傍河开采地下水是一种常见的取水方案，具备水量稳定、水质优良等特点，但也加剧邻近污染河的地下水水质恶化等生态环境问题。其中，河床的贮水性对河中污染物传输有显著影响。为了考虑该影响，传统方法必须建立小尺度河床与大尺度含水层耦合的地下水流数值模型，并采用细网格与粗网格分别离散河床与含水层，这造成网格构建困难、计算耗时、内存需求高等高计算成本的问题，常超过工程实践有限的计算成本。此外，既有的傍河井流解析模型基于完整河的假设，对于典型的非完整河，所预测的河流渗漏率（stream depletion rate, SDR）存在显著误差。

针对以往研究不足，2021年3月，我院教授黄璟胜指导博士生熊曼玲和童晨晨在水文学知名期刊Water Resources Research发表题为A new approach to three-dimensional flow in a pumped confined aquifer connected to a shallow stream: Near-stream and far-from-stream groundwater extractions的论文。论文提出一个反映河床贮水影响的改进源项，构建基于“改进源项—含水层粗网格”的水流数值模型，并首创基于非完整河的三维井流半解析解（图1）。结果表明改进源项在含水层粗网格的基础上成功反映河床贮水的影响，“改进源项—含水层粗网格”水流数值模型的计算时间与内存需求约是传统的“粗－细网格”水流模型的1/100（图2），这大幅降低了大－小尺度介质水流耦合模拟的计算成本，为反演问题求解提供一个更可行的新途径。半解析解成功反映非完整河深度对SDR的显著影响。综上，研究成果对于河水－地下水交换机理与数值模拟有重要的理论与应用价值。

论文链接：Xiong, M., Tong, C., & Huang, C.-S. (2021). A new approach to three-dimensional flow in a pumped confined aquifer connected to a shallow stream: Near-stream and far-from-stream groundwater extractions. Water Resources Research, 57, e2020WR028780. https://doi.org/10.1029/2020WR028780

图1：河流－含水层剖面示意图。 (a)传统水流模型的有限元“粗—细网格”(b)本研究水流模型的有限元“改进源项—含水层粗网格”(c) 存在半解析解的“非完整河－含水层结构”

图2：传统“粗－细网格”模型与本研究“改进源项—含水层粗网格”模型的有限元数值解计算效能与精度。N：网格节点总数，TR：传统模型与本研究模型的计算时间之比。计算精度的评价指标是稳态河流渗漏率（SSDR）的大小约为1。

供稿：熊曼玲，编辑：何肖微，审核：雍斌、黄璟胜