地下水数值模拟ppt课件

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（http:/,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 研究区域范围 边界条件 初始条件,地下水流数值

2、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

3、 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

4、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、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

5、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,定义模型范围 设置

6、边界条件 设置源汇项 水文地质参数分区及赋值 空间离散 建立数值模型 定义模拟区 设置含水层空间分布 概念模型-数值模型转换 检查输入 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,

7、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。

8、 网格剖分空间离散化,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,MODFLOW是英文名称Modular Three-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、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

9、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

10、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

11、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 H0,单元水头 Hcell 侧面积 Aside,边界距离 D,补给流量 q,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(Hcell z0), Hcellz0,排水流量 q=0, Hcell z0,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,非饱和带,饱和带,隔水底板,入渗补给,模块及其作用,蒸

12、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,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(Hcell Hriv,河流渗漏：q=C(Hriv Hcell,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：

13、抽水为负流量；注水为正流量,模块及其作用,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飞机燃料的泄漏，其自然下渗