地下水数值模拟

地下水数值模拟与VisualMODFLOW软件地震科学系张耀文提纲什么是数值模拟什么是VisualMODFLOW软件如何安装VisualMODFLOW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。引自百度（）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。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地下水流数值模拟资料需求模拟步骤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。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、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。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VisualModflow-Step1.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。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。有限差分法:VisualMODFLOWGMS-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。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。网格剖分——空间离散化yxij123456123456P(i,j)=(7,6)yxij123456123456P(i,j)=(7,6)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MODFLOWMODFLOW的由来MODFLOW是英文名称ModularThree-DimensionalFinite-differenceGround-waterflowmodel(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。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**MODFLOW差分模型分层网格模拟层行列格点三维有限差分模型与MODFLOW**MODFLOW差分模型**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MODFLOWMODPATHZoneBudgetMT3DRT3DSEAWATVisualGroundwater2DGraphicalOutputVisualMODFLOW水流溶质运移提出概念模型3DExplorerOutput水文地质分析简化三维有限差分模型与MODFLOW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)**定水头边界(CHD)底板定水头(0)定水头(1)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)模块小尺度模型的人工边界渗透系数K边界水头H0单元水头Hcell侧面积Aside边界距离D补给流量qq=C(H0Hcell);C=KAsideD导水系数(单位?)模块及其作用**排水沟边界(DRN)模块排水流量q=C(Hcellz0),Hcellz0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hzM非饱和带饱和带隔水底板入渗补给模块及其作用**蒸散(EVT)模块潜水蒸发可暂且处理为水面蒸发ET=0蒸发强度随潜水埋深的加大而减弱zET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)导水系数C=渗透系数宽度长度沉积物厚度模块及其作用**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**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。即将变湿的单元干单元也可以从侧面的单元得到补给变干的单元干单元可以从下部的单元得到补给模块及其作用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。生活供水井场有两眼井。东井抽水量稳定在550m3/d，西井为400m3/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。