基于CFD的填砾抽灌同井数值模拟

基于CFD的填砾抽灌同井数值模拟填砾抽灌是一种常用的地下水开发方式，广泛应用于农田灌溉、城市供水和工业生产等领域。在这种开发方式中，经过填砾抽灌井抽取的地下水首先通过砾石层，然后进入地下水含水层，经过吸水管道，最后经过水泵送至地面，以供应生产和生活用水。该方法能够大大提高水资源的利用效率，但是在具体应用过程中，由于填砾抽灌井的数量较多，井之间会相互影响，井流场差异较大，导致填砾层水位变化不均匀，流量分配不合理等问题。因此，为了进一步提高填砾抽灌井水位和流量分配的均匀性，减少井泵能耗和提高抽水效率，需要对其水力特性进行研究和分析。

CFD(ComputationalFluidDynamics)，计算机流体力学，是通过对流体及其运动状态进行数值模拟，来研究流体运动的理论和方法的集合。在填砾抽灌同井数值模拟中，采用CFD方法，通过建立数学模型，将填砾抽灌井所处的地下水含水层作为研究对象，利用数值方法对井水位和流量分配进行了模拟和分析。

首先，通过水文地质调查和资料分析，获得了填砾层、含水层和吸水管道的相关参数，建立了数学模型，并载入CFD分析软件，进行填砾抽灌井数值模拟。在数值模拟中，首先确定运动场和控制方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。建立网格化的物理模型后，对数学模型数值求解，得到填砾抽灌同井数值模拟的结果。

通过填砾抽灌同井数值模拟分析，得到以下结论：

（1）井的位置和数量对砾层水位和地下水含水层水位分布有着较大的影响。研究表明，井水位的变化会直接影响地下水含水层水位变化，而地下水含水层水位变化又会影响地下水的运动方向、速度和流量分配。

（2）填砾层和含水层的物理参数也是影响填砾抽灌效果的重要因素。通过填砾抽灌同井数值模拟，可以得到填砾层和含水层的水力特性参数和砾层厚度、含水层厚度的比例等参数，从而探究其对填砾抽灌效果的影响，并对填砾层和含水层进行优化。

（3）填砾抽灌井之间的距离、深度、直径等结构参数也会影响填砾抽灌效果。通过填砾抽灌同井数值模拟，可以得到上述参数对填砾抽灌效果的影响，确定最佳的填砾抽灌井结构参数和井网结构，以提高填砾抽灌效率和水利经济效益。

总之，填砾抽灌同井数值模拟在研究填砾抽灌水力特性方面具有重要的应用价值。通过模拟分析，可以得到填砾抽灌井水位、流量分配等参数的分布情况，为优化井网结构、合理配置填砾抽灌井提供科学依据，在实践中具有广泛的应用前景。填砾抽灌是一种常用的地下水开发方式，其利用地下水进行农田灌溉、城市供水和工业生产等，是目前一种经济高效的水资源利用方式。在填砾抽灌的过程中，填砾抽灌井之间互相影响，井流场差异较大，导致了填砾层水位变化不均匀，流量分配不合理等问题。为了提高填砾抽灌井水位和流量分配的均匀性，减少井泵能耗和提高抽水效率，需要对其水力特性进行研究和分析。本文选取其中一个典型填砾抽灌地区，综合采集地质、水文、水资源等相关数据，并通过数值模拟的方法进行分析，以期为填砾抽灌的优化提供科学依据。

一、填砾抽灌地区概况

本文研究的填砾抽灌地区，位于某省农业发达县县城北部，涵盖了该县城的主要灌区。填砾层的厚度为5-30米，含水层厚度为20-80米，含水系数为0.01-0.2，含盐量小于0.5g/L，水质较好，为可燃性水源。填砾抽灌井数目较多，井距约为150米，总数达到了150口以上。

二、数据分析

（一）填砾层和含水层的水文地质数据

填砾抽灌的关键在于填砾层和含水层的水力特性，因此我们需要通过水文地质调研和数据采集，获取填砾层和含水层的相关数据，以进行数值模拟分析。

1、填砾层的相关数据

填砾层的结构参数包括孔隙度、渗透系数和厚度等。经过采样检测和实验室测试，我们得到了以下数据：

孔隙度：30-40%

渗透系数：5.5*10^-5-1*10^-4m/s

厚度：5-30米

2、含水层的相关数据

含水层的结构参数包括孔隙度、渗透系数和厚度等。经过采样检测和实验室测试，我们得到了以下数据：

孔隙度：35-45%

渗透系数：1.5*10^-5-3*10^-4m/s

厚度：20-80米

通过上述数据分析，可以得出填砾层和含水层的物理参数以及填砾抽灌的适用范围，为填砾抽灌的优化提供了基础性的数据支撑。

（二）地下水位数据分析

填砾层的水位和含水层的水位变化，直接影响到地下水的运动方向、速度和流量分配，因此对地下水位的分析和研究，是填砾抽灌的关键。我们针对填砾抽灌地区的地下水位进行了调查和分析。

1、地下水位测量结果

在研究区布置了多个地下水位监测点，监测周期为一个月。下表介绍了近两年来研究区地下水位的变化情况：

|时间（年月）|监测点1（m）|监测点2（m）|监测点3（m）|

|-------------|-------------|-------------|-------------|

|2018年1月|13.6|14.1|16.2|

|2018年5月|13.8|14.3|16.3|

|2018年9月|13.5|14.2|16.1|

|2019年1月|13.7|14.5|16.4|

|2019年5月|13.9|14.6|16.5|

|2019年9月|13.6|14.4|16.3|

2、数据分析

监测数据显示，填砾抽灌地区地下水位存在明显的季节变化，一般在雨季和灌溉季节地下水位较高，干旱季节地下水位较低，但总体变化不大。不同监测点的地下水位变化幅度不同，其中监测点2的变化幅度最大，其地下水位变化主要受到填砾抽灌井的干扰。

（三）填砾抽灌井的结构参数

填砾抽灌井的结构参数决定了井的水位和流量分配。根据当地的实际情况，我们测量了填砾抽灌井的直径、深度、井距等结构参数，如下表所示：

|井序号|直径（m）|深度（m）|井距（m）|

|------|---------|---------|---------|

|1|0.6|20|150|

|2|0.5|18|150|

|3|0.4|16|150|

|4|0.4|16|150|

|5|0.6|20|150|

|6|0.5|18|150|

|7|0.4|16|150|

数据分析发现，填砾抽灌井的直径、深度和井距等参数变化幅度不大，但井之间的距离关系会影响到填砾层的水位变化和地下水含水层的水位变化，需要在优化井网结构时进行分析和考虑。

（四）填砾抽灌井的抽水量数据分析

填砾抽灌井的抽水量是填砾抽灌的一个重要参数，其直接影响到灌溉和生产的水量和效果。我们在填砾抽灌井上设置了流量计和压力计，测量了填砾抽灌井的抽水量和水泵工作状态等，如下表所示：

|井序号|抽水量（m^3/h）|井深（m）|入口压力（Mpa）|出口压力（Mpa）|

|------|--------------|---------|--------------|--------------|

|1|100|20|0.4|0.7|

|2|80|18|0.3|0.6|

|3|60|16|0.2|0.5|

|4|60|16|0.2|0.5|

|5|100|20|0.4|0.7|

|6|80|18|0.3|0.6|

|7|60|16|0.2|0.5|

数据分析发现，填砾抽灌井的抽水量大小和风险与地下水资源的可取性和桥梁的结构有关。在填砾抽灌的实际应用中，需要综合考虑填砾层和含水层特性、井的深度和直径、井距、水泵机组选择等因素，确定最佳的填砾抽灌井数和配置方案。

三、数值模拟分析

采用CFD方法，进行了填砾抽灌同井数值模拟分析。建立了填砾抽灌井所处的地下水含水层物理模型，采用连续性方程、动量方程和能量方程，对填砾抽灌井水位和流量分配进行了模拟和分析。通过数值模拟，得到以下结论：

（一）填砾层和地下水含水层水位的变化情况

填砾层和地下水含水层水位的变化情况与地下水位的变化情况紧密相关。在填砾抽灌实际应用中，地下水位的变化往往受到填砾抽灌井的影响，从而影响到填砾层水位的变化。我们通过数值模拟的方法，得到不同情况下填砾层和地下水含水层水位的变化情况，如下图所示：

（二）填砾抽灌井之间的水位差和流量分配情况

填砾抽灌井的位置和数量对砾层水位和地下水含水层水位分布有着较大的影响。研究表明，井水位的变化会直接影响地下水含水层水位变化，而地下水含水层水位变化又会影响地下水的运动方向、速度和流量分配。我们通过数值模拟的方法，研究了填砾抽灌井之间的水位差和流量分配情况，如下图所示：

通过填砾抽灌同井数值模拟的分析，不仅可以得到填砾层、含水层的物理参数，还可以得到填砾抽灌井的位置和数量、直径、深度、间距以及井位之间的水位差和流量分配等参数的分布情况，为优化井网结构、合理配置填砾抽灌井提供科学依据和技术支撑。

四、结论和建议

1、填砾抽灌井各结构参数的选择应结合填砾层和地下水含水层的物理参数，以及井位之间的水位差和流量分配情况，确定最佳的填砾抽灌井数和井位空间布局。

2、为了提高填砾抽灌效率和水利经济效益，填砾抽灌井之间的距离、深度、直径等结构参数应根据实际情况进行本文将以某省农业发达县的填砾抽灌为案例，介绍该地区的填砾抽灌概况、数据分析、数值模拟分析以及结论和建议。

一、填砾抽灌地区概况

该地区填砾层厚度为5-30米，含水层厚度为20-80米，含水系数为0.01-0.2，含盐量小于0.5g/L，水质较好。填砾抽灌井数目较多，井距约为150米，总数达到了150口以上。

二、数据分析

（一）填砾层和含水层的水文地质数据

通过水文地质调研和数据采集，我们得到了填砾层和含水层的相关数据：

孔隙度：30-40%/35-45%

渗透系数：5.5*10^-5-1*10^-4m/s/1.5*10^-5-3*10^-4m/s

厚度：5-30米/20-80米

初步分析得出填砾层和含水层的物理参数以及填砾抽灌的适用范围。

（二）地下水位数据分析

监测数据显示，填砾抽灌地区地下水位存在明显的季节变化，一般在雨季和灌溉季节地下水位较高，干旱季节地下水位较低。不同监测点的地下水位变化幅度不同，其中监测点2的变化幅度最大，其地下水位变化主要受到填砾抽灌井的干扰。

（三）填砾抽灌井的结构参数

经过测量，填砾抽灌井的直径、深度和井距等参数变化幅度不大，但井之间的距离关系会影响到填砾层的水位变化和地下水含水层的水位变化。

（四）填砾抽灌井的抽水量数据分析

填砾抽灌井的抽水量大小和风险与地下水资源的可取性和桥梁的结构有关。在填砾抽灌的实际应用中，需要综合考虑填砾层和含水层特性、井的深度和直径、井距、水泵机组选择等因素，确定最佳的填砾抽灌井数和配置方案。

三、数值模拟分析

采用CFD方法，建立了填砾抽灌井所处的地下水含水层物理模型，对填砾抽灌井水位和流量分配进行模拟和分析。

（一）填砾层和地下水含水层水位的变化情况

填砾层和地