FEFLOW在模拟大区域地下水流中的特点

大区域(大尺度空间范围上的)地下水系统通常由不同的地貌单元组成,水文地质条件复杂,建立地下水流模型的目的和要求、水文地质结构、流场、参数分区、各种补排项概化和处理方面与小区域模型有较大的差异,因此建模的准则也不同.FEFLOW对含水层分层、单元剖分、离散点插值、数据转换、边界条件赋值、河流边界、含水层均衡项等处理的特点,提高了建立地下水流模型的效率,使它更加适宜于建立大区域地下水流模拟模型.     

地下水流模型的建立——以华北平原为例

地下水流模型是辅助地下水资源量评价的一种工具,采用的建模方法主要是有限元法、有限差分法和边界元法。基于有限元法的地下水流模型包括地下水概念模型、数学模型、数值模拟模型3部分。概念模型建立包括含水层结构概化、研究区边界概化及水力特性确定3个步骤;数学模型和数值模拟模型建立包括数学方程式描述、区域剖分、定解条件处理、源汇项、水文地质参数确定、模型识别与检验及水量均衡分析7个步骤。以华北平原地下水流模型为例,阐述建模过程。     

区域性地下水流河谷区排泄咸淡混合特征分析

西南高山峡谷区,地形及地层岩性特征造就了温度、矿化度异于局部地下水流系统的区域地下水流系统,季节变动或人为因素造成地表水水位抬升甚至淹没地下水的排泄点,从而影响该系统排泄端地下水与地表水的混合特征。为了研究该区域的地下水流和地表水的盐分混合特征,采用砂槽物理模型以及SEAWAT模块数值模型从盐分浓度分布特征方面研究排泄端混合特征的变化规律。结果表明:区域地下水流系统与地表水之间存在水头差与密度差,在二者共同作用下,淡水侵入含水层,发生水动力弥散作用,形成低矿化度淡水逐渐过渡到高矿化度咸水的混合过渡带,其边界呈抛物线形;通过模拟不同密度差条件下的混合过程,进一步表明咸淡水密度差越大,混合过渡带后退距离越远,形态越扁长。研究结果将为分析咸淡水混合过程中温度分布特征提供参考,进而为深入研究西南地区多级次地下水流系统的混合特征作铺垫。     

用MODFLOW模拟一假想地区的湖水和地下水的交换

1 模型设计1.1 概念化模型 假想地区的面积为5000m×3000m,西边以56m的常数水头为边界,其他边界均无水流通过。湖泊的面积为1000m×500m;其距北边界和西边界的距离均为1000m。一条河流在东边与湖泊相通,河底高程为55m,河水位为58m,水流通过河床渗漏到地下水层。如果地下水水位高于河水位,水则从地下水流向河流。     

内陆河流域植被变化与地下水运动的耦合关系

以流域水量均衡为基础，以植被变化对地下水的影响作为源汇项，建立了内陆河流域二维地下水运动模拟模型。根据荒漠植被区的气候条件，依地下水埋深划分并合并植被变化方式为几种类型，以面状因子处理源汇项。绿洲区的灌水、抽水等源汇因子对地下水影响最大，根据不同作物的灌溉制度详细计算随时间变化的源汇量。其他植被变化类型上的源汇因子相对次要，主要是有限的降水和凝结水入渗及蒸散，具体数量分配在某一时段。用GIS处理区域植被变化的空间数据，与专业计算地下水流的FEFLOW软件结合，模拟了植被变化对地下水位的影响。结果表明：扇缘带上部地下水位仍然保持下降，冲洪积平原地下水位继续上升的趋势；其结果将是扇缘带上部植被有趋于退化，冲洪积平原土壤盐化进一步发展的趋势。     

伊犁河谷西部平原多级次地下水循环模式

分析伊犁河谷西部平原区地质条件与水文地质条件,结合2017、2018年研究区内采集的220组地表水及地下水样品的水化学、D、~(18)O、~3 H及CFCs等指标测试结果,以伊犁河南北岸2个典型剖面为重点,分析了区域地下水环境同位素和水化学的空间分布特征。伊犁河谷西部平原区地下水主要接受山区降水补给,地形地貌和含水层岩性变化是控制区内地下水循环最主要的影响因素,区内地下水循环表现为多级次的循环演化特点,以伊犁河为界,伊犁河谷西部平原区南北两侧地下水水流系统可划分为局部、中间和区域等3个级次的地下水流系统。不同级次的地下水水流系统在循环范围和深度上存在一定差异。     

某地下水封洞库工程对区域地下水位的影响分析

以某地下水封洞库工程为例,对洞库结构和研究区域水文地质条件进行概化,利用Visual MODFLOW软件建立三维地下水流数学模型,模拟地下洞库周围的地下水渗流场,并利用建立的数学模型模拟预测洞库周围地下水位变化及地下水降落漏斗扩展情况.     

李官堡水源地地下水流场数值模拟及预测

随着工业规模的发展,各城市都面临着地下水资源如何科学利用的难题,北方缺水城市沈阳李官堡水源地就面临着新增工业造成的用水压力,如何对该水源地的水资源进行科学评价是合理取用水的前提。在对模拟区范围、边界条件和孔隙水介质进行概化和对水文地质参数及其他参数确定的基础上,将该区域地下水流系统概化为均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统,运用GMS模型软件对研究区的地下水流场进行了数值模拟预测。通过模型识别和可靠性分析认为,所率定的模型参数符合实际且模型边界条件合理;预测认为该区域地下水资源量不能满足新增企业用水量9.8万m3/d的需求。该评价方法不仅具有应用和推广价值,而且具有为地下水资源科学规划提供科学依据的重要作用。     

李官堡水源地地下水流场数值模拟及预测

随着工业规模的发展,各城市都面临着地下水资源如何科学利用的难题,北方缺水城市沈阳李官堡水源地就面临着新增工业造成的用水压力,如何对该水源地的水资源进行科学评价是合理取用水的前提。在对模拟区范围、边界条件和孔隙水介质进行概化和对水文地质参数及其他参数确定的基础上,将该区域地下水流系统概化为均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统,运用GMS模型软件对研究区的地下水流场进行了数值模拟预测。通过模型识别和可靠性分析认为,所率定的模型参数符合实际且模型边界条件合理;预测认为该区域地下水资源量不能满足新增企业用水量9.8万m3/d的需求。该评价方法不仅具有应用和推广价值,而且具有为地下水资源科学规划提供科学依据的重要作用。     

奎河周边浅层地下水流及溶质运移数值模拟

根据典型地区地下水动态和溶质运移情况,结合水文地质条件和其他资料,建立了相应的水文地质概念模型。利用有限元数值模拟软件FEFLOW实现了对研究区地下水流系统和溶质运移的模拟。在水位过程线拟合、水位误差分析和溶质相关性分析的基础上,对地下水流系统和溶质运移模型进行了识别、校验,并利用所建立的数值模型预测了研究区地下水溶质运移演化情况。     

考虑地下水入渗的一维水动力学模型研究

考虑地下水入渗的一维水动力学模型可从物理机制上综合模拟河道水流与地下水之间的互动关系,为地下水入渗过程活跃河段的水流模拟提供基础方法。引入达西定律,通过渗流方向假设及渗流路径长度假设,推导构建了地下水入渗项的数学表达式。分析表明,该项可合理反映河道水流与地下水间的补给与反补给关系;将其整合至圣维南方程组,并通过Preissmann四点线性隐式差分格式求解。从理论上讨论了该模型的适用条件。当地下水入渗没有严格符合假设条件时,可通过调整渗透系数及平均导渗率弥补。考虑地下水入渗的一维水动力学模型能够动态反映河道上各断面水流与地下水之间的交互关系,定量分析地下水入渗水量,有利于提高一维水流的模拟精度。     

地下水流数值模型内部参数灵敏度分析

以北京市朝阳区为研究区域,建立地下水水流数值模型,并对模型进行了识别。选取与地下水流场密切相关、反映地下水系统内部性质的渗透系数K与给水度μ作为敏感性分析的因子,采用单一参数灵敏度分析法与多参数组合灵敏度分析法,选取流场上游处和下游处的两个地下水头观测点进行参数变化引起的水位变幅分析,从而识别出影响地下水流场的主控因素。结果表明:研究区地下水流场对渗透系数K具有很高的敏感性;渗透系数K与给水度μ两个参数对区域地下水流场的影响中,渗透系数K占优。     

基于GIS的地下水流数值模拟

地下水流数值模拟模型能够模拟地下水动态特征，地理信息系统（GIS）具有强大的空间数据处理与分析功能，建立地下水流数值模拟模型与GIS的集成系统，将有助于对地下水流模拟模型的推广应用和决策分析。充分利用GIS的空间分析功能及其可视化表达能力，研究了地下水流数值模拟过程中的模型建立、计算区域的确定和网格生成、计算参数赋值、模型的识别和验证、模型模拟预测的可视化表达方法。     

冻土区地下水流过程及其与地表水转化关系研究进展

针对地下水流过程及其与地表水转化关系研究中,冻土分布特征及融冻过程对地下水系统的影响机制相关研究较少的问题,通过分析国内外冻土区地下水对河道径流的贡献、地下水流动路径和地下水-热耦合模型的相关文献,对地下水流过程及其与地表水转化研究进行综述,认为:①受土壤中冻土空间异质性的影响,不同冻土区地下水对径流的贡献比例不一致;②利用水化学和同位素示踪剂研究地下水流动路径,有助于冻土区地下水流动系统概念模型的构建,但只能获得定性或半定量的结果;③地下多相流系统的水-热耦合模型可将冻土的变化与其相应的水文响应过程耦合在一起,实现了地下水流过程及其与地表水转化关系的定量刻画,但在实用性方面仍需进一步完善,是未来的主要研究方向。     

基于同位素-水化学的东胜矿区地下水循环研究

为实现采煤条件下东胜矿区地下水资源的合理开发利用,以牛川上中游区为例,通过现场调查,采用水化学和环境同位素技术开展了东胜矿区地下水循环研究。结果表明:研究区地下水的补给来源为大气降水,第四系地层与浅层延安组地层水力联系良好,降水经表层松散砂层和裂隙发育的延安组地层入渗补给地下水;区域地下水循环可概化为浅、中、深3层水流系统,在采煤活动影响下,研究区水循环条件发生强烈改变;采煤活动破坏了隔水层,增强了地层的垂直入渗能力,加大了参与中层水循环地下水的比例,使得主要依赖浅层水流系统排泄的河川径流量大为减少。     

某河流改道工程对区域地下水动态的影响

为研究某河流改道后对区域地下水动态的影响,采用水均衡法计算河流改道段受影响区域的水均衡情况,并利用MODFLOW软件对研究区内的地下水位进行为期10年的数值模拟。根据水均衡的计算结果,河流改道后研究区内的地下水补给、排泄量变化不大,对河流下游地下水的补给量影响很小。对比10年后研究区内的河流原河道和改道后的地下水位,其地下水流场和地下水埋深面积均无明显变化,地下水位的降深变化很小。结果表明:河流局部改道不会使研究区域地下水空间分布格局发生明显改变,对地下水流动态影响较小。更多还原     

矿井涌水数值模拟及预测——以安徽省当涂县钟九铁矿为例

近年来伴随着矿井的开采,矿井涌水问题已成为矿井安全生产的首要问题,对于地质条件复杂的矿区,井下涌水量的科学预测是安全生产和合理取用水的前提。在对模拟区边界条件和孔隙水介质进行概化以及对水文地质参数和其他参数确定的基础上,将该区域地下水流系统概化为均质,各向同性,无侧限边界的三维非稳定地下水流系统,运用Visual MODFLOW软件对研究区的矿井涌水过程进行数值模拟及预测。通过模型模拟和可靠性分析认为,模型所率定的参数符合实际且模型边界条件合理,预测结果认为该区域井下涌水量能满足矿区采矿用水。     

三门峡水库低水位运行对岸边地下水的影响

结合多年的地下水监测资料,分析了三门峡水库低水位运行对岸边地下水的影响.结果表明:三门峡水库低水位运行后,导致区域地下水位大幅度持续下降,形成了三门峡市区、陕县城区、灵宝老城等区域地下水降落漏斗,使地下水的补给、径流、排泄条件及埋藏条件发生了改变,造成了地下水流场的巨大变化.     

用浸没边界-格子Boltzmann方法模拟双层刚性植被明渠水流特性

含植被明渠水流的模拟是水动力学中的一个典型问题。该文尝试用浸没边界-格子Boltzmann方法(immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM),结合大涡模拟,对含双层刚性植被明渠水流进行数值模拟分析。首先介绍了IB-LBM的基本思想和局部加密网格处理刚性杆件的方法;然后模拟典型双层刚性植被明渠流,将模拟结果和实验数据及有限体积法模拟数据对比,验证了其精度和可靠性;最后,通过加大植被密度和改变密度比来深入分析植被密度影响规律。结果显示,通过局部网格加密和并行计算,IB-LBM可模拟较大规模的含植被流动;改变植被密度和两层之间的密度比对宏观流速剖面线的转折点和凹弧曲率有影响。     

淹没植被明渠边界切应力试验研究

生态河道中的植物在净化水质的同时增大了河道阻力,是抬高河道水位、影响河道行洪安全的原因之一。采用塑料草模拟植被,建立横断面为梯形的明渠水槽,研究植被淹没情况下明渠水深、流速以及植物间距对明渠切应力的影响。通过对研究水体的受力分析,推导出床面平均切应力计算公式;根据试验结果,计算得出不同条件下的边界平均切应力,分析不同水流条件、不同植物密度情况下明渠边界切应力的变化规律。结果表明:水流流速以及植物布置间距对明渠边界切应力影响较大,水深对边界切应力影响相对较小。