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1、地下水数值模拟与Visual MODFLOW软件软件地震科学系地震科学系张耀文张耀文提提 纲纲 什么是数值模拟什么是数值模拟 什么是什么是Visual MODFLOW软件软件 如何安装如何安装Visual MODFLOW软件软件 实例操作实例操作什么是数值模拟什么是数值模拟 数值模拟也叫数值模拟也叫计算机模拟计算机模拟。它以电子计算。它以电子计算机为手段,通过数值计算和图像显示的方法,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。题研究的目的。 引自百度(引自百度(http:/ 地下水数值模拟的基本目的是预
2、测地下水未来动态,地下水数值模拟的基本目的是预测地下水未来动态,为为水质水质和和水量水量的评价提供理论依据。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。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,释水系数水文地质参数:渗透系数,释水系数源汇项源汇项研究区域范围研究区域范围边界条件边界条件初始条件初始条件地下水流数值模拟资料需求地下水流数值模拟资料需求模拟步骤模拟步骤 建立概念模型建立概念模型 选择数学模型选择数学模型 将数学模型进行将数学模型进行数值化数值化 模型校正模型校正( (识别识别) ) 模型验证模型验证 预测预测 一、模型概化-边
3、界条件1、研究区边界、研究区边界 研究区应尽可能以研究区应尽可能以为计算边界,最好是以为计算边界,最好是以作为计算区。作为计算区。2、含水介质、含水介质(1)含水介质概化)含水介质概化 孔隙含水介质孔隙含水介质a、均质、非均质、均质、非均质b、各向同性、各向异性、各向同性、各向异性 一、模型概化-内部结构 一、模型概化-内部结构 一、模型概化-内部结构 一、模型概化-内部结构 一、模型概化-内部结构 一、模型概化-源汇项o 边界范围o 边界条件o 含水层介质o 含水层空间结构o 水文地质参数o 源汇:降雨入渗、开采、排水渠Visual Modflow-Step1. 定义模型范围2. 设置边界条
4、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、选择数学模型二、选择数学模型 根据概念模型进行选择根据概念模型进行选择一维、二维、三维数学模型一维、二维、三维数学模型 水流模型水流模型溶质运移模型溶质运移模型 反应模型反应模型 水动力水动力- -水质耦合模型水质耦合模型( (热热) ) 水动力水动力- -反应耦合模型反应耦合模型 水动力水动力- -弥散弥散- -反应耦合模型反应耦合模型三、将数学模型进行数值化三、将数学模型进行数值化 绝大部分数学模型
5、是无法用解析法求解的,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。数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。有限差分法有限差分法: Visual MODFLOW GMS -MODFLOW有限单元法有限单元法: FEFLOW四、模型校正四、模型校正 将模拟结果与实测结果比较将模拟结果与实测结果比较,进行参数调整进行参数调整, 使模使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。调参过调参过程是一个复杂而辛苦的工作程是一个复杂而辛苦的工作, 所调整的参数必须符合所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。模拟区的具体情况。 最近国外
6、已花费巨力开发研究了自动调参程序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。大大提高了模拟者的工作效率。五、模型验证五、模型验证 模型验证是在模型校正的基础上模型验证是在模型校正的基础上, 进一步进一步调整参数调整参数, 使模拟结果与第二次实测结果吻合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。以进一步提高模型的置信度。六、预测六、预测 用校正的参数值进行预测用校正的参数值进行预测, 预测时需估算未预测时需估算未来的水流状态。来的水流状态。三维有限差分模型与三维有限差分模型与MODFLOW*地下水流的数值法地下水流的数值法 用有限的离散点组成用有
7、限的离散点组成网格网格代替连续的渗流代替连续的渗流空间空间,把,把时间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格上的代数方程组代数方程组,通过求解代数方程组获得不同时刻,通过求解代数方程组获得不同时刻水水头头在离散点上的近似值。在离散点上的近似值。网格剖分网格剖分空间离散化空间离散化yxij1 2 3 4 5 6123456P(i,j)=(7,6)yxij1 2 34 5 6123456P(i,j)=(7,6)三维有限差分模型与三维有限差分模型与MODFLOW*地下水流的数值法地下水流的数值法 有限差分法有限差分法 有限单元
8、法有限单元法 边界元法边界元法MODFLOWMODFLOW的由来的由来 MODFLOW是英文名称是英文名称Modular Three-Dimensional Finite-difference Ground-water flow model (三维有限差分地下水流模型三维有限差分地下水流模型)的简称。由美的简称。由美国地质调查局于国地质调查局于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。自问世以来地下水流动数值模拟的软件。自问世以来, MODFLOW已已经在全世界范围内经在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规在科研、生产、环境保
9、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划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,已经已经成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。MODFLOW软件的程序包软件的程序包n 水井水井n 补给补给n 河流河流n 沟渠沟渠n 蒸发蒸腾蒸发蒸腾n 通用水头边通用水头边界界n 模拟河流与含水层之间水力模拟河流与含水层之间水力联系联系n 模拟由于抽水引起地面沉降模拟由于抽水引起地面沉降n 模拟水平流动障碍模拟水平流动障碍三维有限差分模型与三维有限差分模型与MODFLOW*MODFLOW差分模型差分模型 分层网格分层网格模拟层模拟
10、层行行列列格点格点三维有限差分模型与三维有限差分模型与MODFLOW*MODFLOW差分模型差分模型 *使用使用VMODFLOW建立模型建立模型 1. 准备数据资料(准备数据资料(划分含水层,顶底板高度,划分含水层,顶底板高度,渗透参数,存贮参数,初始地下水位渗透参数,存贮参数,初始地下水位) 2. 划分平面网格,输入顶、底板高度划分平面网格,输入顶、底板高度 3. 输入模拟层参数输入模拟层参数 4. 输入边界属性和模块参数输入边界属性和模块参数 5. 是稳定流还是非稳定流是稳定流还是非稳定流 6. 非稳定流的初始水头分布非稳定流的初始水头分布 7. 运行模型,查看结果运行模型,查看结果三维有
11、限差分模型与三维有限差分模型与MODFLOW*使用使用VMODFLOW建立模型:建立模型:水流和溶质运移水流和溶质运移现场数据收集现场数据收集MODFLOWMODPATHZone Budget MT3DRT3DSEAWATVisual Groundwater2D Graphical OutputVisual MODFLOW水流水流溶质运移溶质运移提出概念模型提出概念模型 3D Explorer Output水文地质分析水文地质分析简化简化三维有限差分模型与三维有限差分模型与MODFLOW模块及其作用模块及其作用1.定水头边界定水头边界(CHD)2.变水头边界变水头边界(GHB)模块模块3.排水
12、沟边界排水沟边界(DRN)模块模块4.补给补给(RCH)模块模块5.蒸散蒸散(EVT)模块模块6.河流边界河流边界(RIV)模块模块7.河网河网(STR)模块模块8.抽水井抽水井(WEL)模块模块9.干湿单元转化处理干湿单元转化处理(Re-wetting)*定水头边界定水头边界(CHD) 底板底板定水头(0)定水头(1)常用于河流、湖泊、海洋等常用于河流、湖泊、海洋等地表水体地表水体模块及其作用模块及其作用*变水头边界变水头边界(GHB)模块模块小尺度模型的人工边界小尺度模型的人工边界 渗透系数渗透系数 K边界水头边界水头 H0单元水头单元水头 Hcell侧面积侧面积 Aside边界距离边界距
13、离 D补给流量补给流量 qq=C(H0 Hcell); C=K AsideD导水系数导水系数(单位单位?)模块及其作用模块及其作用*排水沟边界排水沟边界(DRN)模块模块排水流量排水流量 q=C(Hcell z0), Hcellz0排水流量排水流量 q=0, Hcell z0控制高度控制高度模块及其作用模块及其作用*补给补给(RCH)模块模块降水入渗、灌溉入渗等,可随时间变化降水入渗、灌溉入渗等,可随时间变化hzM非饱和带饱和带隔水底板隔水底板入渗补给入渗补给 模块及其作用模块及其作用*蒸散蒸散(EVT)模块模块 潜水蒸发潜水蒸发可暂且处理为可暂且处理为水面蒸发水面蒸发ET = 0蒸发强度随蒸
14、发强度随潜水埋深的潜水埋深的加大而减弱加大而减弱zET模块及其作用模块及其作用*河流边界河流边界(RIV)模块模块通过河床与地表水交换通过河床与地表水交换河流水位必须已知河流水位必须已知 简化处理简化处理地下水排泄:地下水排泄:q= C(Hcell Hriv)河流渗漏:河流渗漏:q=C(Hriv Hcell)导水系数导水系数C=渗透系数渗透系数 宽度宽度 长度长度沉积物厚度沉积物厚度模块及其作用模块及其作用*河网河网(STR)模块模块处理河流的支流汇集问题;处理河流的支流汇集问题;河流分成一定数量的河段;河流分成一定数量的河段;河段通过节点相互连接。河段通过节点相互连接。河流的水位不是输入数据
15、,河流的水位不是输入数据,而是根据流量计算;而是根据流量计算;采用采用Manning(曼宁曼宁)公式。公式。模型处理相对繁琐。模型处理相对繁琐。 模块及其作用模块及其作用*水井水井(WEL)模块模块 一个水井一个水井只对应只对应一个模拟单元一个模拟单元井流量:抽水为负流量;注水为正流量井流量:抽水为负流量;注水为正流量模块及其作用模块及其作用*干湿单元转化处理干湿单元转化处理(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。一个干单元如果接受周围单元补给,可重新变湿。即将变湿的单元即将变湿的单元
16、干单元也可以从侧面干单元也可以从侧面的单元得到补给的单元得到补给变干的单元变干的单元 干单元可以从下部的干单元可以从下部的单元得到补给单元得到补给模块及其作用模块及其作用VMODFLOW的应用的应用 本场地位于本场地位于Waterloo城外的一个机场附近。场地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
17、示。续区(含水层天窗)。如下图所示。 生活供水井场有两眼井。东井抽水量稳定在生活供水井场有两眼井。东井抽水量稳定在550m3/d,西井为,西井为400 m3/d。在过去十年中,在。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。影响。o 在讨论时,我们将该场地在平面上的视图指定为上北下在讨论时,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的渗透系数为2e-4m/s,弱透水层的渗透系数为,弱透水层的渗透系数为1e-10m/s。
限制150内