地下水数值模拟

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
模块及其作用
**定水头边界(CHD)
定水头(0)
定水头(1)
Leabharlann Baidu
底板
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 单元水头 Hcell
小尺度模型的人工边界
侧面积 Aside
边界水头 H0
渗透系数 K
补给流量 q
边界距离 D 导水系数(单位?)
K Aside q=C(H0Hcell); C= D
➢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, 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。
Visual Groundwater
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 8.抽水井(WEL)模块 9.干湿单元转化处理(Re-wetting)
三维有限差分模型与MODFLOW
**使用VMODFLOW建立模型：水流和溶质运移
现场数据收集 简化
水流 MODFLOW MODPATH Zone Budget
溶质运移 MT3D RT3D SEAWAT
水文地质分析
提出概念模型
Visual MODFLOW
2D Graphical Output
3D Explorer Output
可暂且处理为 水面蒸发
ET
蒸发强度随 潜水埋深的
z
加大而减弱
ET = 0
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)
渗透系数宽度长度
导水系数C= 沉积物厚度
模块及其作用
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，其自然下渗已在上 层含水层中产生了一个污染羽。本例将向你显示如何一 步步地为这个场地建立一个地下水流动和污染物运移的 模型。这个模型将显示燃料污染物对生活供水井的潜在 影响。
在讨论时，我们将该场地在平面上的视图指定为上北 下南左西右东。如图所示，地下水在一个由上部潜水 含水层、中间弱透水层和下部承压含水层所组成的三 层系统中自北向南（平面图上是从上到下）流动。上 下含水层的渗透系数为2e-4m/s，弱透水层的渗透系
数为1e-10m/s。
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。
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
1. 定义模型范围 2. 设置边界条件 3. 设置源汇项 4. 水文地质参数分区及赋值 5. 空间离散 6. 建立数值模型 7. 定义模拟区 8. 设置含水层空间分布 9. 概念模型-》数值模型转换 10.检查输入 11.运行模拟，查看模拟结果。
**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。
变干的单元 即将变湿的单元
干单元可以从下部的 单元得到补给
干单元也可以从侧面 的单元得到补给
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。
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 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
给水度及单位涌水量； 含水层分布规律，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。
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
三维有限差分模型与MODFLOW
**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
**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：抽水为负流量；注水为正流量
模块及其作用
网格剖分——空间离散化
y
y
j
j
6
P
5
4
3 2
1123 4 5 6
(i,j)=(7,6)
xi
6
P
5
4
3 2 1
123 45 6
(i,j)=(7,6)
xi
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 ThreeDimensional 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序。
模块及其作用
**排水沟边界(DRN)模块
排水流量 q=C(Hcell z0), Hcell>z0 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
入渗补给
h
饱和带
M
隔水底板
非饱和带
z
模块及其作用
**蒸散(EVT)模块
潜水蒸发
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
列
**MODFLOW差分模型
分层网格
行
模拟层
格点
三维有限差分模型与MODFLOW
**MODFLOW差分模型
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、
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。
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。
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。
引自百度（http://baike.baidu.com/view/1196149.htm）
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。
地下水流数值模拟资料需求
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