地下水数值模拟01

1、地下水数值模拟地下水数值模拟2012.5参考教材参考教材地下水数值模拟薛禹群，谢春红科学出版社，2007水文地质学的数值法薛禹群，谢春红煤炭工业出版社，1980地下水流动问题数值方法 陈崇希，唐仲华中国地质大学出版社，1990地下水流数值模拟 李俊亭地质出版社，1989水文地质计算的数值方法 孙峰根中国矿业大学出版社，1995地下水流的数学模型和数值方法 孙纳正地质出版社，1981授课内容授课内容 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 地下水运动的数学模型地下水运动的数学模型 第三章第三章 有限差分法有限差分法 第四章第四章 有限单元法有限单元法 第五章第五章 其他数值方法其他数值方法 第六章

2、第六章 反求参数的数值方法反求参数的数值方法第一章 绪论主要内容地下水数值模拟及其基本任务地下水数值模拟及其基本任务 常用的数值方法简介常用的数值方法简介数值模拟的基本过程数值模拟的基本过程什么是地下水数值模拟？什么是地下水数值模拟？以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方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。研究的目的。什么是模拟？什么是模拟？什么是数值模拟？什么是数值模拟？什么是地下水数值模拟？什么是地下水数值模拟？对真实事物或者过程的虚拟对真实事物或者过程的虚拟 各种数值

3、模拟方法在水文地质计算中的应用各种数值模拟方法在水文地质计算中的应用基本概念1研究地下水问题的模型研究地下水问题的模型物理模型物理模型数学模型数学模型利用模型与原型之间的物理相利用模型与原型之间的物理相似或几何相似为基础似或几何相似为基础例：渗流槽、电网络模拟装置例：渗流槽、电网络模拟装置利用模型与原型之间在数学上利用模型与原型之间在数学上的相似为基础的相似为基础例：达西定律、溶质运移方程例：达西定律、溶质运移方程基本概念2地下水数学模型的分类地下水数学模型的分类确定性模型与随机模型确定性模型与随机模型集中参数模型与分布参数模型集中参数模型与分布参数模型线性模型与非线性模型线性模型与非线性模型

4、根据模型中变量的阶次划分根据模型中变量的阶次划分线性模型：承压水运动线性模型：承压水运动非线性模型：潜水运动非线性模型：潜水运动根据模型中是否含有空间变量划分根据模型中是否含有空间变量划分集中参数模型：流量与降深经验公式集中参数模型：流量与降深经验公式分布参数模型：含有偏微分方程，裘布分布参数模型：含有偏微分方程，裘布依模型、泰斯模型依模型、泰斯模型根据模型中变量的取值性质划分根据模型中变量的取值性质划分确定性模型：变量取确定值确定性模型：变量取确定值随机模型：含有随机变量，只知道随机模型：含有随机变量，只知道取值概率取值概率基本概念3数学模型的求解方法数学模型的求解方法数值法数值法解析法解析

5、法用数学上的积分方法或积用数学上的积分方法或积分变换等方法求得数学模分变换等方法求得数学模型的解析表达式型的解析表达式解的精度高，通常称为解的精度高，通常称为解解析解析解或或精确解精确解适用于含水层几何形状规适用于含水层几何形状规则、性质均匀、厚度固定、则、性质均匀、厚度固定、边界条件单一的理想情况边界条件单一的理想情况把刻画地下水问题的数学把刻画地下水问题的数学模型模型离散化离散化，解出渗流域，解出渗流域有限个结点上的数值解有限个结点上的数值解解是数学模型的解是数学模型的近似解近似解或或数值解数值解适用性广、通用性强、可适用性广、通用性强、可程序化，修改模型方便程序化，修改模型方便三角单元剖

6、分三角单元剖分矩形单元剖分矩形单元剖分离散化离散化偏微分方程偏微分方程离散点上的离散点上的偏微分方程偏微分方程离散点上的离散点上的代数方程代数方程代数方程组代数方程组地下水数值模拟的目的和意义地下水数值模拟的目的和意义 基本目的： 预测地下水未来动态，为水质和水量评价提供预测地下水未来动态，为水质和水量评价提供理论依据理论依据 任务： 水流模拟：模拟地下水的流向、流速及地下水水流模拟：模拟地下水的流向、流速及地下水水头与时间的关系水头与时间的关系 溶质运移模拟：模拟地下水溶质的浓度分布、溶质运移模拟：模拟地下水溶质的浓度分布、溶质的运移速率溶质的运移速率 热量运移模拟：模拟地下水热量分布热量运

7、移模拟：模拟地下水热量分布 反应模拟：水中、水岩界面、气水界面等发生反应模拟：水中、水岩界面、气水界面等发生的物理、化学、生物反应的物理、化学、生物反应应用实例应用实例垃圾填埋场垃圾填埋场河流河流抽水区抽水区抽水区抽水区灰岩露头区灰岩露头区常用的数值方法常用的数值方法 有限差分法有限差分法 （ FDM ，Finite Difference Method ） 有限元法有限元法 （ FEM， Finite Element Method） 边界元法边界元法 （ BEM ，Boundary Element Method） 离散单元法离散单元法 （DEM，Discrete Element Method）

8、 地下水数值模拟的基本步骤地下水数值模拟的基本步骤地下水流数值模拟技术要求地下水流数值模拟技术要求，中国地质调查，中国地质调查局，局，2004年年11月月u 确定模拟范围，收集有关资料确定模拟范围，收集有关资料u 建立地下水系统的概念模型建立地下水系统的概念模型u 建立地下水系统的数学模型建立地下水系统的数学模型u 建立数值模拟模型建立数值模拟模型u 模型的识别和调参模型的识别和调参u 预报预报模拟步骤模拟步骤 建立概念模型建立概念模型 选择数学模型选择数学模型 将数学模型进行数值化将数学模型进行数值化 模型识别模型识别 模型验证模型验证 预测预测 给出模拟设计与结果给出模拟设计与结果 后续检

9、查后续检查 模型的再设计模型的再设计资料收集建立概念模型建立数学模型模型数值化求解模型识别验证预测评价提交结果建立地下水模型建立概念模型建立概念模型 根据详细的地形地貌、地质、水文地质、构造地质、水文地根据详细的地形地貌、地质、水文地质、构造地质、水文地球化学、岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等球化学、岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等 模拟的区域模拟的区域: : 含水层层数含水层层数: : 分层数据分层数据 维数维数: :一维、二维、三维一维、二维、三维 水流状态：稳定流水流状态：稳定流/ /非稳定流、饱和流非稳定流、饱和流/ /非饱和流非饱和流 介质状况介质状况: :均质和非均质均

10、质和非均质/ /各向同性和各向异性各向同性和各向异性孔隙孔隙/ /裂隙裂隙/ /双重介质双重介质流体的密度差流体的密度差 边界条件和初始条件边界条件和初始条件 必要时需进行一系列的室内试验与野外试验必要时需进行一系列的室内试验与野外试验, , 以获取有关参数以获取有关参数, , 如渗如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。 选择数学模型选择数学模型 根据概念模型进行选择根据概念模型进行选择 一维、二维、三维数学模型一维、二维、三维数学模型 水流模型水流模型 溶质运移模型溶质运移模型 反应模型反应模型 水动力水动力- -水质耦合模型水质耦合模型

11、( (热热) ) 水动力水动力- -反应耦合模型反应耦合模型 水动力水动力- -弥散弥散- -反应耦合模型反应耦合模型将数学模型进行数值化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。值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。 有限差分法有限差分法: GMS -MOFLOW 有限单元法有限单元法: FEFLOW模型识别模型识别 将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结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。果在给定的误差范围内与实测结果吻合。调参过程

12、是一个复调参过程是一个复杂而辛苦的工作杂而辛苦的工作，所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。，所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。 模型验证模型验证 模型验证是在模型校正的基础上模型验证是在模型校正的基础上, 进一步调整参进一步调整参数数, 使模拟结果与第二次实测结果吻合使模拟结果与第二次实测结果吻合, 以进一步以进一步提高模型的置信度。提高模型的置信度。预测预测 用校正的参数值进行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。预测时需估算未来的水流状态。预测十年后等水位线图后续检查后续检查 后续检查在模拟研究结束数年后进行。收集新的后续检查在模拟研究结束数年后进行。收集新的野外

13、数据以确定预测结果是否正确。如果模拟结果野外数据以确定预测结果是否正确。如果模拟结果精确精确, , 则该模型对该模拟区来说是有效的。由于场则该模型对该模拟区来说是有效的。由于场址的唯一性址的唯一性, , 故模型只对该模拟区有效。故模型只对该模拟区有效。 后续检查应后续检查应在预测结束足够长的时间后进行在预测结束足够长的时间后进行, , 以便有足够的时间发生明显的变化。以便有足够的时间发生明显的变化。 地下水数值模拟的发展趋势地下水数值模拟的发展趋势 深入挖掘深入挖掘3S技术在地下水系统数值模拟中的技术在地下水系统数值模拟中的功能功能 地下水系统数值模拟模型结合地表水文模型、地下水系统数值模拟模型结合地表水文模型、作物模型、流域生态模型、区域气候模型、分作物模型、流域生态模型、区域气候模型、分布式水文模型、水均衡模型和随机模型布式水文模型、水均衡模型和随机模型 计算机