地下水模拟技术及应用培训课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,地下水数值模拟技术与应用第四讲 地下水流模型简介,中科院计算所培训,主要内容,3.1 主要功能和主要模块,3.3 简介简单操作,3.4 简介,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。,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。,4,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假设干个高度独立的子程序模块，假设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标准化。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、操作手册等；,有较多的软件产品，广阔的用户。,子程序包名称,英文,缩写,功能,基本子程序包,指定边界条件、时间段长度、初始条件以及输出,计算单元间渗流子程序包,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,外应力子程序包,水井子程序包,定义点井的滤水管位置和井流量,补给子程序包,定义含水层的面状补排强度,河流子程序包,将河流处理为三类边界,排水沟子程序包,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。,蒸发蒸腾子程序包,按阿维杨诺夫公式处理地下水的蒸发蒸腾量,通用水头子程序包,将边界定义为三类边界条件,求解子程序包,子程序包,强隐式法求解线性方程组,子程序包,超松弛迭代法求解线性方程组,子程序包,预调共轭梯度法求解线性方程组,主要子程序包功能表,名称,功能,备注,蒸散发子程序包，允许用户定于蒸散发-地下水位关系。,已整合到2000和2005中。,河流-含水层交换量子程序包，河流量计算考虑了沿河流路径与地下水交换。,同上,2,河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层。,同上,2,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。,同上,1/2,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。,同上,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。,同上,模拟非饱和带-饱和带垂向水流子程序包。,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局部网格（称为子模型）中的水流。,源程序已整合到2005中。,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。,3,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,3D,在3D基础上模拟地下水中多组分反应，适合于模拟自然衰减和生物恢复。,3D,在3D模型基础上开发的碳氢化合物降解模型，可模拟多达27种物质的运移和相互作用。,3D,基于特征值法的三维溶质运移模型，可考虑对流、弥散、混合、线性吸附和放射性衰减等作用。,饱和-非饱和水流和污染质运移模型,变浓度（海水入侵）地下水流和溶质运移模型,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。,基于开发的一局部子程序包和模型一览表,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。,适用于孔隙介质三维地下水模拟，与接口好，是目前国内最常用的软件地下水流和溶质运移模拟软件，但软件较复杂，价格偏贵。,由美国 的环境模型研究实验室开发，网址：。分销商为：。,（）,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。,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。,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， .,为汉字界面和帮助，有利于国内专业人员学习和使用。,中国水利水电研究院开发,（ ， ）,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。,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,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。,基于开发的地下水流和溶质运移模型，软件中整合了模块，可进行含水介质的弹性和塑性变形量计算。,简单易学，可进行抽水引起的地面沉降计算。,由台湾人 开发：，可免费下载该软件。,（）,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下水模拟,美国 公司开发： ，可下载参考手册和使用手册。,3D,(3D ，),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。,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,（）,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。,由美国加州大学伯克利分校劳伦斯实验室开发，,23D,（）,二维、三维饱和和非饱和带水分、溶质和能量运移模型，可进行剖面二维模拟，用户界面优化，输出的可视化表达较好。,特别适合有植被条件下的土壤水-地下水流和溶质云以模拟。,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。,（）,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。,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。,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。,（）,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。,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。,丹麦国际咨询和研究机构开发：，可下载演示版本和相关文件。,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,3.4 简介,. a a , , , , .,4,功能: 多个软件的集成,- 2D, 3D,- a,3 - 3D,3D - 3,3D - 3, 3D . &,- 3D .,- . (),2D - 2D .,-,-,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 . . .,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、多和方向的各向异性、.,4,简介,3.5 地下水模型的开展趋势,地下水模拟技术展望,逐级加密技术,高精度并行算法,最优参数估计不确定性理论和方法、人工智能算法,替代模型理论与方法孙讷正等,饱和带非饱和带耦合模型,地下水地表水耦合模型,流域模型大气水、地表水、包气带水、地下水,多项流模拟核废料、2储存研究,地下水模拟与水资源管理系统整合研究,地下水模拟软件开展趋势,界面化(交互式图形界面),图形界面、下拉菜单、对话框,通用化,一维、二维、三维,水流、水质运移、热运移、地面沉降,饱和带、非饱和带,地下水-地表水耦合模型,前后处理的智能化,自动剖分,离散点插值,水文地质结构识别,错误的自动检测,均衡计算,图形、表格表示,前后处理的智能化,自动剖分,离散点插值,水文地质结构识别,错误的自动检测,均衡计算,图形、表格表示,基于技术概念模型,边界、参数、源汇项、几何参数,3.6 一点体会和经验,地下水流数值模型,地下水溶质运移数值模型,地下水热运移数值模型,5,3.6.1 地下水流数值模型,要求的资料水文地质概念模型,水文地质结构；,边界条件和边界值；,水文地质参数；,地下水流场，地下水长观资料；,地下水的补排项；,准三维流多层与三维流,区域模型与局部地段水源地模型的差异及关系模型间套技术,体会与经验,初始流场不准：稳定流模型；,垂向水文地质结构确实定：要注意开采分层；,混合开采井的处理：等效越流；,泉及向河流排泄：处理成排水沟；,大面积地表水灌区，有大量排水沟存在，仍是难题；,尽量防止疏干等水流不连续情况的出现；,各向异性含水层的处理：等效；,应力期抽水时期确实定：地下水动态特征和补排在时间上的分布规律；,河流的处理：尽量防止一类边界条件，处理为三类边界条件较为灵活；,有咸水、微咸水地区的地下水资源评价：分区评价。,3.6.2 地下水溶质运移数值模型,所需资料,地下水流模型所需所有资料；,通过综合分析，搞清研究区主要的污染组分，给出其以下数据：,该组分的水溶性特征溶于水、不混容；,该组分的来源、释放量以及本底值,该组分的浓度场、动态监测数据；,该组分在含水层中的水文地球化学作用及相关参数；,弥散系数弥散度，难点！；,含水层的有效孔隙度。,体会与经验,注意溶质运移模型与水质模型的差异，只有搞清运移和演化机理才能对其进行模拟，在没有搞清机理的情况下，通过大量长观资料的分析，用概率统计分析其时空分布特征不失为好方法；,由于地下水化学组分时空变异性很强，初始浓度场确实定非常重要，而且非常困难。要在充分水文地质条件分析和污染源调查的根底上，绘制典型污染组分的初始浓度等值线去伪存真；,弥散系数具有很强的尺度效应，虽然具有明显的物理意义，但也只是个模型参数，得到方法：室内实验、野外试验、经验值+灵敏度分析；,污染组分的运移范围一般比较有限，故模拟区范围一般100101数量级足矣，大区域的污染质运移模拟难度大、无意义；,采用模型嵌套技术，在区域水流模型的根底上，嵌套局部地段污染质运移模型是可行的方法；,注意在模拟海咸水入侵问题时，要考虑溶液的密度随浓度的变化。,3.6.3 地下水热运移数值模型,所需资料,地下水流模型所需所有资料；,通过综合分析，对于有热源的，搞清地热成因，提供相关资料：,地下热水温度场；,地热边界条件及边界值横为边界、热通量、自由边界等；,地下水温度动态观测数据；,热物理参数,水、固体的热容；,水、固体的热传导率；,含水介质的热动力弥散系数。,体会与经验,目前国内和少有人建立地下水热运移模型张远东，我也没有实际建模经验；,对于有热源的热运移模型，要搞清地热地质、水文地质条件，最好以地热地质单元或水文地质单元为模拟区；,对于以浅层地温能利用为目的地下水热运移模型，那么要简单得多了，要提供区域地下水背景温度，该模型范围也不需要很大，也需采用模型嵌套技术，与区域地下水流模型耦合；,地热作为清洁环保能源日益受到重视，因而作为地热开发利用有效工具的热运移模型在我国将会有很大的开展。,演讲完毕，谢谢观看！,