3D GIS下地下水流有限元数值模拟方法与应用

目前缺乏针对较强空间特性水文地质计算参数的高效采集方法与管理机制,而且现有孔隙地下水流有限元数值模拟在三维可视化与空间分析等方面仍存在很多不足。因此,本文以有限元数值计算方法和三维地理信息平台为基础,结合GIS空间分析算法和计算机图形学理论,针对孔隙承压地下水有限元分析过程的关键步骤（概念模型构建、空间离散、水文地质参数提取与赋值等）,提出了孔隙地下水有限元数值模拟过程在3D GIS下的实现方法和技术框架。基于水文地质钻孔数据和GTP（Generalized Tri-Prism）空间数据模型,以盐城市滨海平原水文地质区为研究区域,实现了地下水系统空间结构特征的三维表达,同时与地下水流有限元数值模型相耦合,提出了3D GIS模型与地下水非稳定流有限元数值模型耦合的核心处理算法,并在此基础上开发了3D GIS地下水流数值模拟系统。应用实例表明,该技术框架可有效简化有限元分析流程、优化模型计算效率、实现地下水有限元数值模拟过程及计算结果的三维可视化。     

淄博开发区纸业公司搬迁改造对地下水环境的影响预测

地下水资源是人类赖以生存和发展的重要保证,但我国地下水环境的形势不容乐观,对新建项目进行地下水环境影响预测并提出科学有效的地下水污染防治措施十分重要。该文以淄博开发区纸业公司搬迁改造项目为例,概化建立了水文地质概念模型,利用地下水非稳定流数值模拟对模拟范围内地下水时空分布规律进行研究。在此基础上,建立地下水溶质运移数值模型,选取COD、氨氮为污染因子,重点预测了非正常工况和事故工况下新建项目影响地下水环境的范围及程度。结果表明,非正常工况下该新建项目对地下水环境的影响程度更大,但采取严格保护措施后可防止污水泄漏进而污染地下水。     

数值模拟在沂水铁矿区地下水环境影响评价中的应用

地下水数值模拟在矿区地下水环境评价中应用较少,通过对山东沂水铁矿矿区进行水文地质详细勘察,建立了尾矿库及矿区地下水水流及水质数学模型,预测和评价了该矿建设实施过程中对地下水环境可能造成的直接影响和间接危害。结论为矿山建设阶段和运行阶段正常情况下,尾矿区水位水质变化对地下水环境没有明显的影响,非正常情况或者事故状态下,预测污染因子在泄漏点附近一定范围出现超标现象;采矿区矿井排水对当地浅层地下水位影响较大。针对这种影响和危害提出防治措施,为沂水铁矿建设项目选址决策、工程设计和环境管理提供科学依据。     

地下水均衡过程的数值模拟

利用电子计算机对地下水的均衡过程进行数值模拟,这是提高以均衡法评价地下水资源精度的有效途径之一。论证地下水的均衡过程应以足够多的地下水位系列观察资料为基础,这也是获得的地下渗流过程的最主要的信息。数值模拟过程包括数学模型建立、参数调整(系统识别)和模型运转(水位预报)。本文着重论述参数调整(初始流场确定和参数调整)和模型运转(预报未来水位、论证和对比开采方案),基于上述工作要求,以有限差分法为基础用 ALGOL 语言编成一套计算用的序列程序——初始流场调整程序、参数调整程序和开采方案下的水位预报程序。这些程序已多次应用在 DJS—6机上,完成了大量的计算工作。     

模型嵌套技术在济南趵突泉泉域数值模型中的应用

在地下水数值模型中,经常需要对某一重点区进行详细刻画,模型嵌套技术仅需对原有模型进行较小的修改,并不需要重新进行网格剖分,就可以达到网格加密的目的。该文在系统分析济南趵突泉泉域水文地质条件的基础上,采用地下水数值模拟软件GMS10.0,建立了覆盖趵突泉泉域的地下水流数值模型,利用更加灵活、高效的共享节点的嵌套技术,对济南西郊重点区域进行加密,并与未加密、全局加密的模拟结果进行对比。结果表明:LGR在提高加密区和非加密区模拟精度的同时,大大缩减了模型的运行时间,并减小了磁盘空间的占用。随着济南市地表水转化地下水工程的建设,LGR可以应用于对断裂、补源河流、回灌井等的精确刻画,更好的为社会、工程服务。     

江苏沿江开发带地下水开采与地面沉降三维数值模拟

根据江苏沿江开发带地下水系统的水文地质机制以及地面沉降机理,在概化出江苏沿江开发带的地下水系统水文地质概念模型和地面沉降模型的基础上,建立了江苏沿江开发带地下水开采与地面沉降三维数值模型。并针对各种开采方案下地面累积沉降量最少的原则,给出了各含水层的最优开采方案。     

渭河水污染对杨凌区拟建水源地水质影响分析

杨凌农业高新技术产业示范区南临渭河，三维渗流数值模拟结果表明，拟建于渭河漫滩和一级阶地上的两个地下水水源地的开采将大大地激发渭河水对地下水的补给，使得已受污染的渭河水对拟建水源地的水质造成严重威胁。水质模拟结果表明，在未来开采条件下，热电厂水源地、水上运动中心及渭河近岸地带的地下水最容易受到渭河水污染的影响。     

地下水溶质运移数值法和解析法预测结果对比分析—以沾化电厂为例

数值法和解析法是当前解决地下水流和溶质运移问题最常用的两种方法,虽然数值法以其广泛的适用性和较高的仿真性等优点取得了越来越普遍的应用,但解析法也以其简单易用等特点一直成为首选方法之一。该文以沾化电厂地下水环评项目为例,分别采用两种方法对污染物在长期和短期渗漏情况下对地下水所造成的污染情况进行了预测,并在对两种方法预测结果的差异进行分析的基础上,论述了解析法在该区的适宜性,为解析法在该区的应用提供了参考。     

动网格在非饱和饱和界面数值模拟中的应用研究进展

为了探讨结构和非结构动网格技术在地下水非饱和-饱和数值模拟领域未来的发展趋势, 总结了非饱和-饱和耦合数值模拟研究现状, 介绍了动网格技术原理及运动边界结构和非结构网格的变形方法, 综述了动网格技术在非饱和-饱和分界面的应用现状及存在的不足, 探讨了相关研究的未来发展趋势。综合分析表明: 结构动网格和非结构动网格均存在其固有优缺点, 结构、非结构混合网格以及多种动边界处理方法的结合使用在非饱和-饱和耦合数值模拟研究中具有重要的应用价值。在模拟潜水面的变动时, 可将多种网格变形方法结合使用, 当潜水面位置和形状变动较小时, 采用弹簧法更新网格; 当潜水面位置变化较大但形状变化较小时, 采用重叠结构动网格技术或铺层法更新网格; 当潜水面形状变动较大时, 则采用网格重构法更新网格, 从而更精确地模拟非饱和-饱和分界面的变化和移动。相关研究为场地非饱和带土壤与饱和带地下水协同防治工作提供了科学指导。      

青岛市黄岛区潮河水源地地下水数值模拟

在分析研究青岛市黄岛区潮河流域水文地质条件基础上,建立了水文地质概念模型和地下水流数值模拟模型,利用地下水水位动态监测资料对模型进行了识别,并预测了三枯一丰一平条件下地下水最大开采量以及水位、降深分布情况。结果表明,模型验证拟合结果较好,地下水最大开采量为2.4万m3/d,地下水开采不会引起地面沉降、海水入侵等问题。     

地下水数值模拟又添新法

地下水数值模拟又添新法我院青年教授王文科博士的一项博士后研究成果专著《地下水有限分析数值模拟的理论和方法》不久前通过专家评审，有关专家一致认为，这一成果达到了国际先进水平，是国内外关于地下水有限分析法（ＦＡＭ）的第一部专著，这标志着地下水数值模拟又添...     

GIS与地下水数值模型集成中面向对象法的应用

GIS与专业领域模型的集成面临着许多挑战,其中之一是GIS要适合专业模型的要求。地下水模拟模型需要一个专业的GIS数据结构,同时GIS应用的快速发展,为地下水资源管理提供了辅助决策功能。本文使用面向对象的方法(Object Oriented approach),建立地下水模拟概念模型和适合于地下水可视化模拟的GIS数据结构,并研究GIS与地下水模拟模型紧密集成技术。采用面向对象的思想,将数据、模型和用户接口统一集成到同一个GIS系统中,为模型管理和分析创造了充分的灵活性。     

有限元法与伪谱法混合求解弹性波动方程

在地震波场数值模拟中,有限差分法、有限元法和伪谱法都是常用的基本方法,但它们各有不同的适应性和优缺点,如有限差分法、有限元法都存在减弱网格频散和提高计算效率的矛盾,而伪谱法的网格频散小且计算效率高.有限差分法和伪谱法在处理地表结构复杂或地表剧烈起伏以及地下结构复杂的情况时存在较大的难度,而有限元法可较为理想地拟合起伏地表和任意弯曲界面,且可方便地处理自由边界条件和界面边界条件.尝试将有限元法和伪谱法相结合,形成地震波场数值模拟的一种混合方法,利用二者的优点,克服二者的缺点,达到既减弱网格频散又提高计算精度和效率的目的.并采用所谓的‘过度区域‘技术解决两种不同算法的衔接问题.模拟实例表明,给出的混合模拟方法不失为弹性波场数值模拟的一种有效方法.     

济南泉域岩溶水系统管理模型研究

利用Visual Modflow软件建立了济南泉域岩溶地下水数值模拟模型,并在此基础上,采用响应矩阵法建立了济南泉域岩溶水系统管理模型,重点研究并利用模型定量计算了济西、西郊、市区、东郊开采地下水以及补源等对泉水位的影响,进行了2个方案的优化管理,对济南市水资源进行优化配置,为实现"保泉供水"向政府提供了可靠的决策依据。     

基于数值模型的肥城市地下水源地保护区划分

在北方隐伏岩溶分布地区,许多城市开发利用岩溶地下水资源作为饮用水水源,但利用数值模型方法进行岩溶水饮用水源保护区划分的工作较少。以山东省肥城市城区水源地为例,采用数值模型方法,构建地下水流数值模型,并采用质点追踪技术对岩溶水饮用水源保护区进行了划分。一级保护区面积1.53 km2,二级保护区面积28.4km2,准保护区面积约272.9 km2,全部位于肥城市辖区内。此次划定的保护区范围比之前划定的保护区范围更合理、准确,有利于加强地下水资源的管理和保护。     

平阴县前寨—凌庄水源地地下水数值模拟

根据平阴县前寨一凌庄水源地的水文地质条件，建立了裂隙岩溶水的平面二维非稳定地下水流模型，并应用Modflow软件对该区地下水流进行数值模拟。在进行计算区剖分、空间离散、参数分区、边界条件及源汇项处理与模型识别、验证的基础上，通过预测分析得出：该水源地按设计开采量开采后，地下水位不会出现持续下降趋势，最大降深在允许范围之内，因而也不会诱发环境地质问题。     

青藏高原东北缘断层活动变形的模拟研究

分析和讨论了位错理论模型的发展历史和应用领域，采用走滑和倾滑位错理论模型对青藏高原东北缘的多组断层活动产生的三维形变场进行了数值模拟研究，并将数值模拟结果与该地区1999～2001年间的GPS观测结果进行了对比分析。得出了甘青块体顺时针转动等一些较重要的结论和认识。     

Modflow在平原区深层地下水资源评价中的应用

在建立长时间序列地下水数值模型时,根据数据精度建立前后连贯的不同模型,前后模型的模拟期可重复,不但可提高模拟效果,又可缩短模型运行时间。采用试估—校正法进行识别和检验地下水数值模型时,水文地质参数、地下水流场、地下水均衡变化和地下水水位动态变化的拟合情况要符合研究区实际的水文地质条件。用地下水数值模型评价深层地下水资源时,需考虑研究区不同区域深层地下水不同开发利用程度,开发利用程度低的区域要考虑可动用的深层地下水释水量。     

宁夏甜水河煤田地下水模拟及涌水量预测

地下水模拟技术是进行煤田地下水环境影响评价和矿区疏干排水设计的主要工具。该文以宁夏甜水河煤田为研究对象,根据矿区地质条件和水文地质条件的分析,确定模型边界条件并建立了水文地质概念模型,应用基于有限差分法的MODFLOW程序,建立地下水流三维模型,进而对煤田各开采阶段的地下水流场和涌水量进行预测,从而为煤田地下水有效防治和安全生产提供依据。     

解扩散方程初边值问题的数值边界元积分方程法

在应用中(如数值天气预报等),经常需要对时空偏微分方程进行数值求解,通常大多采用有限差分计算或有限元法,虽然它们是应用得最广的数值解法(如差分方法),但也有某些局限和不足,本文提出了一种边界元积分方程法。作为示例,我们对扩散方程的初边值问题进行了基本原理和方法的讨论,其基本思想是通过积分变换,消除对时间的依赖性,再在变换空间中,用边界元法对积分后的方程进行数值处理,最后用数值逆变换以完成该问题的数值求解,本方法可对更为复杂的依赖于时间的方程进行类似处理,它具有不同于传统有限差分法和有限单元法特点的优越性,可供有关工作者解初边值问题试用和参考。