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1、中国地质大学研究生课程论文封面地下水数值模拟模型建立的一般步骤课程名称：地下水数值模拟教师姓名： 研究生姓名： 研究生学号： 研究生专业： 所在院系： 类别： B.硕士 日期： 2014 年12月31日 评语对课程论文的评语：平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。摘要随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，水资源的供需矛盾日渐突出，大量开采地下水，产生了诸多的地质环境问题，如区域水位大幅下降，漏斗不断扩大，产生地面沉降、塌陷、水质恶化、泉水干涸等问题。
2、因此对地下水资源的合理开发利用提出了更高的要求，即要从定量角度对地下水资源进行预测和评价，建立合理的开发利用方案。但水文地质条件客观的复杂性，限制了用地下水动力学中建立的解析法解决问题的广泛性。于是，70年代初以来，随着电子计算机的发展，地下水数值模拟技术逐渐渗透到水文地质学科，开拓了水文地质领域的定量计算。人们通过地下水数值模拟技术，来获得满足一定工程要求的数值解，尤其在水量计算、资源评价、地下水污染预测、地下水的合理开发和地下水资源管理等方面应用更加广泛。经过20年的探索和实践表明，地下水数值模拟对水文地质学科中某些理论和实际问题的解决起了很大作用，构成现代水文地质学科形成和发展的重要推动
3、力之一，己成为人们揭示水文地质规律和资源评价与管理中必不可少的工具。地下水系统数值模拟是定量分析地下水资源和地下水环境变化的手段。其实现过程为：在给定的地下水系统水文地质条件下，从初始状态开始，根据初始水位及地面标高等确定初始蒸发量、灌溉入渗量及泉水溢出量，再由边界附近的初水力梯度确定边界流量，然后通过上述定解条件对数学模型离散求解，得到下一时刻各点的水位（包括边界水位）。根据求得的水位，确定新的蒸发量、灌溉入渗量、泉水溢出量、边界水力梯度和边界流量，为下一步计算提供依据。不断重复上述过程，就可实现地下水动态数值模拟。此模拟过程避免了定解条件的先验给定，由具体的开采规划和开采后的水文地质环境来
4、确定新的补排关系。地下水数值模拟广泛应用于地下水位预测、地下水资源开发利用规划、地下水循环机制研究、地下水溶质及热运移研究、地下水资源预报与评价等，并在我国取得了巨大成就。关键词：地下水数值模拟；溶质运移；模型建立；目录摘要3目录4第一章 绪论51.1 问题的提出51.2 研究现状51.2.1 国外研究现状51.2.2 国内研究现状61.3 研究目的及意义7第二章 地下水数值模型的过程82.1 水文地质概念模型82.1.1水文地质概念模型分析82.1.2 MODFLOW模型水文地质资料82.2 MODFLOW数学模型102.2.1 方法分类102.2.2 MODFLOW模型实例102.3 溶质
5、运移模型112.3.1 溶质运移模型的建立112.3.2 溶质运移数值模拟-MT3D122.3.3 溶质运移模型13第三章 模型校验，预测及参数灵敏度分析143.1模型校验143.1.1 模型校验143.1.2 模型预测143.2 参数灵敏度分析14第四章 结论与建议154.1 结论154.2 建议15参考文献16第一章 绪论1.1 问题的提出地下水作为中国重要的供水水源，维持着全国近 70%人口的饮用，40%的农田灌溉，在保证居民生活用水、社会经济发展和生态环境平衡等方面，起着不可替代的作用。近几十年来日益加剧的人类活动破坏了地下水资源的平衡同时也造成巨大的经济损失，如过量开采引起的水资源枯
6、竭、海水入侵、地面沉降和塌陷、土壤次生盐渍化和次生沼泽化等。当今地下水资源的可持续利用，紧密关系到国民经济的可持续发展。随着计算机技术的飞速发展，数值手段开始引用，各种地下水数值模型和模拟软件被逐渐开发出来。利用地下水数值模型模拟地下水流和溶质运移，用以评价地下水资源的合理开发、预测地下水污染，达到可持续利用地下水资源的目的。这种模拟方法以快捷、有效、灵活、经济等特点逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法，受到人们越来越多的关注。在我国，通过数值模拟技术已解决地下水流、水质、污染物在地下水中的运移、淡-咸水分界面移动、地下水热运移及含水介质形变、地下水最优管理等问题。地下水系统数值模拟
7、是定量分析地下水资源和地下水环境变化的手段。其实现过程为：在给定的地下水系统水文地质条件下，从初始状态开始，根据初始水位及地面标高等确定初始蒸发量、灌溉入渗量及泉水溢出量，再由边界附近的初水力梯度确定边界流量，然后通过上述定解条件对数学模型离散求解，得到下一时刻各点的水位（包括边界水位）。根据求得的水位，确定新的蒸发量、灌溉入渗量、泉水溢出量、边界水力梯度和边界流量，为下一步计算提供依据。不断重复上述过程，就可实现地下水动态数值模拟。此模拟过程避免了定解条件的先验给定，由具体的开采规划和开采后的水文地质环境来确定新的补排关系。1.2 研究现状1.2.1 国外研究现状最早对地下水进行动态分析，采
8、用的是比较直观也是最为简单的水均衡方法以及水文地质比拟方法。十九世纪中叶，法国人达西在总结前人实践的基础上，通过试验提出了水在孔隙介质中渗透的线性渗透定律，即达西定律；稍后，袭布衣以达西定律为基础，研究了单向和平面径向稳定运动，奠定了地下水稳定流理论的基础。1905年，梅勒第一次用解析法论证了泉水流量的预测方法。1935年，泰斯提出了地下水向承压水井的非稳定流公式，开创了现代水文地质计算的历史。五十年代，随着深层承压水的开发利用，代雅柯布、汉土什等人研究了有越流补给的情况，接着出现了考虑无压含水层迟后反应、非完整井等情况下的解析解。同时把稳定流计算中己经行之有效的叠加原理、映射法应用到非稳定流
9、计算中来，以解决井群干扰和边界的影响以及抽水流量呈阶梯式变化等非稳定流动问题。20世纪50年代后期，T.H.卡门斯基在解析法分析群孔潜水动态的基础上，系统地研究了存在降水入渗条件下的有限差分法，并用它来预测地下水动态的变化。六十年代后期随着计算技术的进步，数值模拟方法应用到地下水计算中来，理论和工程上分析地下水的能力都取得了突破性的进展，先后出现了二维流平面(剖面)模型、准三维流模型、三维流模型、藕合模型等。国外近年来出现的几个主要模型，例如R.Brvao等做的美国休斯敦模型，美国维吉尼亚州的滨海平原下水三维模型，确定了地下水的运动模式，主要的补给和排泄区域以及无约束系统中地下水的循环次数，A
10、.Rivera等做的墨西哥城模型，G.Gambolati做的意大利拉温纳区域地下水模型，K.Daito做的日本大鳄平原模型，ShuGuangLi用概率统计模型求解污染物质随地下水的纯对流运动过程，澳大利亚Queensland大学系统研究了地下水动力学的数值解法和建立模型的方法步骤，在实践中模拟了Collie流域地下水及其与地表水的动态祸合问题；并模拟了海水入侵使海岸含水层污染物迁移的过程，将数值模型应用到含水量计算、开采预测、管理方案及含水层补救等，取得了显著成效。国外该领域的研究主要是针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理描述地下水系统中
11、的不确定性和模糊因素。该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序% 步骤方面达成了一致，强调水文地质条件合理概化的重要性，并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。研究人员广泛应用地下水系统数值模拟软件和3S技术，不断加强数值模拟法的功能，并通过与其他模型耦合来发挥其独特优势。1.2.2 国内研究现状我国地下水数值模拟起步较晚，开始于20世纪70年代，经过20多年来数学工作者(肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等)和水文地质工作者(林学任、朱学愚、薛禹群、陈崇希等)以及科研院所的共同努力，现己接近或达到国际水平(薛禹群，1997)。随着地下水数值模拟研究方面的发展，地下水数值模拟的应用己
12、遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。二十多年来，随着计算机和数值方法的发展，数值模拟逐渐取代传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下水资源的主要手段，而且发展趋势己远远超出作为一种计算手段的原有范畴，成为模拟水文地质过程、发生、发展的演变规律的主要方法。现在我国己经建立了囊括国际地下水模拟中心(IGWMC)P.VenderHeijde分类中所有模型，即预报模型(包括水流模型、热量运移模型、形变模型、多目标模型)、管理模型和识别模型。研究范围涉及到饱和带、非饱和带与饱和一非饱和带，基本满足了我国国民经济建设发展的需要。随着非稳定流理论的发展，以及电子计算机的广泛应用，使得各种复
13、杂条件下的地下水运动都可应用数值法求解。在国内，由于水文地质观测站始建于1958年，缺乏长期观测资料，在地下水动态预测方面的研究比较薄弱，20世纪70年代中后期才开始这方面的研究工作。1976年，原河北地质局水文地质第四大队、河北大学数学系采用了回归方法对太行山地区大清河流域的地下径流进行了分析、预报。1977年，我国首次由煤炭工业部煤炭科学研究院地质勘察分院、武汉地质学院应用自回归模型进行河北黑龙洞泉的动态预测。近年来，地下水数值模拟的发展越来越迅速。南京大学地球科学系，合肥工业大学，中国地质科学院水文地质环境地质研究所，中国地质大学，清华大学环境科学与工程系，吉林大学，河海大学，四川大学等
14、，都有相应的研究应用。地下水数值模拟方法在模拟地下水离散模型、连续性模型、混合模型以及祸合模型方面均具有无可比拟的优越性，同时数值方法在应用过程中也得到了发展，数值解法早期多采用有限差分法(FDM)，1965年，Zienkeiwiez将有限元法(FEM)引入地下水渗流领域，Sandhu和Wilosn提出了地下水渗流运动方程的广义变分原理，随着数值法广泛应用于地下水，形成了有限差分法(FDM)、边界单元法(BEM)和有限分析法(FAM)等多种方法并存的局面。每一种数值方法在解决地下水问题的过程中被不断地发展和完善，如有限单元法派生出混合有限元法(HFEM)、特征有限元法(CFEM)、以及随机有限
15、元法(SFEM)等，对数值方法的进一步发展起到了推动作用。1.3 研究目的及意义地下水系统数值模拟是基于地下水系统概念模型概化和抽象出的数学模型，用以描述地下水系统各参数、度量之间的数量关系，在对数学模型识别和验证的基础上进一步验证地下水系统的行为和功能的适应性，从而深化对地下水系统特性的认识。人类利用地下水已有几千年的历史，但由于地下水问题本身的复杂性和生产力发展水平的限制，对地下水运动规律的认识却经历了很长的历史过程。地下水数值模拟在地下水资源评价、地下水污染物运移、地下水资源管理系统，以及地下水与地表水模型联合运用等诸多方面得到广泛应用，已成为解决与地下水有关问题不可或缺的工具。随着计算机技术的不断进步，对地下水系统概念方法的深入研究，将提高模拟结果的精度和模型的仿真性，与其他水文模型的藕合将会成为水资源研究发展的必然需求，以及GIS在水资源领域的广泛应用，地下水软件与之无缝集成将是未来发展的必然趋势，将为地下水模型开拓更广阔的发
