地下水模型发展与应用

地下水模型发展与应用,北京地下水环境调查监测高级研修班,邵景力中国地质大学（北京）水资源与环境学院2011年11月2日,主要内容,地下水模型概述地下水数值模型建模步骤地下水模拟软件简介地下水模型应用经验和体会,地下水模型概述,地下水的功能和作用资源：人类的主要供水水源环境：重要的环境要素：地下水生态问题；海咸水入侵；地面沉降；地下水污染；.；如何实现地下水的合理开发利用、保持地下水的环境功能？给出地下水影响因素与状态的定量关系即建立地下水模型；以地下水数值模型为工具，给出地下水控制、合理开发利用方案、。,1,原型：研究的对象，客观存在的真实系统。模型：是原型的替代物，对真实系统某些特性的仿真和模拟，是实际系统或过程的简化、抽象和类比表示。Anderson：模型是近似表示野外情况的任意装置和手段。作用：描述或表述实际系统的特性，再现实际系统的状态和过程。类型：物理实体模型概念模型：文字、框图、示意图等数学模型,1,地下水模型概述,时间状态上稳态模型非稳定模型空间分布上集中（中）式模型（随机模型）黑箱模型，一般用统计方法求解分布式模型（确定性模型）：一维、二维、三维模拟的地下水状态水流模型（饱和、非饱和）溶质运移模型（辨析：水文地球化学模型）热运移模型地面沉降模型（地下水-介质应变模型）求解方法上统计方法（相关分析、回归分析、时间序列分析、地质统计学、频谱分析、）解析法（泰斯公式、纽曼公式、.）数值法（有限差分法、有点单元法、边界元法、）,地下水模型概述：数学模型,1,连续介质假设：典型单元体质量守恒定律达西定律,1,地下水模型概述：控制方程,地下水模型概述：控制方程,地下水流连续性方程：质量守恒+达西定律非均质各向异性介质非均质各向同性介质或非均质各向异性主方向与坐标一致,1,地下水模型及分类：控制方程,非饱和带水分运移方程溶质运移方程的定解问题质量守恒+达西定律+费克定律,1,地下热水运移方程质量守恒+能量守恒+达西定律+热运移定律,强调一下地下水流模型的重要性,地下水模型概述：控制方程,1,如果能求解已经建立起的地下水连续性方程，那么，就能知道地下水的状态随着输入、边界条件和初始条件的变化情况，用地下水系统的参数和输入来表示地下水系统的输出。建模方法解析法数值模拟有限差分法有限单元法.,地下水模型概述：数值模型,1,数值法是一种近似解法。它以地下水运动的微分方程的定解问题为基础，将表示水位（或其他状态变量）随时间和空间连续变化的函数离散化，求得函数在有限节点（或结点）上的近似值。用解析法可以求出任意时间和任意点的水位值，而数值法只能求出空间上有限个节点在有限时刻的水位近似值；只要近似值能满足精度要求，就可用于解决实际水文地质问题。用于水文地质计算的数值法主要有有限差分法和有限单元法两种。他们都是将描述地下水运动的定解问题用不同的方式离散化，使复杂的定解问题化成简单的代数方程组，再求出有限点上不同时刻的数值解。,1,地下水模型概述：数值模型,有限差分法基本思想：用渗流区内选定的有限个离散点的集合来代替连续的渗流区，在这些离散点上用差商来近似代替导数，将描述求解问题的偏微分方程及其定解条件化为一组以有限个未知函数在离散点上的近似值为未知量的差分方程组，然后对差分方程组进行求解，得到所求解在离散点上的近似值。发展历史上世纪50年代石油流动领域上世纪60年代中期拓宽用于解决地下水流问题；优缺点：优点：数学上直观易懂；有相应的高效解法；有成熟的商业软件。不足：处理不规则边界、大角度倾斜含水体、各向异性介质等复杂条件难以处理；对于溶质运移、热运移等问题，不如有限元求解精度高。,1,地下水模型概述：数值模型,有限单元法基本思想：建立在直接求解函数近似解的基础上。用有限个单元的集合来代替渗流区，选择简单的近似函数（常用多项式差值）表示单元内部的状态（水头、浓度、温度的未知函数）分布，运用Rayleigh-Ritz法、Galerkin法或均衡法等建立单元内未知变量的表达式，最后集合单元方程形成整个渗流区的代数方程组，并求解方程组得到未知变量（水头、浓度、温度等）在节点上的值。发展历史20世纪60年代后期引入地下水计算中。优缺点优点：程序的统一性（水流、溶质运移、）；不规则边界处理灵活；单元大小比较随意（局部加密）；理论上计算精度较高。缺点：局部质量不守恒，有时会影响计算精度。,1,地下水模型概述：数值模型,1,地下水模型概述：数值模型,1,地下水模型概述：数值模型,数值法解地下水模型流程图,1,地下水模型概述：数值模型,数值法优点广泛的适用性：可对复杂水文地质条件下地下水状态进行模拟，可用于水位、水质、水温、地面沉降等地下水状态的模拟预测；修改算法容易，随着专业理论、数值方法和计算机技术的提高，可不断完善算法程序；可在通用的计算机上进行，无需专门的设备，可编制通用的程序。,1,地下水模型概述：数值模型,不足之处不如物理模型直观；不如解析模型简单；需要更多的、更详细的资料；.地下水数值模型不是万能的不符合连续方程推导基本定律的不适用，如非达西流；地下水流不连续的不适用：断层阻水、跌水、含水层疏干、.很多复杂的水文地质现象上不能很好地模拟，如蒸发、地下水与河流的关系、混采井、大量的排水沟、；模型的精度与水文地质条件的认识程度、资料的精度等有关，不同的建模目的对模型精度的要求也不同。,1,地下水模型概述：数值模型,地下水数值模型建模步骤,Step1：水文地质条件分析Step2：水文地质概念模型Step3：形成地下水运动的定解问题Step4：确定模型结构Step5：地下水均衡分析Step6：模型识别验证Step7：模型输出结果,2,Step1：水文地质条件分析,含水岩组特征（孔隙、裂隙、岩溶）地下水的补径排特征（主要补排项、地下水开发利用情况）地下水系统结构（空间分布）及其参数；地下水运动状态（D，T，C/P）；边界条件和边界值，最好以自然边界作为基模型边界，即以完整的水文地质单元作为模拟区；地下水环境问题。,2,Step2：水文地质概念模型,WhatisConceptualModelofHydrogeology(GW)?Aconceptualmodelisapictorialrepresentationofthegroundwaterflowsystem,frequentlyintheformofablockdiagramoracrosssection.Thepurposeofbuildingaconceptualmodelistosimplifythefieldproblemandorganizetheassociatedfielddatasothatthesystemcanbeanalyzedmorereadily.,2,基于水文地质概念的地下水数值模拟方法,2,为不同目的建立的水文地质概念模型其形式和内容是不同的，作为建立地下水模拟模型的概念模型，所概化的水文地质概念模型应反映地下水系统的主要功能和特征；概念模型应尽量简单明了，简单到能用一定的数学形式表达，而且该数学方程式用现有的方法可以求解。,水文地质条件概化原则,2,水文地质结构模型边界条件（边界、边界类型、边界值）水文地质参数（参数分区和参数值）地下水初始流场（模拟期开始地下水位等值线）源汇项（主要是各种地下水的补排项）面状量：降水入渗、灌溉入渗、农业开采、线状量：河渠渗漏补给、排水沟、点状量：点井开采、回灌、泉流量、,地下水流模型所需要的水文地质概念模型,2,水文地质结构模型,2,边界条件,2,根据水文地质概念模型以及建模的目的，将所要模拟的地下水系统表示为地下水连续性方程及其定解问题；选用选择适合的算法或模型软件,Step3：形成地下水运动的定解问题,2,空间离散（剖分）形状：矩形网格和不规则剖分（三角、任意四边形等）应考虑各种分区界线，如水文地质单元、参数分区、行政分区、地表水体、断层和岩性界线等，以便提高计算精度、便于分区地下水资源评价：在重点评价区和重要开采地段应加密剖分单元；在地下水位变化家大地段（如降落漏斗区）应适当加密；在水文地质条件变化较大地段适当加密，如在含水层承压转无压地段、岩性变化较大地段等。尽量将主要开采井和作为拟合水位用的观测孔放到结点上,Step4：确定模型结构,2,确定模拟期和预报期地下水资源评价，一般取一年或多于一年作为模拟期对于区域模型，最好以多年（5年以上）为模拟期，时间越长越好；对于水源地模型，抽水试验阶段要作为模拟期（识别期），应力期划分要根据出水试验情况适当细化。预测期的确定主要取决于评价的目的和要求在确定模拟期后，应给出初始时刻的地下水流场，并将其内插到各结点上。确定抽水时期（应力期）,Step4：确定模型结构,2,在应用数值法计算之前，要用均衡法对全区进行均衡计算。这样可以在总体上把握地下水的均衡情况，使数值计算结果更趋合理化。然后把地下水的各均衡项分配到各抽水时期和各剖分单元或结点上。在地下水均衡分析中，要特别注意与地下水位有关的均衡量的确定，如降水入渗量、蒸发量、越流量等，有时这些量需要在计算程序中处理。,Step5：地下水均衡分析,2,Step6：模型识别验证,模型是否能准确地模拟真是地下水系统？通过识别对模型进行校正，即通过计算地下水状态与实际地下水状态对比，调整地下水系统的结构、参数、源汇项，尽量使计算与实际地下水状态趋于一致。识别准则计算的地下水状态的空间分布应与实测的场基本一致；模拟期计算的地下水动态应与实测动态变化趋势一致；实际地下水量（溶质、热）的变化量（补排差）应接近于计算的含水层储量的变化量；识别后的水文地质参数、含水层结构和边界条件符合实际水文地质条件。,2,预测校正法模型识别框图,识别方法：预测校正法优化调参法,2,水文地质识别要给出的结果参数分区图、参数分区表流场拟合图（实际流场和拟合流场对比图）典型观测孔过程线图（实际地下水位与计算水位对比图）地下水均衡表结合水文地质条件，阐述模型识别的效果，并进行拟合误差统计分析，说明产生误差的原因。,Step7：模型输出结果,2,Modflow简介国内外流行的地下水模型软件地下水模型的发展趋势,3,地下水模拟软件简介,3.1MODFLOW简介,MODFLOW（Modularthree-dimensionalfinite-differenceground-waterflowmodel）是由美国地质调查局上世纪80年代开发的基于有限差分法的孔隙介质中三维地下水流模拟程序，现已推出MODFLOW88、96、2000和2005四个版本，现已成为功能完善、扩展性强、应用最为广泛的地下水流模拟程序。主要特点：采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编；采用模块化结构，MODFLOW程序可分为一个主程序和若干个高度独立的子程序（模块，modules），若干相关的子程序整合形成具有特定功能的子程序包（pakages）。使程序易于理解和修改，便于二次开发和增加新的模块和子程序包，对其功能进行扩展；采用矩形不等距网格离散，便于用户对模拟区剖分和准备输入数据，输出的计算结果也比较规范化。在时间离散上，引入应力期的概念，便于模拟期内时间段的划分和时间步长的设定；求解方法多样化；输出格式的标准化和多样化；资源丰富，可在有关网站上下载源程序、参考手册、操作手册等。,3,3,3.1MODFLOW简介,3,粒子追踪-MODPATH算例,3,溶质运移模型MT3DMS算例,3,3.2国内外流行的地下水模型软件,3,3,3.2国内外流行的地下水模型软件,3,3.2国内外流行的地下水模型软件,3.3地下水模型的发展趋势,界面化(交互式图形界面)图形界面下拉菜单对话框通用化一维、二维、三维水流、水质运移、热运移、地面沉降饱和带、非饱和带地下水-地表水耦合模型,3,前后处理的智能化自动剖分离散点插值水文地质结构识别错误的自动检测均衡计算图形、表格表示基于GIS技术（概念模型）边界、参数、源汇项、几何参数,3.3地下水模型的发展趋势,3,地下水模型应用,主要应用方面水文地质条件再认识评价和预报管理应用实例简介,4,4.1主要应用方面,水文地质实体（结构）,输入,输出,4,（1）水文地质条件再认识,主要是通过已知状态（水位、化学组分、水温、地层压缩量等）与模型计算量的比较与拟合，校正模型，识别水文地质条件：水文地质参数水文地质结构（边界条件、几何参数、）地下水的某些补排项确定污染源位置和排污量地下水均衡分析化学组分的平衡分析热平衡分析,4,（2）评价和预报,资源评价在均衡分析的基础上，评价地下水补给资源量；评价一定开采布局条件下地下水的课开采资源量；评价现状排污条件下的地下水污染程度；评价地下热水的能量和开发利用潜力；其他资源量评价储存资源量评价调节库容计算极限开采量评价应急水源地开采能力评价.,4,预测规划开采条件下地下水流场和动态变化趋势；预报一定污染物排放条件下含水层受污染状况；预报地下热水开发利用条件下温度的变化趋势。环境评价通过模型预测地下水状态变化，进而评价地下水环境影响，主要包括：地下水储变量地面沉降生态环境影响（土地荒漠化、盐渍化）海水入侵工程水文问题地下水污染程度.,4,（3）管理,通过多方案对比分析，提出地下水合理开发利用方案、控制地下水污染的措施；地下水模拟模型与管理模型耦合，建立地下水优化管理模型；与地下水资源与环境信息系统耦合，对地下水进行实时监控、预测和控制；研究地表水-地下水补排关系，进行地下水-地表水的统一调度，综合利用；与流域水循环模型耦合，建立分布式流域水循环模型，研究地下水与大气降水、地表水、包气带水及其溶质的交换。,4,4.2应用实例简介,华北平原地下水模型西辽河平原地下水模型天桥泉域及天桥水源地地下水模型银川平原地下水模型北京平原地下水模型黄河下游（河南段）黄河影响带地下水模型河南濮阳李子园水源地模型济宁市汶上岩溶水源地地下水数值模型临沂市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价天津黄冈洼水源地地下水模型天津市平原区地下水-地面沉降耦合模型山东滕州市荆泉水源地溶质运移模型北京西郊地下水溶质运移模型,4,（1）华北平原地下水模型,2020年浅层地下水等水位线图,研究区边界条件概化图,4,4,模型识别与检验,浅层计算水位与实测水位拟合图,4,模型识别与检验,深层计算水位与实测水位拟合图,4,模型应用地下水资源评价（分地下水系统、分层、分行政区、分矿化度）：补给资源、可开采量；地下水开采程度和开采潜力评价；地下水变化趋势预测（包括南水北调供水后地下水流场、地下水位变化趋势，地下水储存量的变化等）存在问题结构不够细化模拟期太短网格剖分太粗，不能刻画局部,4,（2）西辽河平原地下水模型,4,（3）天桥泉域及天桥水源地地下水模型,天桥泉域水文地质概念模型,4,4,4,（4）银川平原地下水模型,4,4,（5）北京平原地下水模型,4,4,水源地位置与南水北调进京线路图,4,潮白河冲洪积扇地下水模型,4,北京市南水北调受水区地下水模型,4,南水北调供水后垃圾填埋场浸泡情况,4,（6）黄河下游（河南段）黄河影响带地下水模型,4,4,（7）河南濮阳李子园水源地模型,4,4,（8）济宁市汶上岩溶水源地地下水数值模型,4,4,4,4,（9）临沂市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价,4,4,风险评价与控制总体流程图,4,评价等级划分及评价因子的确定,4,危险现状分级图,风险现状分级图,4,（10）天津黄冈洼水源地地下水模型,剖分图,预测地面沉降分布图,4,（11）天津市平原区地下水-地面沉降耦合模型,4,FittingsofGWhydrographs,Fittingsoflandsubsidence,Comparisonofwithdrawalsindifferentestimatedmethods,QuantityofcompactionwaterfromQuaternarysediments,RelationbetweentheGWpumpingrateandtherateofsubsidenceinXiqingareafromthemodel,4,（12）山东滕州市荆泉水源地溶质运移模型,4,确定捕获带范围,用注水井方法试算100天水源井捕获距离,用注水井方法试算1000天水源井捕获距离,4,溶质运移模型确定的荆泉水源地保护区范围,（注：蓝色竖线区域为一级保护区范围，粉色斜线区域为二级保护区范围）,4,（13）北京西郊地下水溶质运移模型,4,4,4,正向追踪,反向追踪,考察垃圾渗滤液的运动轨迹和到达预定位置的时间，从而判断主要水源地受污染的可能性。在预测时间内，粒子最长运移6277.17m，最短3229.39m，在模拟期内，典型区内的垃圾填埋场都会对水源三厂造成污染。,反向追踪粒子运移最长距离为10646m，最短距离为3333.57m。在研究区内水力捕获带的面积为66.54km2。在水力捕获带范围内，地下水中的污染组分可能会对第三水厂水源地产生污染。,4,污染组分浓度拟合,4,预测末刻浓度场,在水平方向上，类以上水的面积为4.03km2，类水的面积为1.467km2，其余为到类水。,从廖公庄剖面看，在垂向上，大于类水的范围约在-2.72m以上，大于类水的范围在7.6m以上。,氯离子浓度场,硝酸盐氮浓度场,Cl一般为、类水,4,一点体会和经验,地下水流数值模型地下水溶质运移数值模型地下水热运移数值模型,5,5.1地下水流数值模型,要求的资料（水文地质概念模型）水文地质结构；边界条件和边界值；水文地质参数；地下水流场，地下水长观资料；地下水的补排项；准三维流（多层）与三维流区域模型与局部地段（水源地模型）的差异及关系模型间套技术,5,体会与经验初始流场不准：稳定流模型；垂向水文地质结构的确定：要注意开采分层；混合开采井的处理：等效越流；泉及向河流排泄：处理成排水沟；大面积地表水灌区，有大量排水沟存在，仍是难题；尽量避免疏干等水流不连续情况的出现；各向异性含水层的处理：等效；应力期（抽水时期）的确定：地下水动态特征和补排在时间上的分布规律；河流的处理：尽量避免一类边界条件，处理为三类边界条件较为灵活；有咸水、微咸水地区的地下水资源评价：分区评价。,5,5.2地下水溶质运移数值模型,所需资料地下水流模型所需所有资料；通过综合分析，搞清研究区主要的污染组分，给出