型，强调了水文地质概念构建和含水层参数设定的重要性（Raazia和Dar，2022）。在喜马偕尔邦，中央地下水委员会在乌纳地区实施了3D地下水流动模型，以模拟区域水流并评估水头分布情况（Gautam等人，2023）。此外，还有研究人员（Multaniya等人，2024）采用多影响因素技术结合地理空间分析，通过评估坡度、岩性、土地利用和排水密度等因素，确定了比拉斯普尔地区的地下水潜力区。本文旨在探讨基于MODFLOW的地下水建模在支持可持续水资源管理方面的发展、应用及未来潜力。其主要目标包括：1.追溯MODFLOW的发展历程及其主要进步；2.研究MODFLOW在模拟地下水数量和质量方面的核心应用领域；3.评估MODFLOW与GIS和遥感等互补技术的整合情况；4.识别当前存在的局限性，并提出未来研究方向，以提升其在复杂水文地质条件下的应用效果。章节节选地下水模拟模型概述美国地质调查局于1981年开发了模块化有限差分流动模型MODFLOW，这是一种利用有限差分法求解地下水流动方程的计算机程序（Tian等人，2016）。由于其简洁的模块化设计便于计算，MODFLOW已成为模拟地下水流动最常用的工具（Hariharan和Shankar，2017）。该模型的控制方程是通过将质量平衡方程与达西定律相结合而得出的。遥感与GIS在地下水建模中的整合将遥感技术和地理信息系统技术与地下水建模相结合，已成为提升水资源评估和管理水平的变革性方法。遥感能够提供土地覆盖、土壤特性和地形等关键空间数据，这些数据是准确模拟地下水流动和补给动态的重要输入（Das等人，2018）。GIS则通过实现空间分析功能，补充了这些能力。模拟模型在喜马拉雅地区的应用在以壮丽山峰和重要水资源而闻名的喜马拉雅地区，地下水是数百万人的重要资源，但该地区面临着各种环境挑战，需要通过全面的模拟建模来应对。人们利用MODFLOW模型来模拟地下水流动，并评估各种管理策略的效果。例如，在包括印度和尼泊尔部分地区的北喜马拉雅地区，人们就利用MODFLOW模型来了解……局限性及未来发展方向尽管MODFLOW已被广泛使用，并与GIS和遥感工具相整合，但在尝试对区域尺度或复杂水文地质条件下的地下水系统进行建模时，仍存在诸多挑战和局限性。重要水文地质数据的稀缺性和不可预测性是主要挑战之一。渗透系数、含水层几何形态、补给速率以及边界条件等参数往往都非常难以获取。结论本文强调了MODFLOW及其衍生版本在推动地下水管理方面的关键作用，尤其是在喜马拉雅盆地等水文地质条件复杂的地区。MODFLOW的模块化设计及其后续版本，如MODFLOW-NWT、MODFLOW-LGR和MODFLOW-USG，使得人们能够准确模拟非承压和异质含水层，从而为地下水流动、补给和溶质传输提供可靠的估算结果。虽然有开源脚本工具……资金支持作者感谢印度科学和技术部科学工程研究委员会在“外部研究资助计划（个人项目）”项目下的财政支持，项目编号为EMR/2016/007826。伦理审批无需批准。参与同意无需批准。发表同意作者已阅读并批准最终稿件。CRediT作者贡献说明拉米兹·A·沙阿：撰写——初稿、正式分析、数据整理、概念构建。奥罗吉·沙菲：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、正式分析、数据整理。SMA安德拉比：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念构建。莎齐亚·M·沙阿：撰写——审阅与编辑。沙纳瓦兹·哈桑：写作——审阅与编辑。奥法克·艾哈迈德·扎加尔：资源整理与数据管理。