FEFLOW在模拟大区域地下水流中的特点(出版稿)

北京圣海林生态环境科技股份有限公司1FEFLOW在模拟大区域地下水流中的特点林坜1杨峰2崔亚莉3邵景力3(1北京市水利自动化研究所1000362北京市水利水电技术中心1000733中国地质大学水资源与环境学院北京100083)摘要：大区域（大尺度空间范围上的）地下水系统通常由不同的地貌单元组成，水文地质条件复杂，建立地下水流模型的目的和要求、水文地质结构、流场、参数分区、各种补排项概化和处理方面与小区域模型有较大的差异，因此建模的准则也不同。FEFLOW对含水层分层、单元剖分、离散点插值、数据转换、边界条件赋值、河流边界、含水层均衡项等处理的特点，提高了建立地下水流模型的效率，使它更加适宜于建立大区域地下水流模拟模型。关键词：地下水流模拟FEFLOW大区域地下水系统中图分类号S273.4文献标识码B文章编号1673-4637(2007)01-0043-05FEFLOWmodelingtechniquesappliedingroundwatersystemoflarge-scaleareasLIN-Li1YANG-Feng2CUI-Ya-li3SHAO-Jing-li3(1.BeijingResearchInstituteofWaterAffairAutomation,100036,China;2.BeijingWaterTechnologyCenter,100073,China;3CollegeofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing,100083,China)Abstract:Large-scaleareagroundwatersystemgenerallyconsistsofdifferentgeomorphologicunitsandcomplicatedhydro-geologicalconditions.thereforeitisquitedifferentfromthewatersysteminsmall-scaleareasintermsoftheobjectivesandrequirementsofmodeling,hydro-geologicalstructure,flowfields,parameterlayoutandcomputationofvariousrechargeanddischarge.Asaresult,therulesofmodelingforthesetwosituationsarealsodifferent.Becauseitiscapableofhandlingthepartitionofaquifers,generationofmeshes,interpolationofdiscreteconditionsanditcangreatlyimprovetheworkefficiency,FEFLOWisprovedtobemoresuitabletobuildgroundwatermodelforlarge-scaleareas.Keywords:groundwater;modelingFEFLOWGroundwatersysteminlarge-scaleareas近年来，地下水资源评价已不再完全拘泥于传统的相对小范围内的评价，随着模拟技术的向前推进，水资源评价工作的进一步扩展，在本着科学发展观的前提下，政府决策部门在解决小区域水资源问题的同时，也趋向于制定、管理宏观上的、大范围的水资源调配供需问题。为了做好大区域的水资源评价、预报和管理工作，提高区域整体管理水平和科技水平，研究区域数字化[1]是重要发展趋势。因此选择一个合理的、实用的地下水数值模拟手段是相当必要的。基于有限元原理的FEFLOW[2]以其优于其它模拟软件的特点可以很好地对大区域地下水流进行数字模拟，从而为决策者提供大区域水资源管理的科学依据。_____________收稿日期：2006-11-20作者简介：林坜（1980.12—），女，硕士研究生，助理工程师。北京圣海林生态环境科技股份有限公司21大区域地下水系统数值模拟的特点1.1目的和必要性大区域地下水系统一般是指空间尺度较大的水文地质单元，通常是流域和盆地尺度的，如华北平原、关东盆地地下水系统等。大区域地下水系统分布面积广大，地下水的开发利用程度较高，或多或少产生一定的地质和生态环境问题，如地面沉降、塌陷、土壤次生盐渍化、海水入侵等，因此，有必要运用地下水模型的方法，评价大区域地下水资源量，预测一定开采条件下地下水的变化趋势，为地下水的合理开发利用和区域可持续发展提供决策依据。1.2特点大区域一般由多个地貌单元组成，水文地质条件复杂，加之伴随一系列的生态和地质环境问题，给地下水模拟和资源评价带来一定的难度，主要表现为存在时空尺度选择和信息不足的问题[3]。下面将以华北平原为例来说明建立大区域地下水三维数值模型的原始资料整理特点。由于华北平原面积约14×104km2，按成因和形态特征可划分为山前冲洪积倾斜平原，中东部冲积湖积平原，黄河冲积扇及滨海冲积海积平原。在平缓倾斜的大平原上，多种复杂的大地貌和小型地貌交错重叠，使得水文地质结构十分复杂。在平面上，不同的地貌单元的含水层结构、富水性有差异，因此，很难概化为传统的统一分层结构。本研究兼顾大区域含水系统整体结构特点，找寻宏观的大区域上的岩性分布规律性，将整个含水空间在垂向上概化为三个含水层组，这一点突破了传统意义上的水文地质含水层结构概化，即含水层间存在相对稳定的隔水层的结构。大区域一般由不同的行政分区组成，华北平原包括北京、河北、山东、河南和天津5个行政区。由于各行政区的水文地质条件不同、研究程度不同，甚至工作的规范和标准也有差异，使得跨大行政区的水文地质概念模型的建立尤为困难。这里的水文地质概念模型包括前述水文地质结构、地下水流场、参数分区、各种补排项的分布、边界条件等，这需要各行政区专业人员协作完成，工作量和难度远远大于小区域或水源地的地下水模拟。大区域地下水的补排量通常也是以行政区统计的，如地下水的开采量通常是以县为单位统计的，灌溉入渗量通常是以灌区为单位给出的，在运用模型预测时，所给的规划开采量等也大都以行政区为单位给定。1.3模型准则大区域地下水模拟的目的主要用于区域地下水资源评价和宏观规划开采条件下地下水变化趋势的预测，为区域地下水合理开发利用和宏观发展规划提供决策依据，因而，所建立大区域地下水模型要求能反映区域水文地质条件，能宏观描述地下水流动特征，而不是像水源地模型那样精确刻画抽水-地下水位之间的关系，总的建模准则是：（1）识别后的模型的结构及参数应基本符合全区实际水文地质条件；（2）模拟的流场与实际流场整体趋势一致，即能反映区域地下水的流向和主要的区域地下水漏斗；（3）模拟的地下水变化过程和趋势应与实际地下水位动态趋势一致，水位动态应能反映年内和多年水位变化。水位拟合误差要控制在一定的范围内，以便为大区域水资源规划方案制定提供尽量精确的依据。2FEFLOW的特点和功能FEFLOW(Finiteelementsubsurfaceflowsystem)是德国WASY水资源规划和系统研究所于20北京圣海林生态环境科技股份有限公司3世纪70年代末开发的数值模拟软件，它采用有限元法可以进行复杂三维非稳定水流和污染物运移模拟。Feflow的有限元方法方便用户建立模型进行复杂三维地质体的地下水流及溶质运移分析，在这方面其功能要强于诸多基于有限差分的模拟软件[4-5]，例如：PMWIN[6]，VisualModflow[7]，GMS[8]等。2.1系统输入特点通过标准数据输入接口，用户既能直接利用已有的GIS空间图形数据生成有限单元网格，也可以手动生成网格。所有模型参数、边界条件及附加条件既可设置为常数，也可定义为随时间变化的函数。FEFLOW提供克里金(Kriging)，阿基玛(Akima)和距离反比加权法(IDW)等插值方法。输入数据格式既可以是ASCII码文件，也可以是GIS地理信息系统文件。2.2FEFLOW系统模型求解特点FEFLOW可以模拟三维空间水流模型，也可模拟非稳定流及多层自由表面含水层，也可模拟非饱和带中物质运移过程[9]。FEFLOW采用加辽金法为基础的有限单元法来控制和优化求解过程，内部配备了若干先进的数值求解法来控制和优化求解过程:①快速直接求解法,如PCG，GMRES；②up-wind技术，以减少数值弥散。③皮卡和牛顿迭代法求解非线性流场问题，据此自动调节模拟时间步长；④模拟污染物迁移过程；⑤变动上边界(BASD)技术处理带自由表面的含水系统；⑥有限单元自动加密或放疏技术。2.3输出特点FEFLOW的计算结果既有水位，污染物浓度及温度等标量数据，也包括流速，流线和流径线等向量数据。模型参数和计算结果既能按ASCII码文件，GIS地理信息系统文件，DXF或HPGL文件输出，又能在FEFLOW系统中直接显示。其先进的图形可视化及数据分析技术表现在:①有限单元网格、边界条件和模型参数的三维可视化;②三维地下水流线追踪,流动时间及流速动画显示；③三维交叉断面图、剖面图与切片图显示;④三维图形的交互旋转、放大或缩小；⑤模型整体和局部水量均衡分析；⑥各种边界条件上的水流通量、物质通量都可以由模型算出并以图形显示出来。3FEFLOW用于大区域地下水流数值模拟的特点FEFLOW强大的功能、良好的数据接口，特别是模型与GIS的接口，为建模提供了极大的方便，大大提高了建模的效率。国内已有用FEFLOW建立区域地下水模型的先例[10-11]。下面探讨FEFLOW应用于大区域地下水流模拟的处理方法。3.1处理复杂含水层分层的技巧大区域地下水系统具有的普遍特征是含水层岩性分带较复杂，沉积厚度和岩性各地变化不一，注：实线为实际分层界限；虚线为虚拟分层界限图1含水层的虚拟结构：单层—多层结构北京圣海林生态环境科技股份有限公司4总的变化规律是：从山前至平原，沉积厚度由薄变厚，颗粒由粗变细，由单一的砂砾石层过渡到多层砂和粉砂、细砂、粘土等的互层。在FEFLOW中，认为各个含水层在水平方向上都是连续延伸至整个研究区域，在山前单一层的地方，认为下面的含水层厚度无限小，模型内部自动给默认值0.01m，其水文地质参数参考单一层的值，见图1。3.2单元剖分FEFLOW中对大区域地下水系统进行剖分时采用三角形或四边形剖分，十分灵活，大区域的网格剖分可以先绘制超级网格，在此基础上再进行有限单元网格剖分，速度快，网格质量高，同时可以把各行政界线、河流、参数分区界线、点井加载到网格结点上，以便更加准确地进行模拟。对于地下水开采程度大的区域及水力梯度变化大的山区与平原区交接地带进行网格加密，可以克服尺度效应，更好地控制水位的变化。3.3离散点插值野外收集的资料往往不能立刻带入模型软件进行计算，需要做大量的数据前期处理工作。针对提供的初始流场、各含水层顶底板高程等值线等资料，需要进行线高程数据点的提取，即处理为FEFLOW识别的点数据文件。FEFLOW中提供了克里金（Kriging）、阿基玛（Akima）和距离反比加权法（IDW）三种插值方法，针对数据量大的大区域的初始水位、顶底板高程资料，采用后两种方法插值效果较好，可以准确地反映实际情况。但是不可避免的是不同层位的高程数据由于坐标点不同，插值出的相邻层会交叉，尤其在山前单一层地区，为避免这种不符实际的情况的发生，需要利用Surfer中的残差工具，将各层顶底板高程数据、初始水位等点数据资料均按研究区范围，离散为平面上相同x，y坐标下的点数据。这样代入FEFLOW中的数据插值效果会更符合实际，具体流程图如图2所示。3.4数据转换FEFLOW软件的最大特点是数据输入不再依赖网格剖分，也就是说该软件是基于水文地质概念模型基础上的软件，它实现了地下水数值模型与GIS的结合。表现在FEFLOW既可以输入ASCII码文件，也可以接受GIS地理信息系统文件。这为拥有海量数据的大区域地下水模