《地下水数值法课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下水数值法课件（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、地下水数值法应用问题,杜新强,吉林大学 环境与资源学院, 2008年9月,MODFLOW关键概念性问题 地下水三维数值模拟中初始水位问题 坝区渗流问题解决方法 基坑降水方案的数值模拟 数值模拟中应注意的一些问题 讨论 作业,主要内容,第一部分 MODFLOW关键概念性问题,1、三维流与准三维流问题,1、三维流与准三维流问题,建模目的： （1）研究粘土层储水量变化； （2）研究地下水在粘土层中的具体流向,1、三维流与准三维流问题,前提条件：粘土层释水量可以忽略，水量来自砂岩，则地下水在砂岩中的流动基本上是水平的，在粘土层中的流动基本上是垂直的。,2、水力传导系数与渗透系数,水力传导系数等于渗透系
2、数和横断面积的乘积除以计算单元间距。,令：,水力传导系数,则：,3、模型边界问题,MODFLOW规定：一个模型的六个侧面边界均为不透水边界。所模拟的水文地质体系与外界的水力联系通过定水头边界、井、降水及蒸发体现。,3.1、河流,概化,假定：（1）水头损失仅产生于底积层；（2）地下水位不会低于底积层底面,3.1、河流,3.1河流,当含水层水头低于底积层底面时，则水量交换不再依赖地下水位。,3.1、河流,3.2、RECHARGE,3.3、DRAIN,3.3、DRAIN,3.4、蒸发蒸腾,3.5、通用水头边界,地下水三维数值模拟初始水位问题,第二部分,地下水三维数值模拟技术推广应用的挑战 弱透水层初
3、始水位对三维模拟结果的影响 三种弱透水层初始水位赋值方法对比 结论与建议,主要内容,地下水三维数值模拟技术的重要意义,（1）科学发展的趋势 二维模型准三维模型三维模型(MODFlow,GMS,FeFlow等) （2）生产实践的需求 水库坝区渗流模拟、地面沉降过程模拟、复杂含水层水流模拟 （3）三维模拟的优势 克服了对于垂向水流过程考虑不完全的缺点 解决了潜水顶面边界随大气降水改变的问题 考虑了河流对含水层完全或不完全切割的影响 含水层界面之间的三维处理 更加真实地反映了当地的水文地质情况,地下水三维数值模拟技术在应用中的挑战,弱透水层初始水位资料缺乏 没有供水价值，没有观测资料，无法给定区域性
4、弱透水层的初始流场。 研究程度很低 根源：没有验证资料，研究难度大，关注程度低。 表现：几乎没有直接研究该问题的参考文献；几乎所有地下水三维数值模拟的文献中，都对弱透水层初始水位问题采取了回避。 影响：三维非稳定地下水流的数值模拟结果的可靠性。,弱透水层初始水位对三维模拟结果的影响程度评价,（1）水文地质概念模型,计算区范围：面积为4767.5km2。,含水层结构概化： 潜水含水层：第四系哈尔滨组 弱透水层：第四系荒山组粘性土层 承压含水层：白土山组、泰康组含水层,含水层介质：非均质各向同性,水流特征：符合达西定律的三维非稳定流,边界条件概化： 顶部为潜水面边界，底部为隔水边界；潜水含水层侧向
5、边界全部为一类边界；承压含水层东部边界为隔水边界，其余边界为一类边界,弱透水层初始水位对三维模拟结果的影响程度评价,（2）数学模型,式中：h地下水位标高（m）；K为渗透系数（m/d）；S自由水面以下含水层储水率（1/m）；U潜水含水层重力给水度；含水层源汇项（m/d）；P潜水面蒸发及降水入渗量（m/d）；,（3）模型求解,采用Visual MODFlow软件求解，剖分的计算单元面积约0.5km2，模型识别时段为2001-1-25到2002-1-25；模型验证时段为2004-1-1到2004-12-31,弱透水层初始水位对三维模拟结果的影响程度评价,弱透水层初始水位对三维模拟结果的影响程度评价,
6、本次研究改变原有模型中弱透水层初始水位后进行非稳定流模拟。 从模拟结果中的越流量和水位两方面，对比讨论不同的弱透水层初始水位对地下水流三维模拟结果的影响。 其中弱透水层水位变化值分别为在原有值基础上进行一定幅度的整体调整：-0.5m、-1 m、-1.5 m、-2 m、-3 m、-5 m、-10 m、-20 m、-35 m；+0.5 m、+1 m、+1.5 m、+2 m、+3 m、+5 m、+10 m、+20 m、+35 m。,弱透水层初始水位的对模拟结果中越流量的影响,弱透水层水位主要影响上、下含水层之间的水量交换量，也就是越流量。 从区域角度上看，当与弱透水层相邻的上、下含水层的水位变化不大
7、时，越流量也应相对稳定。 因为弱透水层储水和释水能力很差，因此，模拟结果中潜水向弱透水层的排泄量应与弱透水层向承压水的排汇量大体相等,弱透水层初始水位的对模拟结果中越流量的影响,从运行结果来看，各不同弱透水层初始水位模拟结果中的潜水越流量及承压水越流量值相差均较大，尤其在模拟初始时段。 随着模拟时间延长，各模型结果中所得的潜水越流量及承压水越流量趋于稳定，并趋于相等。,潜水越流量时间变化曲线,承压水越流量时间变化曲线,弱透水层初始水位的对模拟结果中越流量的影响,当水位变化值为-35m时，年潜水越流量与年承压水越流量的差值可占2004年开采量的11.754% 当水位变化值为+35m时，年潜水越流
8、量与年承压水越流量的差值可占2004年开采量的11.174%。 可见，对弱透水层水位的随意赋值将严重影响三维模拟结果的可靠性。,弱透水层初始水位的对模拟结果中水位的影响,各观测孔的模拟水位在不同弱透水层初始水位条件下，同一个观测孔的计算水位有较大的变化。,8820观测孔,9407观测孔,弱透水层初始水位的对模拟结果的影响,弱透水层初始水位对数值模拟的结果有直接的影响，在实际计算的过程中，必须选择适当方法确定合理的弱透水层初始水位。,三种弱透水层初始水位确定方法的比较,目前国内外对于地下水流三维数值模拟中弱透水层初始水位的确定方法研究较少，经整理目前主要有以下三种弱透水层初始水位的确定方法：,（
9、1）方法一：用上层潜水含水层初始水位值或者下层承压含水层的初始水位值作为弱透水层的初始水位赋值。这种方法使弱透水层水位与相邻含水层水位一致，虽然与实际水位相比会有一定的误差，但却可在一定程度上避免随意赋值的不确定性。,三种弱透水层初始水位确定方法的比较,（2）方法二：以取上层潜水的初始水位值和下层承压水的初始水位值的简单算术平均值为弱透水层的初始水位赋值。实际上弱透水层水位应该在潜水位与承压水位之间，此种赋值方法可以保证这一点，从而将误差控制在相对较小的水平。,当承压含水层水位较低时，按上述方法推导出的弱透水层地下水位，可能使弱透水层中出现非饱和带。,三种弱透水层初始水位确定方法的比较,（3）
10、方法三：先进行稳定流数值模拟然后将稳定流模拟中的水位结果作为非稳定流模拟的初始水位。 这种方法的出发点是：认为弱透水层的水位是整个含水系统在长时期内形成的并与其它含水层地下水位具有相对稳定关系的一种水头分布。,三种弱透水层初始水位确定方法的比较,通过对三种赋值方法的模拟结果中越流量的对比，发现三种方法都可将越流量的误差控制在一定范围内。 从年越流量统计结果看，采用方法2和方法3时，潜水越流量和承压水越流量更为接近，因此认为这两种方法的模拟结果更为合理。,结论与建议,结论 （1）弱透水层水位对三维非稳定流数值模拟结果具有较大影响，且影响主要集中在模型运行的初期；也就是说，如果模拟时段越短，则弱透
11、水层初始水位对计算结果的影响就越大 （2）采用数值模型的稳定流模拟结果或采用相邻含水层水位平均值方法为弱透水层赋水位初值，可在一定程度上控制计算结果的不确定性。 建议 该研究结果还只是个案分析，结论很可能受到具体研究区实际条件的影响，因此，应在此研究结果基础上，从地下水动力学角度，进一步深入研究该问题。,水库坝区三维渗流及渗控优化研究,汇 报 内 容,一、研究意义及研究内容 二、磨盘山水库工程概况 三、工程地质及水文地质条件 四、坝基土的渗透稳定性研究 五、渗流场三维渗流数值模拟模型 六、渗控设计方案的优化研究,研 究 思路,一、研究意义及研究内容,水库坝区三维渗流及渗控优化研究,二磨盘山水库
12、工程概况,1 工程任务 2 工程规模 3 枢纽工程布置及设计,二、磨盘山水库工程概况,磨盘山水库地理位置图,五常,二、磨盘山水库工程概况,工程任务,（1） 城镇供水(3.37108m3/a) （2） 下游防洪 （3） 农田灌溉 （4） 下游环境用水,枢纽工程布置图,二、磨盘山水库工程概况,河谷段粘土心墙堆石坝标准剖面图,二、磨盘山水库工程概况,三、工程地质及水文地质条件,坝轴线工程地质剖面图,三、工程地质及水文地质条件,坝轴线渗透性分区剖面图,三、工程地质及水文地质条件,坝址区水文地质剖面图,三、工程地质及水文地质条件,坝基渗漏量计算成果表,水库坝区三维渗流及渗控优化研究,四坝基土的渗透稳定性
13、研究,1 渗透破坏的基本理论 2 渗透破坏类型的判别 3 抗渗比降及允许比降的确定,四、坝基土的渗透稳定性研究,渗透破坏类型, 流土 管涌 接触流土 接触冲刷,四、坝基土的渗透稳定性研究,渗透破坏发生机制,主动力 水动力条件 决定因素土的渗透结构,四、坝基土的渗透稳定性研究,渗透破坏类型判别框图,四、坝基土的渗透稳定性研究,坝基土渗透破坏类型判别,四、坝基土的渗透稳定性研究,坝基土抗渗比降计算结果表,水库坝区三维渗流及渗控优化研究,五渗流场三维渗流数值模拟模型,1 坝区三维渗流概念模型 2 数学模型及求解 3 模型参数的给定,五、渗流场三维渗流数值模拟模型,概念模型,立体边界条件概化,渗透介质
14、结构概化,渗流特征概化,五、渗流场三维渗流数值模拟模型,计算区平面剖分图,109行 122列 13298个网格,五、渗流场三维渗流数值模拟模型,计算区横纵剖面剖分图,注：109行、122列、14层、186172个单元,五、渗流场三维渗流数值模拟模型,模型参数值表,水库坝区三维渗流及渗控优化研究,六渗控设计方案的优化研究,1 渗控计算方案组合 2 渗流场特征及防渗效果分析 3 渗透系数的敏感性分析 4 最优渗控设计方案的确定,六、渗控设计方案的优化研究,渗控设计剖面图,六、渗控设计方案的优化研究,渗控计算方案组合表,六、渗控设计方案的优化研究,渗流场平面等势线图,100-A-1,六、渗控设计方案
15、的优化研究,渗流场平面等势线图,200-A-1,六、渗控设计方案的优化研究,渗流场剖面等势线图,六、渗控设计方案的优化研究,渗流场剖面等势线图,六、渗控设计方案的优化研究,各渗控计算方案计算结果统计表,六、渗控设计方案的优化研究,防渗长度与渗漏量关系图,六、渗控设计方案的优化研究,防渗长度与最大渗透比降关系图,六、渗控设计方案的优化研究,防渗长度与下游出口最大水平比降关系图,六、渗控设计方案的优化研究,防渗长度与下游出口最大垂直比降关系图,六、渗控设计方案的优化研究,渗透系数敏感性分析方案表,六、渗控设计方案的优化研究,最优渗控设计方案确定原则,合理控制渗漏量,保证渗透稳定,减少工程投资,施工
16、技术可行、工期短,六、渗控设计方案的优化研究,各渗控计算方案计算结果统计表,允许渗漏量为3800m3/d 允许比降为0.1,六、渗控设计方案的优化研究,最优渗控设计方案,基岩帷幕灌浆标准5Lu,左岸砼防渗长度200米,水库坝区三维渗流及渗控优化研究,建议,本次三维渗流数值模拟计算的模型参数系采用野外试验实测值及设计值，未按三维渗流数值模拟的技术要求进行模型的校正和检验。为了检验模型的正确性及参数的可靠性，建议在水库建成后，应加强对坝区渗流场的动态监测工作，并利用监测资料进一步修正所建立的三维渗流模型，以保证模型运行的正确性和可靠性，更好地指导大坝的安全管理工作。,研究区剖分问题,模型选择问题,二维模拟较为成熟： GMS-SEEP2D、FEFLOW 三维模型较少： SEEP3D、（河海大学等单位有些自行开发的软
