地下水模型发展与应用课件

地下水模型发展与应用北京地下水环境调查监测高级研修班

2011年11月2日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地下水模型概述地下水的功能和作用资源：人类的主要供水水源环境：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、保持地下水的环境功能？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；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、……。1时间状态上稳态模型非稳定模型空间分布上集中（中）式模型（随机模型）—黑箱模型，一般用统计方法求解分布式模型（确定性模型）：一维、二维、三维模拟的地下水状态水流模型（饱和、非饱和）溶质运移模型（辨析：水文地球化学模型）热运移模型地面沉降模型（地下水-介质应变模型）求解方法上统计方法（相关分析、回归分析、时间序列分析、地质统计学、频谱分析、）解析法（泰斯公式、纽曼公式、…..）数值法（有限差分法、有点单元法、边界元法、……）………地下水模型概述：数学模型1连续介质假设：典型单元体质量守恒定律达西定律1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+达西定律非均质各向异性介质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1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+达西定律+费克定律1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。建模方法解析法数值模拟有限差分法有限单元法…………..地下水模型概述：数值模型1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，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。发展历史上世纪50年代石油流动领域上世纪60年代中期拓宽用于解决地下水流问题；优缺点：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。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；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1地下水模型概述：数值模型1地下水模型概述：数值模型数值法解地下水模型流程图1地下水模型概述：数值模型数值法优点广泛的适用性：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；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；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：数值模型不足之处不如物理模型直观；不如解析模型简单；需要更多的、更详细的资料；…….地下水数值模型不是万能的不符合连续方程推导基本定律的不适用，如非达西流；地下水流不连续的不适用：断层阻水、跌水、含水层疏干、...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、…；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Step1：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。2Step2：水文地质概念模型WhatisConceptualModelofHydrogeology(GW)?Aconceptualmodelisapictorialrepresentationofthegroundwaterflowsystem,frequentlyintheformofablockdiagramoracrosssection.Thepurposeofbuildingaconceptualmodelistosimplifythefieldproblemandorganizetheassociatedfielddatasothatthesystemcanbeanalyzedmorereadily.Q4Q3Q2Q1稳定的弱透水层2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；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2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）面状量：降水入渗、灌溉入渗、农业开采、……线状量：河渠渗漏补给、排水沟、……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2边界条件2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：形成地下水运动的定解问题2空间离散（剖分）形状：矩形网格和不规则剖分（三角、任意四边形等）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：在重点评价区和重要开采地段应加密剖分单元；在地下水位变化家大地段（如降落漏斗区）应适当加密；在水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。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2

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2Step6：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。识别准则计算的地下水状态的空间分布应与实测的场基本一致；模拟期计算的地下水动态应与实测动态变化趋势一致；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；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。2预测－校正法模型识别框图识别方法：预测－校正法优化调参法2水文地质识别要给出的结果参数分区图、参数分区表流场拟合图（实际流场和拟合流场对比图）典型观测孔过程线图（实际地下水位与计算水位对比图）地下水均衡表结合水文地质条件，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：模型输出结果2Modflow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3.1MODFLOW简介MODFLOW（Modularthree-dimensionalfinite-differenceground-waterflowmodel）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：采用FORTRAN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，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；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；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。3子程序包名称英文缩写功能基本子程序包BAS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BCF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WEL定义点井的滤水管位置和井流量补给子程序包RCH定义含水层的面状补排强度河流子程序包RIV将河流处理为三类边界排水沟子程序包DRN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EVT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GHB将边界定义为三类边界条件求解子程序包SIP子程序包SIP强隐式法求解线性方程组SSOR子程序包SSOR超松弛迭代法求解线性方程组PCG子程序包PCG预调共轭梯度法求解线性方程组33.1MODFLOW简介模块功

能ETS蒸散发子程序包，允许用户定于蒸散发-地下水位关系。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）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线性、非线性和混合二元线性地下水管理问题。3粒子追踪-MODPATH算例3溶质运移模型—MT3DMS算例33.2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GMS(GroundwaterModelingSystem，windows)整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、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BrighamYoungUniversity的环境模型研究实验室开发，网址：。分销商为：。VisualModflow（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/或http://www.Swstechnologycom/FEFLOW（windows）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，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://index.html#。3GroundwaterVistas（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EnvironmentalSimulations,Inc.公司开发：-/GWMS（windows）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……IGW（InteractiveGroundWater，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：./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-HsingChiang开发：，可免费下载该软件。SWIFT（windows）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HISGeoTrans公司开发：/swift.html，可下载参考手册和使用手册。HST3D(3DHeat&SoluteTransportModel，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：，可下载可执行程序和使用说明。33.2国内外流行的地下水模型软件TOUGH2（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，HYDRUS1D/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://，可下载软件、技术手册和使用手册。GeoStudio（windows）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GEO-SLOPEInternationalLtd开发：.com/products/，可从以上网址了解有关信息、下载学生版。MIKESHE（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：，可下载演示版本和相关文件。33.2国内外流行的地下水模型软件3.3地下水模型的发展趋势界面化(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3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GIS技术（概念模型）边界、参数、源汇项、几何参数3.3地下水模型的发展趋势3地下水模型应用主要应用方面水文地质条件再认识评价和预报管理应用实例简介44.1主要应用方面水文地质实体（结构）输入输出4（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：水文地质参数水文地质结构（边界条件、几何参数、……）地下水的某些补排项确定污染源位置和排污量地下水均衡分析化学组分的平衡分析热平衡分析4（2）评价和预报资源评价在均衡分析的基础上，评价地下水补给资源量；评价一定开采布局条件下地下水的课开采资源量；评价现状排污条件下的地下水污染程度；评价地下热水的能量和开发利用潜力；其他资源量评价储存资源量评价调节库容计算极限开采量评价应急水源地开采能力评价……………….4

预测规划开采条件下地下水流场和动态变化趋势；预报一定污染物排放条件下含水层受污染状况；预报地下热水开发利用条件下温度的变化趋势。环境评价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：地下水储变量地面沉降生态环境影响（土地荒漠化、盐渍化）海水入侵工程水文问题地下水污染程度………………..4（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。44.2应用实例简介华北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银川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市平原区地下水-地面沉降耦合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4（1）华北平原地下水模型华北平原地下水数值模型第二、第三层剖分图2020年浅层地下水等水位线图研究区边界条件概化图4华北平原浅层流场拟合效果图（2003年12月）华北平原第二层流场拟合效果图（2003年12月）4模型识别与检验浅层计算水位与实测水位拟合图4模型识别与检验深层计算水位与实测水位拟合图4模型应用地下水资源评价（分地下水系统、分层、分行政区、分矿化度）：补给资源、可开采量；地下水开采程度和开采潜力评价；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）存在问题结构不够细化模拟期太短网格剖分太粗，不能刻画局部4（2）西辽河平原地下水模型区域剖分网格22km2科尔沁区加密剖分网格0.50.5km24（3）天桥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44100100m22020m24（4）银川平原地下水模型44（5）北京平原地下水模型第一第二第三第四44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平谷应急水源地第一含水岩组观测孔水位历时变化曲线4潮白河冲洪积扇地下水模型应急水源开采期4北京市南水北调受水区地下水模型4南水北调供水后垃圾填埋场浸泡情况4（6）黄河下游（河南段）黄河影响带地下水模型4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45m60m30m150m4（7）河南濮阳李子园水源地模型44（8）济宁市汶上岩溶水源地地下水数值模型4444（9）临沂市岩溶水模型及岩溶塌陷风险性评价涑河

祊河南涑河

44风险评价与控制总体流程图4

级别因素稳定区(1)基本稳定区(2)次不稳定区(3)不稳定区(4)极不稳定区(5)岩溶条件岩溶程度无很不发育不发育发育很发育地下水条件水位与界面距离(m)>55~22~00~-3<-3水位变幅(m)<11~22~33~5>5与降落漏斗中心距离(km)>1010~77~44~2<2盖层条件厚度(m)<0.5或>2015~2010~155~105~0.5环境条件抽水强度(m3/d)<300300~500500~10001000~1500>1500与抽水井距离(m)>500500~200200~100100~50<50历史条件与已塌陷点距离(km)>1010~55~33~1<1评价等级划分及评价因子的确定4危险现状分级图风险现状分级图4（10）天津黄冈洼水源地地下水模型剖分图预测地面沉降分布图4（11）天津市平原区地下水-地面沉降耦合模型GridcellssubdividedinthemodelofTianjinPlain

SimulationofgroundwaterflowinlayIII,TianjinAccumulatedlandsubsidencefrom1998to20084FittingsofGWhydrographsFittingsoflandsubsidenceComparisonofwithdrawalsindifferentestimatedmethodsQuantityofcompactionwaterfromQuaternarysedimentsRelationbetweentheGWpumpingrateandtherateofsubsidenceinXiqingareafromthemodel4（12）山东滕州市荆泉水源地溶质运移模型4确定捕获带范围用注水井方法试算100天水源井捕获距离

用注水井方法试算1000天水源井捕获距离

4溶质运移模型确定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）4（13）北京西郊地下水溶质运移模型44时期时间农业开采量/年(104m3)水厂开采量/年(104m3)自备井开采量/年(104m3)可供水源目的第一时段2008.1-2009.124160114207490地表水和地下水维持现状保障现状用水第二时段2010.1-2020.12319074200地下水调整开采、南水北调实施，地表水增加供水地下水进一步得到恢复4正向追踪反向追踪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。

4氯离子硝酸盐氮2005年9月2006年9月2006年9月2005年9月污染组分浓度拟合4预测末刻浓度场在水平方向上，Ⅲ类以上水的面积为4.03km2，Ⅴ类水的面积为1.467km2，其余为Ⅰ到Ⅲ类水。

从廖公庄剖面看，在垂向上，大于Ⅲ类水的范围约在-2.72m以上，大于Ⅳ类水的范围在7.6m以上。

氯离子浓度场硝酸盐氮浓度场Cl一般为Ⅰ、Ⅱ类水4一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55.