地下水数值模拟

1、地下水数值模拟与,Visual MODFLOW,软件,地震科学系,张耀文,提,纲,?,什么是数值模拟,?,什么是,Visual MODFLOW,软件,?,如何安装,Visual MODFLOW,软件,?,实例操作,什么是数值模拟,数值模拟也叫,计算机模拟,。它以电子计算,机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，,达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问,题研究的目的。,引自百度（,）,地下水数值模拟的目的和意义,地下水数值模拟的基本目的是预测地下水未来动态，,为,水质,和,水量,的评价提供理论依据。,任务：模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。,水文地质参数：渗透系数，释水系数,源汇项,研

2、究区域范围,边界条件,初始条件,地下水流数值模拟资料需求,模拟步骤,?,建立概念模型,?,选择数学模型,?,将数学模型进行,数值化,?,模型校正,(,识别,),?,模型验证,?,预测,一、模型概化,-,边界条件,1,、研究区边界,研究区应尽可能以,自然边界,为计算边界，最好是以,完整的水文地质单元,作为计算区。,2,、含水介质,（,1,）含水介质概化,孔隙含水介质,a,、均质、非均质,b,、各向同性、各向异性,一、模型概化,-,内部结构,1,、含水介质,2,、含水层空间分布,确定含水层类型，查明含水层在空间的分布形状。对承压,水，可用顶底板等值线图或含水层等厚度图来表示；对潜水，,则可用底板标

3、高等值线图来表示；,一、模型概化,-,内部结构,1,、含水介质,2,、含水层空间分布,4,、地下水运动状态,（,1,）层流、紊流,一般情况下，在松散含水层及发育较均匀的裂隙、岩溶含水层中的地下,水运动，大都是层流，符合达西定律。只有在极少数大溶洞和宽裂隙中的地,下水流，才不符合达西定律，呈紊流。,（,2,）平面流和三维流,在开采状态下，地下水运动存在着三维流，特别是在区域降落漏斗附近及,大降深的井附近，三维流更明显，故应用地下水三维流模型。若三维流场的,水位资料难以取得，可将三维流问题按二维流处理，但应考虑所引起的计算,误差是否能满足水文地质计算的要求。,一、模型概化,-,内部结构,1,、含水

4、介质,2,、含水层空间分布,3,、地下水运动状态,4,、水文地质参数,1,）时间概化,水文地质参数是慢时变的，在一定时期和外部条件下可以近,似地看作恒定不变，建立概念模型时，将参数概化为随时间不变,的。,一、模型概化,-,内部结构,1,、含水介质,2,、含水层空间分布,3,、地下水运动状态,4,、水文地质参数,1,）时间概化,2,）空间概化,?,查明含水层的导水性、储水性及主渗透方向的变化规律；对于参,数的空间分布规律，常采用离散化的参数概化方法（即参数分区,或参数化）来确定。,?,查明计算含水层与相邻含水层、隔水层的接触关系，是否有“天,窗”、断层等沟通。,一、模型概化,-,内部结构,1,、

5、含水介质,2,、含水层空间分布,3,、地下水运动状态,4,、水文地质参数,1,）时间概化,2,）空间概化,参数分区的依据如下：,?,计算区单孔抽水试验资料的计算结果，包括渗透系数、储水系数、,给水度及单位涌水量；,?,含水层分布规律，即埋深、厚度和岩性组合特征；,?,地下水天然流场、人工干扰流场、水化学场和温度场；,?,构造条件及岩溶发育规律（限于岩溶含水层）。,一、模型概化,-,源汇项,1,、,含水层垂向量作为模型的源或汇，一般可直接量化，但要根据,实际水文地质条件，决定具体量化和处理方式。,2,、,潜水蒸发强度随潜水位埋深而产生变化时，可建立受潜水极限,蒸发埋深约束的潜水蒸发子模型。,存在

6、间歇性的河流、以及由于开采促使地表水体与含水层间的,水量交换发生明显改变时，应考虑建立地表水入渗子模型。,?,边界范围,?,边界条件,?,含水层介质,?,含水层空间结构,?,水文地质参数,?,源汇：,降雨入渗、开采、,排水渠,Visual Modflow-Step,1.,定义模型范围,2.,设置边界条件,3.,设置源汇项,4.,水文地质参数分区及赋值,5.,空间离散,6.,建立数值模型,7.,定义模拟区,8.,设置含水层空间分布,9.,概念模型,-,数值模型转换,10.,检查输入,11.,运行模拟，查看模拟结果。,二、选择数学模型,根据概念模型进行选择,?,一维、二维、三维数学模型,?,水流模

7、型,?,溶质运移模型,?,反应模型,?,水动力,-,水质耦合模型,(,热,),?,水动力,-,反应耦合模型,?,水动力,-,弥散,-,反应耦合模型,三、将数学模型进行数值化,绝大部分数学模型是无法用解析法求解的，,数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。,?,有限差分法,: Visual MODFLOW,GMS -MODFLOW,?,有限单元法,: FEFLOW,四、模型校正,将模拟结果与实测结果比较,进行参数调整,使模,拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。,调参过,程是一个复杂而辛苦的工作,所调整的参数必须符合,模拟区的具体情况。,最近国外已花费巨力开发研究了自动调参程序,大大提高了模

8、拟者的工作效率。,五、模型验证,模型验证是在模型校正的基础上,进一步,调整参数,使模拟结果与第二次实测结果吻合,以进一步提高模型的置信度。,六、预测,用校正的参数值进行预测,预测时需估算未,来的水流状态。,三维有限差分模型与,MODFLOW,*,地下水流的数值法,用有限的离散点组成,网格,代替连续的渗流,空间,，把,时间,分成有限数目的小段，将微分方程及其定解条件转化成网,格上的,代数方程组,，通过求解代数方程组获得不同时刻,水,头,在离散点上的近似值。,网格剖分,空间离散化,y,x,i,j,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,P,(i,j)=(7,6),y,x,i,j,1,2,3

9、,4,5,6,1,2,3,4,5,6,P,(i,j)=(7,6),三维有限差分模型与,MODFLOW,*,地下水流的数值法,有限差分法,有限单元法,边界元法,MODFLOW,MODFLOW,的由来,M,O,D,F,L,O,W,是,英,文,名,称,M,o,d,u,l,a,r,T,h,r,e,e,-,Dimensional,Finite-difference,Ground-water,flow,model,(,三维有限差分地下水流模型,),的简称。由美,国地质调查局于,80,年代开发出的一套专门用于孔隙介质中,地下水流动数值模拟的软件。自问世以来,MODFLOW,已,经在全世界范围内,在科研、生产

10、、环境保护、城乡发展规,划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,已经,成,为,最,为,普,及,的,地,下,水,运,动,数,值,模,拟,的,计,算,机,程,序,。,MODFLOW,软件的程序包,?,水井,?,补给,?,河流,?,沟渠,?,蒸发蒸腾,?,通用水头边,界,?,模拟河流与含水层之间水力,联系,?,模拟由于抽水引起地面沉降,?,模拟水平流动障碍,三维有限差分模型与,MODFLOW,*MODFLOW,差分模型,分层网格,模拟层,行,列,格点,三维有限差分模型与,MODFLOW,*MODFLOW,差分模型,*,使用,VMODFLOW,建立模型,1.,准备数据资料（,划分含水层，顶底板

11、高度，,渗透参数，存贮参数，初始地下水位,）,2.,划分平面网格，输入顶、底板高度,3.,输入模拟层参数,4.,输入边界属性和模块参数,5.,是稳定流还是非稳定流,6.,非稳定流的初始水头分布,7.,运行模型，查看结果,三维有限差分模型与,MODFLOW,*,使用,VMODFLOW,建立模型：,水流和溶质运移,现场数据收集,MODFLOW,MODPATH,Zone Budget,MT3D,RT3D,SEAWAT,Visual Groundwater,2D Graphical Output,Visual MODFLOW,水流,溶质运移,提出概念模型,3D Explorer Output,水文地质

12、分析,简化,三维有限差分模型与,MODFLOW,模块及其作用,1.,定水头边界,(CHD),2.,变水头边界,(GHB),模块,3.,排水沟边界,(DRN),模块,4.,补给,(RCH),模块,5.,蒸散,(EVT),模块,6.,河流边界,(RIV),模块,7.,河网,(STR),模块,8.,抽水井,(WEL),模块,9.,干湿单元转化处理,(Re-wetting),*,定水头边界,(CHD),底板,定水头,(0),定水头,(1),常用于河流、湖泊、海洋等,地表水体,模块及其作用,*,变水头边界,(GHB),模块,小尺度模型的人工边界,渗透系数,K,边界水头,H,0,单元水头,H,cell,侧

13、面积,A,side,边界距离,D,补给流量,q,q=C(H,0,?,H,cell,); C=,K A,side,D,导水系数,(,单位,?),模块及其作用,*,排水沟边界,(DRN),模块,排水流量,q=C(H,cell,?,z,0,), H,cell,z,0,排水流量,q=0, H,cell,?,z,0,控制高度,模块及其作用,*,补给,(RCH),模块,降水入渗、灌溉入渗等，可随时间变化,h,z,M,非饱和带,饱和带,隔水底板,入渗补给,模块及其作用,*,蒸散,(EVT),模块,潜水蒸发,可暂且处理为,水面蒸发,ET = 0,蒸发强度随,潜水埋深的,加大而减弱,z,ET,模块及其作用,*,

14、河流边界,(RIV),模块,通过河床与地表水交换,河流水位必须已知,简化处理,地下水排泄：,q=,?,C(H,cell,?,H,riv,),河流渗漏：,q=C(H,riv,?,H,cell,),导水系数,C=,渗透系数,?,宽度,?,长度,沉积物厚度,模块及其作用,*,河网,(STR),模块,处理河流的支流汇集问题；,河流分成一定数量的河段；,河段通过节点相互连接。,河流的水位不是输入数据，,而是根据流量计算；,采用,Manning(,曼宁,),公式。,模型处理相对繁琐。,模块及其作用,*,水井,(WEL),模块,一个水井,只对应,一个模拟单元,井流量：抽水为负流量；注水为正流量,模块及其作用

15、,*,干湿单元转化处理,(Re-wetting),一个湿单元如果水头低于单元的底部，变干；,一个干单元如果接受周围单元补给，可重新变湿。,即将变湿的单元,干单元也可以从侧面,的单元得到补给,变干的单元,干单元可以从下部的,单元得到补给,模块及其作用,VMODFLOW,的应用,本场地位于,Waterloo,城外的一个机场附近。场地,表层地质情况是：上下各有一层砂砾含水层，中间有一,粘土和粉砂弱透水层将它们分开。相关的场地地物有一,个飞机加油场、一个生活供水井场和一块弱透水层不连,续区（含水层天窗）。如下图所示。,生活供水井场有两眼井。东井抽水量稳定在,550m3/d,，西井为,400 m3/d,。在过去十年中，在,加油场中不断地有