地下水模拟技术及应用培训
《地下水数值模拟》课件
CHAPTER 04
地下水数值模拟的案例分析
案例一：某地区地下水污染模拟
总结词
该案例展示了如何运用地下水数值模拟技术 预测和评估某地区地下水污染情况。
详细描述
该案例首先介绍了该地区的地下水分布和流 向，然后通过建立数值模型，模拟了不同污 染源对地下水的影响，并预测了污染扩散的 范围和程度。最后，根据模拟结果，提出了 相应的污染防治措施。
VS
有限体积法适用于不规则的网格系统 和复杂的边界条件，能够得到相对准 确的结果，计算量适中，适用于较大 的模型规模。
CHAPTER 03
地下水数值模拟的步骤
建立数学模型
01
确定研究区域和边界条件
02
描述地下水流动和物质传输过程
03
建立数学方程，包括连续性方程、动量方程、源汇 项等
模型离散化
1
地下水数值模拟的应用
地下水数值模拟广泛应用于水资源管理、环境保护、地质 灾害防治等领域。
通过模拟地下水动态变化，可以预测未来地下水资源量、 评估地下水污染风险、研究地下水与地质灾害的关系等， 为相关决策提供科学依据。
CHAPTER 02
地下水数值模拟的基本方法
有限差分法
有限差分法是一种将偏微分方程离散 化为差分方程的方法，通过在时间和 空间上将偏微分方程近似为差分方程 ，从而将连续的物理量离散化为离散 的数值。
随着数值计算技术的发展，地下水数值模型将越来越复杂，能够 模拟更多的物理过程和化学反应。
参数优化和数据同化
通过人工智能和机器学习技术，对模型参数进行自动优化和数据同 化，提高模拟精度和可靠性。
多尺度模拟
从微观到宏观的多尺度模拟将成为一个重要方向，能够更好地揭示 地下水系统的复杂性和规律性。
数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究
数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究一、引言随着人口增长和经济发展，地下水资源的管理和保护变得愈发重要。
为了更有效地开发和利用地下水资源，数值模拟技术被广泛应用于地下水资源开发中。
本文将探讨数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究。
二、地下水模型构建地下水模型是数值模拟技术的核心。
地下水模型通过建立地下水系统的数学方程组来描述地下水流动规律，并运用计算机算法进行求解。
地下水模型的构建包括收集地质、水文数据，选择合适的数学模型，以及制定数值模拟的边界条件等。
三、地下水资源开发与管理1. 地下水开采模拟数值模拟技术可以模拟地下水开采过程中的水位变化、水质变化以及地下水补给量等。
通过数值模拟，可以预测不同开采方案下的水位变化，找到最佳的水源配置方案，以及评估开采对地下水系统的影响。
2. 地下水污染模拟地下水污染是严重威胁地下水资源安全的问题之一。
数值模拟技术可以模拟污染物在地下水中的传输和扩散过程，预测污染物的传播范围和浓度变化，并评估污染物对地下水质量的影响。
这些模拟结果可以为地下水污染防治提供科学依据。
四、数值模拟技术的优势与挑战1. 优势：数值模拟技术具有模拟范围广、模拟结果可视化、预测能力强等优势。
它能够模拟复杂的地下水系统，提供直观的模拟结果，并为决策提供科学依据。
2. 挑战：数值模拟技术在地下水资源开发中也存在一些挑战。
首先，数值模型的建立需要大量的地质、水文数据，数据的质量和准确性对模拟结果有重要影响。
其次，地下水系统的复杂性导致模型的参数不确定性增加，模拟结果的可靠性有待提高。
此外，模型的计算量大，需要高性能计算机设备支持。
五、数值模拟技术在地下水资源开发中的案例应用1. 案例一：某地地下水资源开发规划通过建立地下水模型，模拟不同的开采方案，预测地下水位的变化，并分析开采对地下水系统的影响。
在此基础上，提出合理的开采方案，保证地下水资源的可持续利用。
2. 案例二：某城市地下水污染防治通过建立污染物传输模型，模拟污染物在地下水中的传播过程。
地下水系统模拟与管理的研究与应用
地下水系统模拟与管理的研究与应用地下水是指地表以下岩石或土壤中的水体，它是一种重要的自然资源，对于人类的生产生活有着重要的作用。
然而，由于人类的活动和环境的变化，地下水面临着日益严重的污染和过度开发的问题。
因此，开展地下水系统模拟与管理的研究与应用十分重要。
地下水系统模拟是指通过建立数学模型来描述和模拟地下水系统的运动和变化规律，以便更好地理解和预测地下水的行为。
地下水模型通常包括一组方程和关系，可以考虑蓄水层地质、水文、水动力、水力学、物理化学和生物地球化学等过程。
地下水系统模拟可以帮助我们通过模拟地下水流动、水质变化、污染传输等过程，了解地下水资源的可持续性，评估地下水的开发利用潜力，指导地下水的保护、管理和治理。
地下水系统管理是指在地下水资源开发利用过程中，通过合理的管理与调控措施，保护和维护地下水资源的可持续性利用。
地下水管理工作包括地下水资源评价、地面水与地下水调配、水资源保护与管理、水源优化利用等内容。
地下水系统管理可以通过合理规划和管理水资源，提高地下水的可用性和利用效率，减少地下水资源的污染和过度开发问题。
地下水系统模拟与管理的研究与应用对保护和管理地下水资源具有重要意义。
首先，地下水系统模拟可以帮助我们更好地了解地下水的运动和变化规律，揭示地下水资源的时空分布特征，为地下水资源的开发利用提供科学依据。
其次，地下水系统模拟可以用于预测和评估地下水资源的可持续性，为决策者提供科学依据，指导地下水的合理开发与管理。
第三，地下水系统管理可以通过制定相应的政策、法规和管理措施，来保护和管理地下水资源，减少地下水的污染和过度开发问题，维护地下水资源的可持续发展。
地下水系统模拟与管理的应用领域广泛，包括水资源管理、城市供水、灌溉农业、环境工程和生态恢复等。
在水资源管理中，地下水系统模拟可以帮助决策者制定合理的地下水开采方案，解决水资源短缺和供需矛盾问题。
在城市供水中，地下水系统模拟可以优化城市供水系统的规划和运行，保障城市居民的用水需求。
地下水模拟技术及应用培训(3)ppt课件
问题 识别问题（调参） 预报问题 管理问题（探测问题）
输入(X)
结构( f( ) )
输出(Y)
4
模型分类
模型分类：
• 实体模型-土柱、渗流槽、等 • 概念模型-文字、框图、示意图等
• 数学模型-解析模型、数值模型
系统状态上：
• 水流（量）模型 • 溶质运移模型 • 热运移模型 • 地下水-介质应力应变（地面沉降）模型
14
有限差分法基本思想：用渗流区内选定的有限个离散点 的集合来代替连续的渗流区，在这些离散点上用差商来 近似代替导数，将描述求解问题的偏微分方程及其定解 条件化为一组以有限个未知函数在离散点上的近似值为 未知量的差分方程组，然后对差分方程组进行求解，得 到所求解在离散点上的近似值。
有限单元法基本思想：用有限个单元的集合来代替渗流 区，选择简单的近似函数（常用多项式差值）表示单元 内部的状态（水头、浓度、温度的未知函数）分布，运 用Rayleigh-Ritz法、Galerkin法或均衡法等建立单 元内未知变量的表达式，最后集合单元方程形成整个渗 流区的代数方程组，并求解方程组得到未知变量（水头、 浓度、温度等）在节点上的值。
x
2x
h hi1, j hi1, j
x
2x
2020/1/12
数值法
21
根据上述推导，两次运用中心差分方法，对 (T h )
x x
可以写出如下公式：
h 1 h
h
(T ) (Tx
Tx
)
x x x x i 1, j
x i 1, j
2
2
1 x
x
T y
h h k1
地下水数值模拟技术与应用大纲
2.4建模所需要的基本资料
三、GMS上机实习操作
3.1一个完整的地下水流模型算例
地下水数值模拟技术培训提纲
课程
内容
一、数值模拟技术及模拟软件GMS简介
1.1地下水数值模拟技术简介及发展趋势
1.2国内外主要地下水模拟软件简介
1.3GMS中常用的modflow模块介绍
二、数值模ห้องสมุดไป่ตู้基础及方法理论
2.1水文地质学基础（连续性原理、达西定律、水均衡原理）
2.2求解地下水运动方程的数值方法（地下水流基本方程、几类特殊水文地质问题数学模型及解析解）
地下水模拟技术及应用培训(3)
当网格划分得足够小时，曲折 的格线也能够很好地刻画出边 界的形状。
通常，有限差分法用矩形网格 剖分。X和Y方向的空间步长分 别为：x、y。
h2
4
P1 T
h1
h2
4
P2 T
天然条件下，P1＝P2＝0，得： h1=4m, h2=8m
设定流量抽水P1＝P2＝20000m3，得： h1=2m, h2=4m
实际工作中，可以将网格剖分的足够小，以满足对 精度的要求。
二 维 矩 形 网 格 剖 分
以二维矩形剖分为例，运用质量守恒原理和达西定律， 可以推导出每一个矩形单元的均衡方程。
题解：设两个单元的问题水位分别为h1和h2，根据质量守恒 原理和达西定律，建立两单元的均衡方程如下：
W
T
(h2
L
h1 )
W
T
(h1 0) L2
N
L W
P1
0
W
T
(h1
h2 ) L
N
L
W
P2
0
给定上例具体数据：L=W=10000m，N=0.4mm/d，
T=10000m2/d ，
得：
3h1
中科院计算所培训
地下水数值模拟技术与应用 第三讲 地下水建模方法和步骤
主要内容
2.1 地下水模型概述 2.2 一个简单的算例-2单元模型 2.3 求解地下水运动方程的数值方法 2.4 水文地质概念模型 2.5 建模步骤（以水量模型为例） 2.6 模型应用（主要以水量模型为例）
2.1 地下水模型概述
k
xy
t
S
hk 1 i, j
hik,
j
xy
中科院计算所培训地下水模拟(2)
水量均衡法旳合用条件
困难和限制条件某些均衡要素和求取均衡要素旳水文地质参数难以拟定或不精确，造成计算误差较大是一种集中参数措施，难以精确给出地下水各要素随空间旳变化不能精确拟定地下水旳可开采资源量极难给出详细地下水开发利用方案
开采条件下旳均衡方程式（Q补+Q补）-（Q排-Q排）–Q= Q储 上式简化为： Q=Q补+Q排+Q储 式中：Q补－为计算时段内地下水系统因为开采所取得旳补给增量（m3/d）；Q排－为计算时段内地下水系统因为开采所降低旳消耗量，即被截取旳补给量（m3/d）； Q储－为计算时段内地下水系统因为开采所引起旳储存量旳变化量（m3/d）；Q－为人工开采量（m3/d）。
By SHAO Jingli at WRE, CUGB
By SHAO Jingli at WRE, CUGB
By SHAO Jingli at WRE, CUGB
地下水资源评价旳任务和内容水资源评价旳定义 水资源评价是指对水资源旳源头、数量范围及其可依赖程度、水旳质量等方面旳拟定，并在此基础上评估水资源利用和控制旳可能性。--UNESCO and WMO,1988.可以看出：水资源时空分布特征及变化规律；水资源旳数量和质量；水资源旳可利用性及保证程度；水资源规划和开发利用旳基础。
By SHAO Jingli at WRE, CUGB
安全开采量（ Safe yield ）Safe yield is the amount of naturally occurring groundwater that can be withdrawn from an aquifer on a sustained basis, economically and legally, without impairing the native groundwater quality or creating an undesirable effect such as environmental damage.－From Groundwater Hydrology by D.Todd
地下水地球化学模拟的原理及应用
地下水地球化学模拟的原理及应用1. 原理介绍地下水地球化学模拟是指利用数值模型来模拟地下水中的化学物质的迁移和转化过程。
通过模拟，可以预测地下水中的化学物质的分布、浓度和变化趋势，有助于理解地下水污染的来源和传播机制，以及评估污染物对环境的潜在风险。
1.1 模拟过程地下水地球化学模拟的过程主要包括以下几个步骤：1.收集数据：收集与模拟相关的地下水、岩石和化学物质的数据，包括地下水流速、温度、pH值、离子浓度等。
2.构建模型：根据收集到的数据，构建数学模型来描述地下水流动和化学物质的运移转化过程。
常用的模型包括反应输运模型、饱和非饱和模型等。
3.设定边界条件：设置模拟的边界条件，包括模拟区域的边界、初始条件、边界条件和模拟时间。
4.运行模拟：利用计算机程序运行地下水地球化学模型，得到模拟结果。
5.分析结果：对模拟结果进行分析和解释，比较模拟结果与实际观测数据的吻合程度，评估模型的可靠性。
1.2 模拟方法地下水地球化学模拟可以采用多种方法，常用的方法包括：1.物理模型：基于物理原理和现象构建模型，如流体力学、质量平衡等。
此方法用于描述地下水的流动和化学物质的迁移过程。
2.数值模型：利用数值方法对地下水流动和化学物质迁移过程进行离散化处理，然后求解模型方程。
常用的数值方法包括有限元法、有限差分法等。
3.统计模型：基于统计学方法构建模型，通过对历史数据的统计分析来预测未来的地下水化学物质变化。
此方法适用于数据不完备或者难以取得的情况。
2. 应用领域地下水地球化学模拟在许多领域具有重要的应用价值。
2.1 地下水资源管理地下水地球化学模拟可以帮助管理者预测地下水中的污染物浓度分布和变化趋势，从而制定相应的管理措施。
例如，在地下水水源地保护区，可以通过模拟预测地下水中污染物的迁移路径和速度，进而确定污染源的位置和扩散范围，以便采取相应的保护措施。
2.2 地下水污染治理地下水地球化学模拟可以用于评估地下水污染物的潜在风险，并指导治理工程的设计和实施。
地下水数值模拟的fac方法研究与应用
地下水数值模拟的fac方法研究与应用1 地下水数值模拟的FAC方法地下水数值模拟方法是一种模拟地下水运动状况的数值技术，是水动力学和地质模拟的基础。
FAC（Fully Approximate Computing）方法是目前应用最为广泛的地下水模拟算法。
即通过完全近似的方法，在模拟地下水系统时，把地体地球物理性质进行近似处理，从而获得计算速度大大加快的优势。
FAC方法在计算机科学层面获得了成功应用，优化了地下水系统的计算效率，提升了地下水模拟的准确性。
2 FAC方法的原理FAC方法的全称是Fully Approximate Computing，即完全近似计算。
因为地下水系统存在着复杂的流动过程，计算量极大，所以无法直接对地下水系统的所有参数进行计算，而需要将待模拟的地下水系统的参数进行近似处理。
FAC方法采用一种"准周期"方法来加速地下水系统的模拟，从而缩短模拟时间。
简单地说，它是把两个不同步骤同步化，从而减少了计算量和时间。
3 FAC方法的优势FAC方法主要有四种优势：1. 能够模拟复杂的尺度环境;2. 能够实现井筒反应，解决水力学和水文学中涉及的众多几何问题;3. 计算速度更快，提高地下水模拟的准确性;4. 能够实现三维的地下水系统的数值模拟，更好地反映地下水运动的特征。
4 FAC方法的应用FAC方法在地下水模拟方面已经有了很多的应用，主要包括：1. 污水处理：FAC方法可以用于研究和模拟污水处理区域的水质变化，为污水处理提供技术支持;2. 设计灌溉水系统：FAC方法可以用于设计、评估、调节灌溉水系统，可以清楚地了解水利模型对水资源变化的影响;3. 水源地开发：FAC方法可以找到最优的水源地开发地点，以便得到充足的和质量满足环保要求的水源;4. 水质管理：FAC方法可以用于模拟污染物的运移和转化，以及水质污染问题的排放管控和应急措施。
以上是关于地下水数值模拟的FAC方法研究与应用的简介。
地下水模拟技术及应用培训(4)
ground-water flow model）是由美国地质调查局上世纪80年代
开发的基于有限差分法的孔隙介质中三维地下水流模拟程序， 现已推出MODFLOW88、96、2000和2005四个版本，已成为功
GMS (Groundwater Modeling System， windows)
Visual Modflow （windows）
综合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和 WinPEST 等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件， 可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟。 合理的菜单结构、友好的界面和功能强大的可视化特征 和极好的软件支撑使之成为许多地下水模拟专业人员选 择的对象。 采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维地下水流、 溶质和热运移模拟。溶质运移中考虑带有非线性吸附作 用、衰变、对流、弥散的化学物质运移；热运移考虑贮 存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；并 可对污染物和温度场同时进行模拟。对于多含水层的混 合井流分析，feflow 有多种理论模式进行选择。运用达 西、泊松以及manning-strickler理论的离散单元分析。
能完善、扩展性强、应用最为广泛的地下水流模拟程序。
主要功能
模拟稳定、非稳定地下水流 非均质含水层，简单的各项异性含水层 二维、三维地下水流模拟 承压、潜水、承压-无压含水层地下水流模拟
适用条件
饱和空隙介质地下水流，地下水流动满足达西定律。
主要特点：
采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编； 采用模块化结构，MODFLOW程序可分为一个主程序和若干个高度独 立的子程序（模块，modules），若干相关的子程序整合形成具有特 定功能的子程序包（pakages）。使程序易于理解和修改，便于二次 开发和增加新的模块和子程序包，对其功能进行扩展； 离散单元的简单化。采用矩形不等距网格离散，便于用户对模拟区剖 分和准备输入数据，输出的计算结果也比较规范化。Upscale技术； 在时间离散上，引入应力期的概念，便于模拟期内时间段的划分和时 间步长的设定； 求解方法多样化； 输出格式的标准化和多样化；
地下水数值模拟课程报告
地下水数值模拟课程报告地下水数值模拟课程报告1. 简介本报告针对地下水数值模拟课程进行总结和评估，旨在为相关的学习者提供参考和指导。
2. 课程概述•课程名称：地下水数值模拟•授课方式：线上/线下•课程时长：XX周/XX学时•主要内容：介绍地下水数值模拟的基本原理、模型建立与参数估计、数值计算方法等内容。
同时，通过案例分析和实践操作，帮助学习者理解和运用地下水数值模拟技术。
3. 课程收获知识与理论通过本课程的学习，学员将掌握以下知识与理论： - 地下水数值模拟的基本原理和方法； - 数值模型的建立与参数估计技巧； - 常用的地下水数值计算软件和工具； - 地下水数值模拟在实际工程中的应用。
技能与能力在课程学习完成后，学员将具备以下技能与能力： - 能够独立建立地下水数值模型并进行模拟计算； - 熟练掌握地下水数值模拟软件的使用方法； - 能够分析和解释数值模拟结果，提出相应的工程决策建议。
4. 课程评估本课程评估主要采用以下方式： - 课堂作业：通过布置的课堂作业，检验学员对所学知识的理解和运用能力。
- 期末考试：考查学员对地下水数值模拟的基本概念、原理和方法的掌握程度。
- 项目实践：要求学员运用所学知识建立地下水数值模型，并分析结果，完成相应的报告。
5. 课程建议为了进一步提升课程的质量和效果，我们提出以下建议： - 加强实践环节：增加课程的实际操作时间，让学员能够更多地亲身参与到地下水数值模拟的实践中。
- 案例分析：增加案例分析和真实工程案例的讲解，帮助学员更好地理解地下水数值模拟在实际应用中的价值和局限性。
- 互动交流：鼓励学员之间的互动交流，通过小组讨论、研讨会等形式，促进学员的学习和思考。
6. 结语通过本课程的学习，学员们将掌握地下水数值模拟的基本理论和方法，提升工程实践中的解决问题能力。
同时，希望学员们能够将所学知识运用到实际工作中，为地下水资源的合理开发和管理做出贡献。
注：本报告仅为学术研究报告，未涉及具体案例内容。
地下水数值模拟的研究与应用进展
地下水数值模拟的研究与应用进展地下水数值模拟是指利用计算机和数学模型对地下水系统进行模拟和预测的一种方法。
通过数值模拟，可以预测地下水的水位、水量、水质以及地下水与地表水和土壤水之间的相互作用等情况。
本文将探讨地下水数值模拟的研究和应用进展。
地下水数值模拟的研究主要集中在以下几个方面：第一，模型建立。
地下水数值模拟的第一步是建立数学模型。
常用的地下水数值模型有有限元法、有限差分法和边界元法等。
这些方法可以将地下水系统离散化，并通过计算机模拟地下水系统的运动规律。
第二，参数估计。
地下水数值模拟需要大量的参数来描述地下水系统的特性，如孔隙度、渗透率、水头等。
这些参数往往难以直接测量，需要通过试验或其他方法进行估计。
目前研究者们提出了一系列参数估计的方法，如反问题求解、遗传算法等。
数值算法。
由于地下水系统的非线性和复杂性，数值模拟需要高效、稳定的算法来求解方程。
近年来，随着计算机技术的进步，地下水数值模拟中出现了一些新的数值算法，如并行计算、多核计算等。
除了研究方面，地下水数值模拟也广泛应用于实际工程和科学研究中。
以下是一些地下水数值模拟的应用进展：第一，地下水资源管理。
地下水是重要的水资源，然而地下水资源的开发和利用存在一定的风险。
通过地下水数值模拟，可以模拟地下水系统的响应，帮助决策者科学地管理地下水资源，避免资源的过度开发和污染。
第二，地下水污染控制。
地下水污染是当前面临的重要环境问题之一。
通过地下水数值模拟，可以对地下水污染的来源、传输和演化进行模拟和预测，为地下水污染控制提供科学参考。
地下水排水和灌溉。
地下水数值模拟可以帮助工程师科学地设计地下排水和灌溉系统，提高系统的效率和可靠性。
通过模拟地下水的水动力行为，可以优化排水和灌溉的方案，减少水资源的浪费。
第四，地下水地热利用。
地下水中的热量可以被用于供暖和制冷，被广泛应用于地热能利用。
地下水数值模拟可以模拟地热系统的热量传递过程，优化地下水热交换器的设计，提高地热能利用效率。
地下水基础知识培训
地下水基础知识培训嘿，朋友们！今天咱们来聊聊地下水这一神秘的领域。
您知道吗？地下水就像隐藏在地下的神秘宝藏，默默为我们服务着。
它可不是随随便便就能被忽视的存在哟！地下水，那可是大自然赋予我们的珍贵资源。
它就像一位低调的“地下工作者”，悄无声息地为我们的生活贡献着力量。
想象一下，如果没有地下水，咱们的农田怎么能得到滋润，长出金黄的麦子和饱满的稻穗？城市里的喷泉还能欢快地跳跃吗？咱们口渴的时候又从哪儿能喝到清凉的水呢？地下水的形成，就像是一场奇妙的旅程。
雨水降落到地面，一部分直接流走，一部分慢慢渗入地下。
这就好比我们把钱存进银行，一点点积累起来。
那些渗入地下的水，在土壤和岩石的缝隙中穿梭，汇聚成了地下水。
地下水的类型也不少呢！有孔隙水，就像住在宽敞大房间里的客人，活动空间大；有裂隙水，像是在狭窄通道里行走的行者；还有岩溶水，仿佛在神秘洞穴中探险的勇者。
地下水的运动，也是相当有趣。
它不像江河那样奔腾汹涌，而是缓慢而稳定地流动。
这就好像是一位慢性子的朋友，不慌不忙地走着自己的路。
可别以为地下水是取之不尽用之不竭的哟！如果我们过度开采，就好比是不停地从银行取钱却不存钱，总有一天会把账户掏空的。
而且，如果我们不注意保护，让污染物进入地下，那地下水不就被污染了吗？这就像是给一位纯洁的天使抹黑，多糟糕呀！所以呀，我们得好好保护地下水。
这就需要我们合理开采，就像吃蛋糕，不能一下子全吃光，得留一些给后面的日子。
还要防止污染，不能让那些脏东西靠近地下水，得给它一个干净的环境。
总之，地下水是我们生活中不可或缺的一部分，我们得像爱护自己的眼睛一样爱护它，这样它才能一直为我们服务，您说是不是这个理儿？。
地下水模拟技术及应用培训
地下水模拟技术及应用培训第一部分：地下水模拟技术地下水资源是地球上最珍贵的水资源之一，对于地下水的模拟和研究对于地下水资源的管理和保护至关重要。
地下水模拟技术是指利用水文地质学、水文地理学和现代计算机技术，对地下水的流动、补给、补给和污染传输过程进行模拟和预测的一种技术手段。
它通过数学模型模拟地下水的运动规律，预测地下水位、水质及流向等重要参数，为地下水资源的合理开发和管理提供科学依据。
地下水模拟技术主要包括地下水数值模拟、地下水模型参数估计、地下水模型灵敏度分析和地下水模型不确定性分析等方面。
通过数值模拟，可以实现对地下水埋藏形态、水文地质条件、污染物扩散等过程进行真实、定量地模拟和预测，有效地指导地下水资源的管理和保护。
第二部分：地下水模拟技术应用培训1. 意义与目的地下水模拟技术能够对地下水系统进行全面、纵深模拟，为地下水资源的科学利用、保护和管理提供技术支持和决策依据。
因此，开展地下水模拟技术应用培训具有重要的现实意义。
培训旨在提高从事地下水资源调查、开发、利用和管理等工作人员的地下水水文地质和水文地质模型应用能力，提高地下水模拟预测的科学性和准确性。
2. 内容与方法地下水模拟技术应用培训内容包括但不限于地下水数值模拟原理、地下水模型参数估计方法、地下水模型灵敏度分析与不确定性分析等。
通过讲解、案例分析、实地操作和综合训练等多种培训方法，使学员能够理解和掌握地下水模拟技术的基本原理和方法，具备地下水模型建立和预测的基本能力。
3. 课程设置（1）地下水数值模拟基础知识（2）地下水数值模型参数估计方法（3）地下水模型灵敏度分析（4）地下水模型不确定性分析（5）实例分析与综合应用4. 培训对象本课程面向地下水资源、水文地质、水文地理等相关专业的从业人员，包括但不限于地下水勘察、地下水开发、地下水管理、地下水环境保护等单位的工程技术人员、管理人员和科研人员。
5. 结束语地下水模拟技术应用培训对于推动地下水领域科学与技术的融合与创新，推进地下水资源的可持续利用和保护，具有重要的战略意义。
地下水资源勘查中的模型模拟技术
地下水资源勘查中的模型模拟技术在当今社会，水资源的重要性不言而喻。
而地下水资源作为水资源的重要组成部分，其勘查工作对于合理开发、利用和保护地下水资源具有至关重要的意义。
在地下水资源勘查中，模型模拟技术凭借其强大的功能和独特的优势，正逐渐成为不可或缺的重要手段。
地下水资源勘查的主要目的是了解地下水的赋存状态、运动规律以及水质特征等，从而为水资源的开发利用提供科学依据。
然而，由于地下水系统的复杂性和隐蔽性，传统的勘查方法往往存在一定的局限性。
例如，单纯依靠钻孔取样和水文地质试验，难以全面、准确地揭示地下水系统的时空变化特征。
而模型模拟技术的出现，则为解决这些问题提供了新的思路和方法。
模型模拟技术是一种基于数学原理和计算机技术，对地下水资源系统进行定量描述和预测的方法。
它通过建立地下水系统的数学模型，将复杂的水文地质过程转化为数学方程，并利用计算机进行求解和模拟。
这样一来，就可以在不同的条件下，对地下水系统的动态变化进行预测和分析，为地下水资源的管理和决策提供有力支持。
在地下水资源勘查中，常用的模型模拟技术主要包括水流模型和溶质运移模型。
水流模型主要用于模拟地下水的流动状态，包括地下水位的变化、地下水流量的分布等。
而溶质运移模型则用于模拟地下水中溶质（如污染物、矿物质等）的迁移和扩散过程，对于评估地下水水质和污染防治具有重要意义。
以水流模型为例，其建立通常需要以下几个步骤：首先，要对勘查区域进行详细的水文地质调查，了解地层结构、含水层特性、边界条件等基本信息。
然后，根据这些信息，选择合适的数学模型和求解方法。
常见的水流模型有有限差分法、有限元法和边界元法等。
接下来，利用现场观测数据和试验结果对模型进行参数率定和验证，确保模型的准确性和可靠性。
最后，在模型验证通过后，就可以利用模型进行不同情景下的预测和分析。
溶质运移模型的建立过程与水流模型类似，但需要考虑更多的因素，如溶质的来源、吸附解吸作用、化学反应等。
地下水模拟技术及应用培训
同上
河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层。 计算水文地质单元渗流子程序包，可将实际介质的水文地质属性（渗透性）赋到 个网格上。 基于开发的有粘土夹层的含水层形变子程序包，可计算由于地下水储存量变化引 起的含水层形变量。 在1/2基础上改进的地面沉降和含水层压缩子程序包，可单独计算出粘性土索性 压缩和含水层弹性压缩量。
主要功能 模拟稳定、非稳定地下水流 非均质含水层，简单的各项异性含水层 二维、三维地下水流模拟 承压、潜水、承压-无压含水层地下水流模拟 适用条件 饱和空隙介质地下水流，地下水流动满足达西定律。
主要特点： 采用语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编； 采用模块化结构，程序可分为一个主程序和若干个高度独立的
与接口好，剖分灵活，可 进行复杂的（各向异性） 地下水流、溶质和热运移 模拟。专业性强，价格偏 贵。是目前国内常用的地 下水模型软件之一。
是由德国水资源规划 系统研究所研制开发， 网址： 。
（）
基于开发的在功能上类似于的地下水模型软件，功 能强大，用户界面优化，可视化程度高，可用蒙特 卡洛方法结合、3D进行参数敏感性分析、地下水风 险评价等。
结合么特卡罗方法的随 机地下水数值模拟
美国 , .公司开发：
（） （ ，）
基于有限单元和有限差分方法，二维和三维地下水 流、溶质和热运移模拟软件， …..
交互式二维、三维地下水流和溶质运移数值模拟软 件，可设定确定性、蒙特卡洛和条件蒙特卡洛随机 条件，运用网格逐步加密技术（）进行局部加密。
主要子程序包功能表
子程序包名称
基本子程序包 计算单元间渗流子程序包
水井子程序包
外应 力子
补给子程序包 河流子程序包
程序 排水沟子程序包
地下水模拟技术及应用培训
qK•I
qqqzxyK K Kxyzxxx
Kxy Kyy Kzy
K K Kxzyzzz•IIIzxy
地下水模拟技术及应用培训
1.3 地下水运动基本方程
► 实际含水结构（地下水系统）的复杂性
非均质、向异性、非稳定、三维流、水流、溶质运移、热 运移、形变
► 定量研究：用数学语言来描述，如Darcy定律，但仅 该定律是不够的。如水流问题，有水位和流量两个 变量，要求两个方程联立求解。
地下水模拟技术及应用培训
► 达西定律
Q-渗透流量(L3T-1)； -过水断面(L2)； h-水头损失(水头差，L)； L-渗透途径(L)； K-渗透系数(LT-1)； I-水力梯度(无量纲)。
► 物理意义
地下水由水头（位）高处向 低处流动，流速大小与水力 梯度成正比，比例系数即为 渗透系数。（Fick定律）
)in
(qz
)out
xy
(qz
)in (qz )out
z
xyz
简化，上三式变为：
(q x) x
x y z
(q y) y
x y z
(q z)
x y z
z
地下水模拟技术及应用培训
在t典型单元体的流入
流出质量之差为
( (qx) (qy) (qz)) x y z t
x y z
根据质量守恒原理，流 入流出量的差等于单元 体内储存量的变化量。 令上两式相等，并: xyzt0，有：
▪ 全国地下淡水天然资源多年平均为8837亿立方米，地下 淡水可开采资源多年平均为3527亿立方米；
▪ 全国地下水开采量达到1116108m3/a（1999）。全国年 超采地下水117108m3。至2000年，全国地下水累计超 采已达1531108m3；
地下水模拟技术及应用培训
Re
uD
u－圆管中液体的断面平均流速； D－圆管的直径；
－水的运动粘滞系数；
►层流：Re<2000-3000；紊流：Re>2000-3000 ►达西定律适用范围：Re<1~10，一般地下水流都
在此范围内，所以地下水流一般都可用达西定律来 描述。
► 起始水力梯度问题
对于饱和粘性土中水的运动规律，尚无明确的结论，有些学者对高 致密粘性土达西试验得出（b）和（c）关系，可用罗查公式表示：V=K （I-I0），I0被称为起始水力梯度。
0.001——0.10 0.10——0.50 0.50——1.00 1.00——5.00
中砂 粗砂 砾石 卵石
0.5-0.25 1-0.5 2-20 20-200
5.0——20.0 20.0——50.0 50.0——150.0 100.0——500.0
▪ 达西定律的适用范围 ►雷诺数：表明流体所带动能的大小：
►概念
▪ 渗流：地下水在岩石空隙中的运动。特点：
►运动缓慢； ►不规则； ►不连续（不是空间的连续函数）。
▪ 渗流场：发生渗流的区域。 ▪ 层流：水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。 ▪ 紊流：水的质点无序的、互相混杂的流动。 ▪ 稳定流：各运动要素不随时间变化的水流。 ▪ 非稳定流：运动要素随时间变化的水流。
确定水文地质参数。
► 数值法： ► 解析法： ► 注意：用稳定流模型求参，只能求得K值，而不能通过反
演等到给水度值。而非稳定流模型可得到两者。
名称 亚粘土 亚砂土 粉砂 细砂
粒径（mm） 0.005-0.01 0.01-0.05 0.05-0.1 0.25-0.1
松散岩石渗透系数参考值：
第一讲 地下水数值模拟基础知识
实用文档
承压水:含水层的储水与释水
弹性给水度Ss：承压含水层中当测压水位下降1个单 位，单位水平面积含水层柱体所释放的水量。测区水 位降低导致：
（1）含水层孔隙中水的压力降低—水体积膨胀释 水
（2）孔隙水压力降低，含水层颗粒间有效应力增 加—骨架被压缩（颗粒不变—骨架压缩=空 隙体积减小)—发生释水。
实用文档
地下水分类
• 广义地下水（subsurface water）：地表以下岩石空隙中的水(包气带、 饱水带中的水)
• 狭义地下水（groundwater）：地表以下饱水带岩石空隙中的水（重力 水）
包气带 潜水
承压水
孔隙水 上层滞水 孔隙潜水 孔隙承压水
裂隙水 上层滞水 裂隙潜水 裂隙承压水
岩溶水 上层滞水 岩溶潜水 岩溶承压水
（3）毛细水带（支持毛细水带、饱和毛细水带）
饱水带
岩石空隙被水完全充满 →是二相介质（固相+液相水） 空隙中水的存在形式： ①重力水
重力水：连续分布（孔隙是连边）→传递压力→在水头差 作 用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。
地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！
②结合水
实用文档
如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之 间水位差别不大，深层水与浅层水之间的粘土可 作为隔水层；随着深层水的不断开采，水位大幅 度降低，浅层水向深层“越流”，粘土层成为“ 透水层”。
实用文档
含水层,隔水层与弱透水层：时间相对性
自然界中不存 在绝对的隔水 层，岩层是否 透水取决于时 间尺度。
54 32 1
度变 化而储水与释水！ 动态：受气象，水文因素影响明显，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
主要子程序包功能表
子程序包名称
基本子程序包 计算单元间渗流子程序包
水井子程序包
外应 力子
补给子程序包 河流子程序包
程序 排水沟子程序包
包 蒸发蒸腾子程序包
通用水头子程序包
求解 子程 序包
子程序包 子程序包 子程序包
英文 缩写
功能
指定边界条件、时间段长度、初始条件以及输出 计算有限差分方程组各项的值，即网格间流量和储 存变化量 定义点井的滤水管位置和井流量 定义含水层的面状补排强度 将河流处理为三类边界 如果地下水位高于排水沟底板，则定义为一类边界， 如果低于底板，则无补排量。 按阿维杨诺夫公式处理地下水的蒸发蒸腾量 将边界定义为三类边界条件
模拟非饱和带-饱和带垂向水流子程序包。
同上 同上 同上 同上
源程序已整合到2005中。
局部网格加密（）功能，允许用户在网格更大更粗糙的母模型中模拟更高精度的 源程序已整合到2005中。 局部网格（称为子模型）中的水流。 地下水中质点运移路径的三维质点示踪模型，可进行正向示踪和反向示踪。
基于开发的考虑对流、弥散、源汇项、化学作用的多组分地下水溶质运移模型
中科院计算所培训
地下水数值模拟技术与应用 第四讲 地下水流模型简介
主要内容
3.1 主要功能和主要模块 3.2目前国内外主要地下水模拟软件简介 3.3 简介（简单操作） 3.4 简介 3.5地下水数值模拟发展趋势 3.6一点体会和经验
4
4.1 主要功能和模块
（ ）是由美国地质调查局上世纪80年代开发的基于有限差分 法的孔隙介质中三维地下水流模拟程序，现已推出88、96、 2000和2005四个版本，已成为功能完善、扩展性强、应用最为 广泛的地下水流模拟程序。
一套与地下水有关的综合性岩土环境工 程分析软件，可进行：边坡稳定分析、 岩土应力变形分析、地下渗流、溶质和 热运移模拟、地下水-空气相互作用模拟 以及非饱和带水分运移模拟。
综合的分布式流域模型，可完整地模拟 陆地水循环中地表、非饱和带和地下水 的水量和溶质运移过程。与和有良好的 接口，界面友好，操作简单，可视化功 能强。可应用于水环境影响评价、地下 水地表水联合使用、地下水和地表水管 理等方面。
4 简介
4 简介
a
4 简介
3 a ,, .3 a .3 a .
a. 3
.
4 简介
4 简介
3D a 3.
, , , ., .
4 简介
3D a
. 3 . 3 , 3D a .
4 简介
4 简介
a.
.,
.
4 简介
4 简介
a 3D . . a , , .
4 简介
a.
(), . a . .
网格局部加密可在区域 模型中嵌套局部精细刻 画的地下水模型
基于开发的地下水流和溶质运移模型，软件中整合 简单易学，可进行抽水 了模块，可进行含水介质的弹性和塑性变形量计算。 引起的地面沉降计算。
中国水利水电研究院开 发……
美国密西根州立大学土木 工程和环境工程系开发：. ， 可下载可执行文件、使用 手册等。
入和输出； 允许用户以其他方式修改和输入模型数据； 功能较为齐全： 地下水流、质点追踪、溶质运移模拟； 模型自动识别：、； 分区均衡计算；
演示
4
3.4 简介
–
.a
a , ,,, .
4
简介
功能: 多个软件的集成 - 2D, 3D -a 3 - 3D 3D - 3 3D - 3 – 3D . & - 3D . - . () 2D - 2D . -
是解决基于响应矩阵法的几类线性、非线性和混合二元线性地下水管理问题。
3.2 国内外流行的地下水模型软件
名称 ( ，)
主要功能
特点
开发单位、下载或购 买网址
整合了、、3D、、3D、2D、3D、、、、等模型和程序 包，等可进行水流、溶质运移、反应运移模拟；建立三 维地层实体，进行钻孔数据管理、二维(三维)地质统计， 与有良好的接口。使用界面友好，前、后处理功能及三 维可视化效果优良，目前已成为国际上最受欢迎的地下 水模拟软件。
由美国加州大学伯克利分校 劳伦斯实验室开发，
二维、三维饱和和非饱和带水分、溶质 特别适合有植被条件 和能量运移模型，可进行剖面二维模拟， 下的土壤水-地下水流 用户界面优化，输出的可视化表达较好。 和溶质云以模拟。
美国加州大学河滨分校、盐 湖研究所国际地下水模型中 心和捷克公司联合开发： ，
可下载软件、技术手册和使 用手册。
很全面的岩土工程分 析软件，在地下水方 面国内主要用非饱和 带水分和溶质运移模 型、坝体渗流计算方 面较多。
特别适合地下水-地表 水联系密切条件下水 资源系统的模拟。
位于加拿大卡尔加里的 开 发：. ，可从以上网址了解 有关信息、下载学生版。
丹麦国际咨询和研究机构开 发：，国 的环境模型研 水模拟，与接口好，是目 究实验室开发，网 前国内最常用的软件地下 址：。分销商为：。 水流和溶质运移模拟软件， 但软件较复杂，价格偏贵。
（） （）
综合已有的、、3D、3D和 等地下水模型而开发的可视 化地下水模拟软件，可进行三维水流模拟、溶质运移模 拟和反应运移模拟。合理的菜单结构、友好的界面和功 能强大的可视化特征和极好的软件支撑使之成为许多地 下水模拟专业人员选择的对象。
目前国内常用于浅层地 下水系统热运移模拟。
美国地质调查局开发： ，可下载可执行程序和使 用说明。
2 （）
23D （）
（）
（）
通用的中渗流、多组分溶质运移和热运 移数值模拟程序，适用二维和三维、饱 和及非饱和多孔介质和裂隙介质问题， 主要用于地热工程、核废料处理、环境 评价与治理等方面。
基于77开发的，适于 在任何平台上运行， 目前国内多用于地下 热水运移模拟。
子程序（模块，），若干相关的子程序整合形成具有特定功能 的子程序包（）。使程序易于理解和修改，便于二次开发和增 加新的模块和子程序包，对其功能进行扩展； 离散单元的简单化。采用矩形不等距网格离散，便于用户对模 拟区剖分和准备输入数据，输出的计算结果也比较规范化。技 术； 在时间离散上，引入应力期的概念，便于模拟期内时间段的划 分和时间步长的设定； 求解方法多样化； 输出格式的标准化和多样化； 资源丰富，可在有关网站上下载源程序、参考手册、操作手册
与接口好，剖分灵活，可 进行复杂的（各向异性） 地下水流、溶质和热运移 模拟。专业性强，价格偏 贵。是目前国内常用的地 下水模型软件之一。
是由德国水资源规划 系统研究所研制开发， 网址： 。
（）
基于开发的在功能上类似于的地下水模型软件，功 能强大，用户界面优化，可视化程度高，可用蒙特 卡洛方法结合、3D进行参数敏感性分析、地下水风 险评价等。
同上
河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层。 计算水文地质单元渗流子程序包，可将实际介质的水文地质属性（渗透性）赋到 个网格上。 基于开发的有粘土夹层的含水层形变子程序包，可计算由于地下水储存量变化引 起的含水层形变量。 在1/2基础上改进的地面沉降和含水层压缩子程序包，可单独计算出粘性土索性 压缩和含水层弹性压缩量。
.
动画演示
4 简介
2D a 2D . 2D ( ) . 2D .
4 简介
4 简介
4 简介
4 简介
4 简介
优点 适用面广，几乎可用于建立所有类型的地下水模型 前处理程序好：源汇项、各类边界均有单独模块处理 有大量的参考手册和源程序代码，便于根据自己的需要修
改 技术支持好，软件更新快 对硬件要求不高 价格合理 缺点 功能强大，但操作过于复杂。 计算结果的输出、可视化表达需进一步完善。 无法处理一些特殊条件，如：蒸发、排水沟、多和方向的
适用于孔隙介质三维地下 水模拟，简单易学，价格 相对便宜，是目前国内最 流行的地下水流和溶质运 移模拟软件之一。
加拿大水文地质公司 开发研制 或 .
采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维地下水流、 溶质和热运移模拟。溶质运移中考虑带有非线性吸附作 用、衰变、对流、弥散的化学物质运移；热运移考虑贮 存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；并 可对污染物和温度场同时进行模拟。对于多含水层的混 合井流分析， 有多种理论模式进行选择。运用达西、泊 松以及理论的离散单元分析。
由台湾人 开发：，可免费 下载该软件。
（）
3D (3D ，)
三维地下水流、溶质运移和热运移模拟软件，可采 用地卡尔坐标和极坐标，适于孔隙介质、裂隙介质 和双重介质地下水模拟。
裂隙介质和双重介质地 美国 公司开发： ，可下载
下水模拟
参考手册和使用手册。
基于有限差分法的三维热及溶液运移模型。可以模 拟三维空间地下水流及有关的热、溶液运移，进行 地质废物处置、填埋物浸出、盐水入侵、淡水回灌 与开采、放射性废物处理、水中地热系统和能量储 藏等问题的分析。
结合么特卡罗方法的随 机地下水数值模拟
美国 , .公司开发：
（） （ ，）
基于有限单元和有限差分方法，二维和三维地下水 流、溶质和热运移模拟软件， …..
交互式二维、三维地下水流和溶质运移数值模拟软 件，可设定确定性、蒙特卡洛和条件蒙特卡洛随机 条件，运用网格逐步加密技术（）进行局部加密。
为汉字界面和帮助，有 利于国内专业人员学习 和使用。
3.3 介绍
加拿大大学水文地质公司开发研制， ； 是基于开发的一套可视化程度较高的三维地下水模拟软件；是
国际上流行的、被国内外同行一致认可的地下水模拟标准化软 件，现有近百个国家上万个用户使用该软件； 主要功能： 地下水流模拟； 质点追踪，正向追踪，反向追踪； 3多组分溶质运移模拟；
主要特点 基于系统开发的软件，界面友好，简单易学； 具有较为强大的图形可视化程度功能，图形化输
各向异性、…..