地下水数值模型设计步骤及对资料的要求

一、数值模型研究一般步骤（续）
建立数值模型
网格剖分：根据确定的数值方法和软件，对研究区进行剖分。 对于平面二维流问题，一般将研究区剖分成矩形或三角形网格； 对于剖面二维流问题，一般也是将剖面区域剖分成矩形或三角形； 对于三维流问题，一般先在垂向上分成若干层，而在每层剖分成矩 形或三角形。
边界条件： 初始条件： 含水层参数：渗透系数、储水系数、给水度、孔隙度 源汇项：降雨入渗、河流补给、蒸发排泄、地表水体、沟渠渗漏、
上述数学模型是一个偏微分方程定解问题，通常只能用数值方法 求解，常用的数值方法有：有限差分法和有限单元法。
目前有一些软件可以直接用于求解地下水流动问题，如果不是自 己编写程序，可以选择合适的软件，建立数值模型。
如果用软件，则需对软件功能作简要介绍，论述软件的适用性。
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第七章 数值模型一般步骤及对 勘查资料的要求
模型设计者应出具有较高理论水平和丰富经验的水文地质工作者担 任。设计者应精细地分析有关资料, 以获得较符合实际条件的分区 图。
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三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）抽水试验设计 （二）抽水试验数值模拟设计 （一）含水层剖分注意事项
（一）抽水试验设计
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三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）含水层剖分注意事项
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（四）边界条件的确定
边界条件是与计算区的范围同时确定的
考虑计算区的范围时, 必须同时确定边界条件的性质； 反之, 边界的位置一旦确定, 计算区的范围自然也就确定下来了。
合水层的边界分为自然边界与人为边界两类
当研究的合水层系统(包括弱透水的含水层)与非含水层相接触时,其界 面(线)称为自然边界；
如果断层是隔水的, 则两重迭结点之间无水力联系, 各自成为隔水 边界。
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三、数值模型设计中一些特殊问题
（二）岩性天窗”位置的划定
承压含水层隔水顶板的间隔区称为“岩性天窗”。它是上下两 含水层地下水的主要通道。为了较精确地确定主要“岩性天窗” 过水能力的参数, 在该“岩性天窗”附近的主含水层和邻含水 层中最好各布置一个观测孔。
数学模型：用数学方程描述实际问题。
一旦上述问题确定了，就可以将实际问题用数学模型来描述。
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第七章 数值模型一般步骤及对 勘查资料的要求
一、数值模型研究一般步骤（续）
数值方法：有限差分法或有限单元法。
基于矩形网格的有限差分法 基于三角形剖分的有限差分法 三角形有限单元法
程序设计或软件选择
若按三维流模型建立, 则会大大增加工作量,可能遇到种种困 难；若按二维流建摸, 则傍河区的地下水流动又如何刻画呢? 如果河流位于计算区中部,通常采用两种方法处理：一种是将 其作为第一类边界, 但傍河局部三维流区要按上述方法处理。 另一种是按源汇项处理。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
对于水平二维饱和流动模型来说, 这类河流的水边线不能取为第 一类边界；通常将河流对地下水的补给强度作为源汇项处理。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（四）边界条件的确定
对于三维饱和流动问题, 则宜用第二类边界条件表示这类 "渗 水式补给" 的条件。顺便提一下, 如果采用三维饱和-非饱和 流动模型(当然, 这是对该条件下地干水流动的最真实的刻画)， 那么这类地表水体的水边面属于第一类边界。由此可见, 边界 类型的选取并非一成不变, 而是与模型的类型（取决于模型的 简化程度）有关。河流, 实际上绝大部分都属于非完整型。如 果这类河流排泄地下水或以 "注水式"补给地下水，则在河流 附近的地下水明显地呈现出三维流动的特征。然而离河流一定 距离处, 则转变为二维流动。这种情况下数值模型如何处理?
从而把地下水流动方程的类型确定下来。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（二）潜水含水层底面等高线图、承压含水层顶、底面 等高线图以及含水层内部岩性分层界面等高线图资料的 收集或编制
这些等高线主要利用钻孔资料来编制或计算机成图。 它们用来计算导水系数和确定给水度的性质及取值层位。就
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地下水数值模型建模过程
地质水文气象及水文地质条件 概念模型
介质类型、结构特征、含水层分布 地下水补、径、排特征
基本模型的建立
数学模型 数值模型
识别结果不 符合要求修 正概念模型
检验结果不符合要求 修正概念模型
拟合调参
模型识别
模型检验
模型应用
网 边初
介
源
态观 流 水
格 界始
质
汇
拟测 场 均
化 条条
参
项
合孔 拟 衡
件件
数
动 合对
比
分
边 界 敏 感 性 分 析
降 地灌 雨 表溉 入 水、 渗 体渠
入系 渗
蒸人 发工 排开 泄采
析
观 流水参
测 场均数
孔 检衡敏
动 验对感
态
比性
检
检分
验
验析
水预预 研 资测测 究 源开开 环 量采采 境 评方方 地 价案案 质
问 题
染地 影对大 地 地
研下 响环型 面 裂
地下水不稳定流数值模型要求给出初始时刻各结点的水 头值。
通常是通过观测所有观测孔、抽水井和有关地表水体的水位, 编制地下水等水位线图, 再对各结点插值而得。
要注意的是：若结点处有抽水井，则该结点水位的取值与抽 水井的处理方法有关。有时, 由于计算区太大而观测孔数又 过少, 特别是山区, 不可能绘制等水位线图。
（3）重要工程的地段, 水力坡度大的地段, 剖分适当细一些。
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三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）含水层剖分注意事项
（4）如何对厚度不大的弱透水层或断层带进行剖分 ? 一般可采 取两种方法：
如果弱透水层具一定厚度，可采取常规的剖分方法, 只是在弱透水 层区段用小单元剖分。它们可作为参数的单独分区。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（一）计算区的范围、边界条件和地下水流动类型的确定
1．勾划模型范围的基本原则：
在模型范围内的水文地质条件应当基本清楚，或考虑投入新 的勘查工作。否则, 未知因素过多, 缺乏水文地质约束, 将 来在模型识别中增加了多解的可能性；
反演模型的范围尽可能与正演模型的范围一致。前者既要考 虑后者的需要, 也要考虑提供资料的可能性和水文地质勘探成 本费用问题。
如果弱透水断层带很薄, 难以剖分出小单元时, 则可近似用断层线 〈严格地讲应是断层面两侧含水层连通面各中点水平投影的连线〉 将含水层分为两区, 置该线上的结点为重迭结点, 并采用双编号 （它们的 X 、 Y 坐标相同）。它们分别与断层两侧其它结点的联 系采用常规方法处理, 而重迭结点之间的联系则可采取类似越流的 方法处理。
地下水流数值模拟基础
第七章
数值模型一般步骤及对勘查资料的要求
第七章 数值模型一般步骤及对 勘查资料的要求
一、数值模型研究一般步骤
概念模型（模型概化）：对研究区水文地质条件进行简化， 对地下水流动规律进行概化.
指出地下水类型（孔隙水、裂隙水、岩溶水或其他混合） 指出含水层类型（潜水、承压水、潜水-承压水等） 指出地下水流态（达西流、非达西流、稳定流、不稳定流） 指出地下水流场维数（一维、二维、三维、拟三维等） 指出含水层均质-非均质性特征、各向异性特征 用必要的平面图和剖面图进行辅助说明。
质勘探中的一个问题。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（六）含水层系统岩性非均质性的分层与分区
渗透系数、储水系数、给水度、孔隙度
可根据岩性结构、构造、岩溶裂隙发育程度以及钻孔简易水文地质 观测、小型抽水试验、等水位线图和水位动态等资料来初步划分。
对于第四系孔隙含水层系统来说，一般问题不大。但是，对于裂隙、 岩溶含水层, 则要认真对待。若分区划得不佳, 则会大大地增加模 型识别的过程。
当在含水层系统内部划出一个界面(线)作为计算区的边界时,这种边界 称人为边界。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（四）边界条件的确定
与地下水有水力联系的地表水体的水边线(面), 通常取为第一类 边界；地表水的水位就是该边界处的地下水水头。 然而, 切忌见河流就将其作为第一类边界处理。例如, 我国北方 有些河流, 特别是位于冲洪积扇顶部、中部的, 往往河水以不连续 的形式补给地下水，使地下水面形成水丘的形态向两侧流动, 我 们曾称这类形式的补给为 “ 渗水式补给 ” 。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（一）计算区的范围、边界条件和地下水流动类型的确定
2．确定计算区的垂直范围、含水层系统的结构及 地下水流动方程的类型
地下水流动所涉及的含水层的层数，因而关系到含水层系统 的结构类型。
含水层系统是单层的还是多层的； 含水层是承压的还是无压的, 还是承压一无压的； 多层结构的层间水力联系是面状越流、 “ 岩性天窗 ” 沟通,
灌溉回渗等。
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第七章 数值模型一般步骤及对 勘查资料的要求
一、数值模型研究一般步骤（续）
模型检验：利用实际观测资料验证模型正确性。将模型计算结 果与实际进行对比。主要有以下几个方面：
流场对比 观测孔水头对比 水均衡对比
模型应用
建立好的模型由于地下水资源评价 地质环境评价 工程应用等方面。
测孔控制，取人为边界。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
(五)源汇项的确定
笼统地说, 计算区内所有的点、线和面状补给和排泄均可处理为 源汇项。
具体地说, 可以包括抽水井、排水矿井、泉、河流、灌渠、农田 灌溉、水塘和水稻田的入渗或排泄。
它们的流量或强度应有系统的观测资料。 在多水塘、水稻田的南方，如何确定它们的入渗强度成为水文地
究水
境工 沉 缝
污
的程 降
二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（一）计算区的范围、边界条件和地下水流动类型的确定 （二）潜水含水层底面等高线图、承压含水层顶、底面等高线图
以及含水层内部岩性分层界面等高线图资料的收集或编制 （三）初始水位的确定 （四）边界条件的确定 （五） 源汇项的确定 （六）参数的确定：含水层系统岩性非均质性的分层与分区
（四）边界条件的确定
含水层与隔水层、阻水断层的接触面通常取为零流量边界,即第 二类边界的特殊情况。 自然界中绝对隔水的岩层、断层是不存在的, 但是, 当弱透水 岩层、断层的渗透系数 K 或导水系数 T 很小, 以致该边界的 进出水量与边界处结点控制均衡区的其它进出水量相比可以忽 略不计时, 则可视为隔水边界。因此, 取隔水边界要慎重。
（1）剖分精细程度, 既要考虑刻画水文地质条件和集水构筑物 特征的需要, 也要考虑计算机的容量与计算速度满足求解问题的 可能。
（2）每个单元内含水层参数要较均一。特别是在矿区中, 当岩 层倾角较大，地下水水位降深又较大, 存在随时间而移动的承压 流与无压流的分界线时, 考虑到在该分界两侧的弹性给水度与重 力给水度在数值上可相差几个数量级,这种条件下, 在承压 -无压 分界线的移动区内, 含水层剖分宜适当加密, 以便较好地刻画给 水度这个参数的分布。
当地表水体和隔水边界不能将计算区自闭起来时,最好在离水源 地或矿区中心较远的弱透水部位
如弱透水断层、灰岩含水层的岩；在不发育地段等, 取人为边
界。 这里强调一下, 所谓 " 弱透水边界 " 并非自然边界,
பைடு நூலகம்
而是人为边界。若含水层岩性比较均一, 且分布广阔，没有发
现弱透水层的存在, 则宜在离水源地或矿区中心足够远处用观
还是两者均有的形式； 上部含水层是均质结构、二元结构, 还是多层非均质结构。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（一）计算区的范围、边界条件和地下水流动类型的确定
2．确定计算区的垂直范围、含水层系统的结构及 地下水流动方程的类型
确定的垂直范围、含水层系统结构, 再分析地下水的补给、排 泄〈包括抽水井和矿坑排水等〉形式等因素,可以确定地下水 流动属于二维的、准三维的还是三维的。进一步考虑地下水 的动态特征, 是稳定的还是非稳定的。
后者来说，若是承压含水层，首先比较水头与含水层顶面的 高低，以判断该层地下水属于承压或无压状态，从而选择对 应的弹性给水度μe 或重力给水度μd； 若是层状无压含水层, 则首先比较该层水位与各层界面的标 高，以确定μd参数的取值层位。
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（三）初始时间及初始水位的确定