地下水模型发展与应用

1、地下水模型发展与应用北京北京地下水地下水环境调查监测高级研修班环境调查监测高级研修班邵景力邵景力中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）水资源与环境学院水资源与环境学院 2011年11月2日Introduction to Groundwater Model主要内容主要内容地下水模型概述地下水数值模型建模步骤地下水模拟软件简介地下水模型应用经验和体会Introduction to Groundwater Model地下水模型概述地下水模型概述地下水的功能和作用n资源：人类的主要供水水源n环境：重要的环境要素：地下水生态问题；海咸水入侵；地面沉降；地下水污染；.；如何实现地下水的合理开发利用、保持

2、地下水的环境功能？n给出地下水影响因素与状态的定量关系即建立地下水模型；n以地下水数值模型为工具，给出地下水控制、合理开发利用方案、。1Introduction to Groundwater Model原型：研究的对象，客观存在的真实系统。模型：是原型的替代物，对真实系统某些特性的仿真和模拟，是实际系统或过程的简化、抽象和类比表示。Anderson：模型是近似表示野外情况的任意装置和手段。作用：描述或表述实际系统的特性，再现实际系统的状态和过程。类型：n物理实体模型n概念模型：文字、框图、示意图等n数学模型1地下水模型概述地下水模型概述Introduction to Groundwater M

3、odel时间状态上n稳态模型n非稳定模型空间分布上n集中（中）式模型（随机模型）黑箱模型，一般用统计方法求解n分布式模型（确定性模型）：一维、二维、三维模拟的地下水状态n水流模型（饱和、非饱和）n溶质运移模型（辨析：水文地球化学模型）n热运移模型n地面沉降模型（地下水-介质应变模型）求解方法上n统计方法（相关分析、回归分析、时间序列分析、地质统计学、频谱分析、）n解析法（泰斯公式、纽曼公式、.）n数值法（有限差分法、有点单元法、边界元法、）n地下水模型概述：数学模型地下水模型概述：数学模型1Introduction to Groundwater Model连续介质假设：典型单元体质量守恒定律达

4、西定律QQQoutputinputiixhKqhKKJqgrad1地下水模型概述：控制方程地下水模型概述：控制方程Introduction to Groundwater Model地下水模型概述：控制方程地下水模型概述：控制方程地下水流连续性方程：质量守恒+达西定律n非均质各向异性介质n非均质各向同性介质或非均质各向异性主方向与坐标一致1321 ,i,jthSsxhKxijiithSzhKyyhKyxhKxszzyyxxIntroduction to Groundwater Model地下水模型及分类：控制方程地下水模型及分类：控制方程非饱和带水分运移方程溶质运移方程的定解问题 质量守恒+达西

5、定律+费克定律( )()cdivgrad cdivcNtDuzKzDztzKzDzyDyxDxt)()()()()()(1Introduction to Groundwater Model地下热水运移方程质量守恒+能量守恒+达西定律+热运移定律0,001(1)()(1)awrii jaiaijwwrraaCTTTvtCxCxxC TCHTSsTTqtTtCC强调一下地下水流模型的重要性强调一下地下水流模型的重要性地下水模型概述：控制方程地下水模型概述：控制方程1Introduction to Groundwater Model如果能求解已经建立起的地下水连续性方程，那么，就能知道地下水的状态随

6、着输入、边界条件和初始条件的变化情况，用地下水系统的参数和输入来表示地下水系统的输出。建模方法n解析法n数值模拟n有限差分法n有限单元法n.输入(X)输出(Y)地下水系统实体f(X)决策变量: 开采量 井注量 回灌量非可控变量: 降水入渗补给量 地表水渗漏量 灌溉回归量系统参数: 给水度 储水系数 渗透系数 导水系数 越流因子 弥散系数 衰减系数 离子吸附和交换参数结构特征: 含水层空间分布 弱透水层或隔水层分布 边界类型和边界值状态变量: 地下水位 各种物质浓度 地下水温度输出量: 泉流量 地表水基流量 潜水蒸发量)(XYf地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型1Introduct

7、ion to Groundwater Model数值法是一种近似解法。它以地下水运动的微分方程的定解问题为基础，将表示水位（或其他状态变量）随时间和空间连续变化的函数离散化，求得函数在有限节点（或结点）上的近似值。用解析法可以求出任意时间和任意点的水位值，而数值法只能求出空间上有限个节点在有限时刻的水位近似值；只要近似值能满足精度要求，就可用于解决实际水文地质问题。用于水文地质计算的数值法主要有有限差分法有限差分法和有限单元法有限单元法两种。他们都是将描述地下水运动的定解问题用不同的方式离散化，使复杂的定解问题化成简单的代数方程组，再求出有限点上不同时刻的数值解。1地下水模型概述：数值模型地下

8、水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model有限差分法基本思想： 用渗流区内选定的有限个离散点的集合来代替连续的渗流区，在这些离散点上用差商来近似代替导数差商来近似代替导数，将描述求解问题的偏微分方程及其定解条件化为一组以有限个未知函数在离散点上的近似值为未知量的差分方程组，然后对差分方程组进行求解，得到所求解在离散点上的近似值。 发展历史n上世纪50年代石油流动领域n上世纪60年代中期拓宽用于解决地下水流问题；优缺点：n优点：数学上直观易懂；有相应的高效解法；有成熟的商业软件。n不足：处理不规则边界、大角度倾斜含水体、各向异性介质等复杂条件难以处理；

9、对于溶质运移、热运移等问题，不如有限元求解精度高。1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model有限单元法基本思想： 建立在直接求解函数近似解直接求解函数近似解的基础上。用有限个单元的集合来代替渗流区，选择简单的近似函数（常用多项式差值）表示单元内部的状态（水头、浓度、温度的未知函数）分布，运用Rayleigh-Ritz法、Galerkin法或均衡法等建立单元内未知变量的表达式，最后集合单元方程形成整个渗流区的代数方程组，并求解方程组得到未知变量（水头、浓度、温度等）在节点上的值。 发展历史n20世纪60年代后期引入地下水计

10、算中。优缺点n优点：程序的统一性（水流、溶质运移、）；不规则边界处理灵活；单元大小比较随意（局部加密）；理论上计算精度较高。n缺点：局部质量不守恒，有时会影响计算精度。1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model数值法解地下水模型流程图1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Intro

11、duction to Groundwater Model数值法优点n广泛的适用性：可对复杂水文地质条件下地下水状态进行模拟，可用于水位、水质、水温、地面沉降等地下水状态的模拟预测；n修改算法容易，随着专业理论、数值方法和计算机技术的提高，可不断完善算法程序；n可在通用的计算机上进行，无需专门的设备，可编制通用的程序。1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model不足之处n不如物理模型直观；n不如解析模型简单；n需要更多的、更详细的资料；n.地下水数值模型不是万能的n不符合连续方程推导基本定律的不适用，如非达西流；n地下水流不

12、连续的不适用：断层阻水、跌水、含水层疏干、.n很多复杂的水文地质现象上不能很好地模拟，如蒸发、地下水与河流的关系、混采井、大量的排水沟、；n模型的精度与水文地质条件的认识程度、资料的精度等有关，不同的建模目的对模型精度的要求也不同。1地下水模型概述：数值模型地下水模型概述：数值模型Introduction to Groundwater Model地下水数值模型建模地下水数值模型建模步骤步骤Step1：水文地质条件分析Step2：水文地质概念模型Step3：形成地下水运动的定解问题Step4：确定模型结构Step5：地下水均衡分析Step6：模型识别验证Step7：模型输出结果2Introduc

13、tion to Groundwater ModelStep1：水文地质条件分析 含水岩组特征（孔隙、裂隙、岩溶）地下水的补径排特征（主要补排项、地下水开发利用情况）地下水系统结构（空间分布）及其参数；地下水运动状态（D，T，C/P）；边界条件和边界值，最好以自然边界作为基模型边界，即以完整的水文地质单元作为模拟区；地下水环境问题。2Introduction to Groundwater ModelStep2：水文地质概念模型：水文地质概念模型What is Conceptual Model of Hydrogeology(GW)?A conceptual model is a pictoria

14、l representation of the groundwater flow system, frequently in the form of a block diagram or a cross section. The purpose of building a conceptual model is to simplify the field problem and organize the associated field data so that the system can be analyzed more readily.Q4Q3Q2Q1稳定的稳定的弱 透 水 层弱 透 水

15、 层2Introduction to Groundwater Model12345678IIIIII（）面源 汇 分区点井分布钻孔分布（、） 各层标高 水位标高 参数分区底图边界及地表水体基于水文基于水文地质地质概念的地下水数值模拟方法概念的地下水数值模拟方法2Introduction to Groundwater Modeln为不同目的建立的水文地质概念模型其形式和内容是不同的，作为建立地下水模拟模型的概念模型，所概化的水文地质概念模型应反映地下水系统的主要功能和特征 ；n概念模型应尽量简单明了，简单到能用一定的数学形式表达，而且该数学方程式用现有的方法可以求解。水文地质条件概化原则2Int

16、roduction to Groundwater Model水文地质结构模型边界条件（边界、边界类型、边界值）水文地质参数（参数分区和参数值）地下水初始流场（模拟期开始地下水位等值线）源汇项（主要是各种地下水的补排项）n面状量：降水入渗、灌溉入渗、农业开采、n线状量：河渠渗漏补给、排水沟、n点状量：点井开采、回灌、泉流量、地下水流模型所需要的水文地质概念模型地下水流模型所需要的水文地质概念模型2Introduction to Groundwater Model水文地质结构模型水文地质结构模型 2Introduction to Groundwater Model边界条件边界条件2Introduc

17、tion to Groundwater Model根据水文地质概念模型以及建模的目的，将所要模拟的地下水系统表示为地下水连续性方程及其定解问题；选用选择适合的算法或模型软件Step3：形成：形成地下水运动的定解问题地下水运动的定解问题2Introduction to Groundwater Model空间离散（剖分）n形状：矩形网格和不规则剖分（三角、任意四边形等）n应考虑各种分区界线，如水文地质单元、参数分区、行政分区、地表水体、断层和岩性界线等，以便提高计算精度、便于分区地下水资源评价 ：n在重点评价区和重要开采地段应加密剖分单元；n在地下水位变化家大地段（如降落漏斗区）应适当加密；n在水

18、文地质条件变化较大地段适当加密，如在含水层承压转无压地段、岩性变化较大地段等。n尽量将主要开采井和作为拟合水位用的观测孔放到结点上 Step4：确定模型结构2Introduction to Groundwater Model确定模拟期和预报期 n地下水资源评价，一般取一年或多于一年作为模拟期 n对于区域模型，最好以多年（5年以上）为模拟期，时间越长越好；n对于水源地模型，抽水试验阶段要作为模拟期（识别期），应力期划分要根据出水试验情况适当细化。n预测期的确定主要取决于评价的目的和要求 n在确定模拟期后，应给出初始时刻的地下水流场，并将其内插到各结点上。 n确定抽水时期（应力期） Step4：确

19、定模型结构2Introduction to Groundwater Model 在应用数值法计算之前，要用均衡法对全区进行均衡计算。这样可以在总体上把握地下水的均衡情况，使数值计算结果更趋合理化。然后把地下水的各均衡项分配到各抽水时期和各剖分单元或结点上。在地下水均衡分析中，要特别注意与地下水位有关的均衡量的确定，如降水入渗量、蒸发量、越流量等，有时这些量需要在计算程序中处理。 Step5：地下水均衡分析2Introduction to Groundwater ModelStep6：模型识别验证：模型识别验证模型是否能准确地模拟真是地下水系统？通过识别对模型进行校正，即通过计算地下水状态与实际

20、地下水状态对比，调整地下水系统的结构、参数、源汇项，尽量使计算与实际地下水状态趋于一致。识别准则n计算的地下水状态的空间分布应与实测的场基本一致；n模拟期计算的地下水动态应与实测动态变化趋势一致；n实际地下水量（溶质、热）的变化量（补排差）应接近于计算的含水层储量的变化量；n识别后的水文地质参数、含水层结构和边界条件符合实际水文地质条件。2Introduction to Groundwater Model预测校正法模型识别框图识别方法：识别方法：预测校正法预测校正法优化调参法优化调参法2Introduction to Groundwater Model水文地质识别要给出的结果n参数分区图、参数

21、分区表n流场拟合图（实际流场和拟合流场对比图）n典型观测孔过程线图（实际地下水位与计算水位对比图）n地下水均衡表n结合水文地质条件，阐述模型识别的效果，并进行拟合误差统计分析，说明产生误差的原因。Step7：模型输出：模型输出结果结果2Introduction to Groundwater ModelModflow简介国内外流行的地下水模型软件地下水模型的发展趋势3地下水模拟软件简介地下水模拟软件简介Introduction to Groundwater Model3.1 MODFLOW简介简介MODFLOW（Modular three-dimensional finite-differenc

22、e ground-water flow model）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MODFLOW88、96、2000和2005四个版本，现已成为功能完善、扩展性强、应用最为广泛的地下水流模拟程序。主要特点：n采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编；n采用模块化结构，MODFLOW程序可分为一个主程序和若干个高度独立的子程序（模块，modules），若干相关的子程序整合形成具有特定功能的子程序包（pakages）。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；n采用矩形不等距网

23、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规范化。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；n求解方法多样化；n输出格式的标准化和多样化；n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。3Introduction to Groundwater Model子程序包名称子程序包名称英文英文缩写缩写功能功能基本子程序包基本子程序包BASBAS指定边界条件、时间段长度、初始条件以及输出指定边界条件、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单元间渗流子程序包BCFBCF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计算

24、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外应力子程序子程序包包水井子程序包水井子程序包WELWEL定义点井的滤水管位置和井流量定义点井的滤水管位置和井流量补给子程序包补给子程序包RCHRCH定义含水层的面状补排强度定义含水层的面状补排强度河流子程序包河流子程序包RIVRIV将河流处理为三类边界将河流处理为三类边界排水沟子程序包排水沟子程序包DRNDRN如果地下水位高于排水沟底板，则定义为一类边界，如果低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。于底板，则无补排量。蒸发蒸腾子程序包蒸发蒸腾子程序包 EVTEVT按阿维杨诺夫公式处理地下水的蒸发蒸腾量按阿

25、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通用水头子程序包 GHBGHB将边界定义为三类边界条件将边界定义为三类边界条件求 解 子求 解 子程序包程序包SIPSIP子程序包子程序包SIPSIP强隐式法求解线性方程组强隐式法求解线性方程组SSORSSOR子程序包子程序包SSORSSOR超松弛迭代法求解线性方程组超松弛迭代法求解线性方程组PCGPCG子程序包子程序包PCGPCG预调共轭梯度法求解线性方程组预调共轭梯度法求解线性方程组33.1 MODFLOW简介简介Introduction to Groundwater Model模块模块功功 能能ETS蒸散发子程序包，允许用户定于蒸散发-地

26、下水位关系。STR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。SFR2河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层。HUF2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。IBS1/2基于MODFLOW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。SUB在IBS1/2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。UZF模拟非饱和带-饱和带垂向水流子程序包。LGR局部网格加密（LGR）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

27、）中的水流。MODPATH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。MT3DMS基于MODFLOW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RT3D在MT3D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。SEAM3D在MT3D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。MOC3D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。MODFLOW-SURFACT饱和-非饱和水流和污染质运移模型SEAWAT变浓度（海水入侵）地下水流和溶质运移模型GWM是解决基于响应矩阵法的几类

28、线性、非线性和混合二元线性地下水管理问题。3Introduction to Groundwater Model粒子追踪-MODPATH算例3Introduction to Groundwater Model溶质运移模型溶质运移模型MT3DMS算例算例3Introduction to Groundwater Model3.2 3.2 国内外流行的地下水模型软件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GMS(Groundwater Modeling System，windows)整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SE

29、AM3D、UTCHEM、PEST、UCODE、NUFT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ARCGIS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GIS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Brigham Young University的环境模型研究实验室开发，网址：/gms.htm。分销商为：http:/www.ems- Mod

30、flow（windows）综合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST 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Waterloo水文地质公司开发研制http:/www.Waterloo www. Swstechnologycom/FEFLOW（windows）采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维地

31、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，feflow 有多种理论模式进行选择。运用达西、泊松以及manning-strickler理论的离散单元分析。与GIS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。Feflow是由德国Wasy水资源规划系统研究所研制开发，网址：http:/ www.wasy.de/english/produkte/fefl

32、ow/ index.html#。3Introduction to Groundwater ModelGroundwater Vistas（windows）基于MODFLOW开发的在功能上类似于GMS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modflow、MT3D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Environmental Simulations, Inc.公司开发：http:/www.ground - .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IGW（Interactive Groun

33、d Water， windows）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（upscale）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：http:/www.egr. / igw/，可下载可执行文件、使用手册等。PMWIN基于MODFLOW开发的地下水流和溶质运移模型，软件中整合了IBS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Wen-Hsing Chiang开发：http:/ GeoTran

34、s公司开发：http:/www.geotran- (3D Heat&Solute Transport Model，DOS)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：/projects/GW_Solute/hst/，可下载可执行程序和使用说明。33.2 3.2 国内外流行的地下水模型软件国内外流行的地下水模型软件Introductio

35、n to Groundwater ModelTOUGH2（DOS）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Fortran77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，/TOUGH2/index.htmlHYDRUS 1D/2D/3D（windows）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

36、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PC-Progress公司联合开发：http:/ www.pc- International Ltd开发：http:/www.geo-slope. com/products/，可从以上网址了解有关信息、下载学生版。MIKE SHE（windows）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AcrGIS和MODFLOW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

37、系密切条件下水资源系统的模拟。丹麦DHI国际咨询和研究机构开发：http:/ 3.2 国内外流行的地下水模型软件国内外流行的地下水模型软件Introduction to Groundwater Model3.3 地下水模型的发展趋势地下水模型的发展趋势界面化(交互式图形界面)n图形界面n下拉菜单n对话框通用化n一维、二维、三维n水流、水质运移、热运移、地面沉降n饱和带、非饱和带n地下水-地表水耦合模型3Introduction to Groundwater Model前后处理的智能化n自动剖分n离散点插值n水文地质结构识别n错误的自动检测n均衡计算n图形、表格表示基于GIS技术（概念模型）n边

38、界、参数、源汇项、几何参数3.3 地下水模型的发展趋势地下水模型的发展趋势3Introduction to Groundwater Model地下水模型应用地下水模型应用主要应用方面n水文地质条件再认识n评价和预报n管理应用实例简介4Introduction to Groundwater Model4.1主要应用方面水文地质实体（结构）输入输出)(XYf4Introduction to Groundwater Model（1）水文地质条件再认识主要是通过已知状态（水位、化学组分、水温、地层压缩量等）与模型计算量的比较与拟合，校正模型，识别水文地质条件：n水文地质参数n水文地质结构（边界条件、几

39、何参数、）n地下水的某些补排项n确定污染源位置和排污量n地下水均衡分析n化学组分的平衡分析n热平衡分析4Introduction to Groundwater Model（2）评价和预报资源评价n在均衡分析的基础上，评价地下水补给资源量；n评价一定开采布局条件下地下水的课开采资源量；n评价现状排污条件下的地下水污染程度；n评价地下热水的能量和开发利用潜力；n其他资源量评价n储存资源量评价n调节库容计算n极限开采量评价n应急水源地开采能力评价n.4Introduction to Groundwater Model 预测n规划开采条件下地下水流场和动态变化趋势；n预报一定污染物排放条件下含水层受污

40、染状况；n预报地下热水开发利用条件下温度的变化趋势。环境评价n通过模型预测地下水状态变化，进而评价地下水环境影响，主要包括：n地下水储变量n地面沉降n生态环境影响（土地荒漠化、盐渍化）n海水入侵n工程水文问题n地下水污染程度n.4Introduction to Groundwater Model（3）管理通过多方案对比分析，提出地下水合理开发利用方案、控制地下水污染的措施；地下水模拟模型与管理模型耦合，建立地下水优化管理模型；与地下水资源与环境信息系统耦合，对地下水进行实时监控、预测和控制；研究地表水-地下水补排关系，进行地下水-地表水的统一调度，综合利用；与流域水循环模型耦合，建立分布式流域

41、水循环模型，研究地下水与大气降水、地表水、包气带水及其溶质的交换。4Introduction to Groundwater Model4.2应用实例简介应用实例简介华北平原地下水模型华北平原地下水模型西辽河平原地下水模型西辽河平原地下水模型天桥泉域及天桥水源地地下水模型天桥泉域及天桥水源地地下水模型银川平原地下水模型银川平原地下水模型北京平原地下水模型北京平原地下水模型黄河下游（河南段）黄河影响带地下水模型黄河下游（河南段）黄河影响带地下水模型河南濮阳李子园水源地模型河南濮阳李子园水源地模型济宁市汶上岩溶水源地地下水数值模型济宁市汶上岩溶水源地地下水数值模型临沂市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价

42、临沂市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价天津黄冈洼水源地地下水模型天津黄冈洼水源地地下水模型天津市平原区地下水天津市平原区地下水-地面沉降耦合模型地面沉降耦合模型山东滕州市荆泉水源地溶质运移模型山东滕州市荆泉水源地溶质运移模型北京西郊地下水溶质运移模型北京西郊地下水溶质运移模型4Introduction to Groundwater Model（1）华北平原地下水模型）华北平原地下水模型华北平原地下水数值模型华北平原地下水数值模型第二、第三层剖分图第二、第三层剖分图北京市唐山市天津市保定市沧州市衡水市滨州市德州市邢台市邯郸市濮阳市新乡市石家庄市黄河潮白河马颊河漳河卫河永定河子牙河子牙新河滦河金堤河

43、潮河漳卫新河京杭运河永定新河白河N主要城市0100200km图例县市边界深层边界线山前侧向边界渤海边界内部主要河流黄河边界研究研究区边界条件概化图区边界条件概化图4Introduction to Groundwater Model华北平原浅层流场拟合效果图华北平原浅层流场拟合效果图（20032003年年1212月）月）华北平原第二层流场拟合效果图华北平原第二层流场拟合效果图（20032003年年1212月）月）4Introduction to Groundwater Model模型识别与检验浅层计算水位与实测水位拟合图浅层计算水位与实测水位拟合图4Introduction to Groundw

44、ater Model模型识别与检验深层计算水位与实测水位拟合图深层计算水位与实测水位拟合图山东深层10号观测孔水位拟合过程线-14-12-10-8-6090181273365455546638天水位(m)观测值计算值山东深层12号观测孔水位拟合过程线-12-10-8-6090181273365455546638天水位(m)观测值计算值河北深层2号观测孔水位拟合过程线-30-26-22-18-14-10090181273365455546638 天水位(m)计算值观测值河北深层1号观测孔水位拟合过程线-20-16-12-8-4048090181273365455546638天水位(m)计算值观测

45、值山东深层10号观测孔水位拟合过程线-14-12-10-8-6090181273365455546638天水位(m)观测值计算值山东深层12号观测孔水位拟合过程线-12-10-8-6090181273365455546638天水位(m)观测值计算值山东深层10号观测孔水位拟合过程线-14-12-10-8-6090181273365455546638天水位(m)观测值计算值山东深层12号观测孔水位拟合过程线-12-10-8-6090181273365455546638天水位(m)观测值计算值河北深层2号观测孔水位拟合过程线-30-26-22-18-14-100901812733654555466

46、38 天水位(m)计算值观测值河北深层1号观测孔水位拟合过程线-20-16-12-8-4048090181273365455546638天水位(m)计算值观测值河北深层2号观测孔水位拟合过程线-30-26-22-18-14-10090181273365455546638 天水位(m)计算值观测值河北深层1号观测孔水位拟合过程线-20-16-12-8-4048090181273365455546638天水位(m)计算值观测值4Introduction to Groundwater Model模型应用n地下水资源评价（分地下水系统、分层、分行政区、分矿化度）：补给资源、可开采量；n地下水开采程度和

47、开采潜力评价；n地下水变化趋势预测（包括南水北调供水后地下水流场、地下水位变化趋势，地下水储存量的变化等）存在问题n结构不够细化n模拟期太短n网格剖分太粗，不能刻画局部4Introduction to Groundwater Model（2）西）西辽河平原地下水模型辽河平原地下水模型YYYYYYYYYYYYY通榆县开鲁县奈曼旗库伦旗康平县双辽市扎鲁特旗巴林左旗科尔沁区翁牛特旗阿鲁科尔沁旗科尔沁左翼中旗科尔沁左翼后旗通榆县开鲁县奈曼旗库伦旗康平县双辽市扎鲁特旗巴林左旗科尔沁区翁牛特旗阿鲁科尔沁旗科尔沁左翼中旗科尔沁左翼后旗区域剖分网格22km2科尔沁区加密剖分网格0.50.5km24Introd

48、uction to Groundwater Model（3）天桥）天桥泉域及天桥水源地地下水模型泉域及天桥水源地地下水模型老牛湾子系统天桥泉域子系统天桥泉域水文地质概念模型4Introduction to Groundwater Model#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y兴县暖崖黄浦旧县岢岚县五寨县府谷县偏关县教儿埝河曲县天桥子清水河县陈家沟门万家寨镇高石崖N图例第一层边界网格黄河#Y区县#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y兴县暖崖黄浦旧县岢岚县五寨县府谷县偏关县教儿埝河曲县天桥子清水河县陈家沟门万家寨镇高石崖N区县#Y黄河网格第二层边界图例

49、# Y# Y# Y#Y# Y# Y# Y# Y# Y# Y# Y# Y# Y# Y# Y兴县暖崖黄浦旧县岢岚县五寨县府谷县偏关县教儿埝河曲县天桥子清水河县陈家沟门万家寨镇高石崖AABBCCN剖面位置区县# Y黄河网格第三层边界图例4Introduction to Groundwater Model#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y#Y兴县暖崖黄浦旧县岢岚县五寨县府谷县偏关县教儿埝河曲县天桥子清水河县陈家沟门万家寨镇高石崖区县#Y黄河网格第一层边界图例N水源地模型范围100100m22020m24Introduction to Groundwater Model（4）银川）

50、银川平原地下水模型平原地下水模型4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model（5）北京）北京平原地下水模型平原地下水模型第一第一第二第二第三第三第四第四4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model水源地位置与南水北调进京线路图水源地位置与南水北调进京线路图怀柔应急水源地第一含水岩组观测孔水位历时变化曲线怀柔应急水源地第一含水岩组观测孔水位历时变化曲线平谷应急水源地第一含水岩组观测孔水位历时变化曲线平谷应急水源地第

51、一含水岩组观测孔水位历时变化曲线4Introduction to Groundwater Model潮白河冲洪积扇地下水模型应急水源开采应急水源开采期期4Introduction to Groundwater Model北京市南水北调受水区地下水模型4Introduction to Groundwater Model南水北调供水后垃圾填埋场浸泡情况4Introduction to Groundwater Model（6）黄河）黄河下游（河南段）黄河影响带地下水模型下游（河南段）黄河影响带地下水模型4Introduction to Groundwater Model71.073.075.077.

52、079.081.083.085.087.089.0036573010951460182521902555292032853650时间水位标高（m）2#6#7#8#浅层含水层组深层含水层组弱 透 水 层防渗墙K=0黄 河浅层地下水流线虚拟层厚度45m60m30m150m4Introduction to Groundwater Model（7）河南）河南濮阳李子园水源地模型濮阳李子园水源地模型4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model（8）济）济宁市汶上岩溶水源地地下水数值模型宁市汶上岩溶水源地地下水数值

53、模型4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model（9）临沂）临沂市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价涑河 祊河南涑河 4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model风险评价与控制总体流程图4Introduction to Groundwater Mode

54、l 级别级别因素因素稳定区稳定区(1)基本稳定区基本稳定区(2)次不稳定区次不稳定区(3)不稳定区不稳定区(4)极不稳定区极不稳定区(5)岩溶岩溶条件条件岩溶程度岩溶程度无无很不发育很不发育不发育不发育发育发育很发育很发育地地下下水水条条件件水位与界面水位与界面距离距离(m)552200-3-3水位变幅水位变幅(m)5与降落漏斗中与降落漏斗中心距离心距离(km)1010774422盖层盖层条件条件厚度厚度(m)201520101551050.5环境环境条件条件抽水强度抽水强度(m3/d)1500与抽水井距离与抽水井距离(m)500500200200100100501010553311评价等级划

55、分及评价因子的确定4Introduction to Groundwater Model危险现状分级图危险现状分级图风险现状分级图风险现状分级图4Introduction to Groundwater Model（10）天津）天津黄冈洼水源地地下水模型黄冈洼水源地地下水模型剖分图剖分图预测地面沉降分布图预测地面沉降分布图4Introduction to Groundwater Model（11）天津市平原区地下水）天津市平原区地下水-地面沉降耦合模型地面沉降耦合模型Grid cells subdivided in the model of Tianjin Plain Simulation of

56、groundwater flow in lay III, Tianjin Accumulated land subsidence from 1998 to 20084Introduction to Groundwater ModelFittings of GW hydrographs Fittings of land subsidenceComparison of withdrawals in different estimated methodsQuantity of compaction water from Quaternary sedimentsRelation between the

57、 GW pumping rate and the rate of subsidence in Xiqing area from the model4Introduction to Groundwater Model（12）山东）山东滕州市荆泉水源地溶质运移模型滕州市荆泉水源地溶质运移模型4Introduction to Groundwater Model确定捕获带范围用注水井方法试算用注水井方法试算100天水源井捕获距离天水源井捕获距离 用注水井方法试算用注水井方法试算1000天水源井捕获距离天水源井捕获距离 4Introduction to Groundwater Model溶质运移模型确定

58、的荆泉水源地保护区范围（注：蓝色竖线区域为一级保护区范围，粉色斜线区域为二级保护区范围）（注：蓝色竖线区域为一级保护区范围，粉色斜线区域为二级保护区范围）4Introduction to Groundwater Model（13）北京西郊地下水溶质运移模型）北京西郊地下水溶质运移模型4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model4Introduction to Groundwater Model考察垃圾渗滤液的运动轨迹和到达预定位置的时间，从而判断主要水源地受污染的可能性。在预测时间内，粒子最长运移6277.17m，最短3229.39m，在模拟期内，典型区内的垃圾填埋场都会对水源三厂造成污染。 反向追踪粒子运移最长距离为10646m，最短距离为3333.57m。在研究区内水力捕获带的面积为66.54km2。在水力捕获带范围内，地下水中的污染组分可能会对第三水厂水源地产生污染。 4Introduction to Groundwater Model0 1 2 3kmJSYZLS-1 LS-2XHCFTSXRTC-1TC-2LGZ实测