期刊論文地下水流模擬應用

　　【摘 要】介紹了基于有限元原理的FEFLOW軟件,它的應用領域覆蓋了水量、水質與溫度的模擬,軟件提供地理信息系統數據接口,能自動產生空間有限單元網格。FEFLOW程序包中配備了快速精確的數值算法來控制和優化求解過程,結果輸出具有先進的圖形視覺化效果,并能很好地處理相關的水文地質條件。舉例說明了FEFLOW軟件在建立黃河下游影響帶三維地下水流模擬模型中的應用。

　　【關鍵詞】有限元原 理水文地質條件 影響帶 模擬模型

　　利用數值模擬軟件對地下水流和溶質運移等問題進行模擬的方法以其有效性、靈活性和相對廉價性逐漸成為地下水研究領域的一種不可缺少的重要方法,得到了廣泛的應用。模型計算指的是進行地下水流動或溶質運移正反演計算,常用的方法主要是有限差分法、有限元法、邊界元法等[1]。有限差分法是一種古典的數值計算方法,其基本思想是:用滲流區內有限個離散本論文由

　　點的集合代替連續的滲流區,在這些離散點上用差商近似地代替微商,將微分方程及其定解條件化為以未知函數在離散點上的近似值為未知量的代數方程(稱之為差分方程),然后求解差分方程,從而得到微分方程的解在離散點上的近似值[2]。美國地質調查局在20世紀80年代開發的MODFLOW (Modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model)為有限差分的典型代表。該軟件包括水井、補給、河流、溝渠、蒸發蒸騰和通用水頭邊界六個子程序包,分別用來處理相關的水文地質條件[3]。自MODFLOW問世以來,不斷有新的子程序包被開發出來。例如用來模擬水位下降引起地面沉降的子程序包[4],用來模擬水平流動障礙(Horizontal flow-barrier)的子程序包等[5]。新子程序包的加入,使MODFLOW的應用范圍不斷擴大。實踐證明,只要合理使用,它也可以用來解決許多地下水在裂隙介質中的流動問題。經過合理的線性化處理,MODFLOW還可以用于解決空氣在土壤中的運動問題[6]。如果將它與其他用于溶質運移模擬的程序結合起來,可以用來模擬諸如海水入侵等地下水密度為變量的問題[7]。有限單元法是求解偏微分方程定解問題的另一種有效的數值方法,它的基本思想早在20世紀40年代就已經提出。有限單元法成功地解決了眾多領域的許多計算問題,例如結構力學、結構工程學中的應力分析,結構穩定性問題;土力學、巖石力學中的應力變形與穩定性分析等;水利工程的液體流動、水工結構和壩體分析以及地下水流動、水動力彌散問題等。20世紀70年代末,德國WASY水資源規劃和系統研究所開發了基于有限單元法的FEFLOW ( Finite element subsurface FLOWsystem)軟件,它是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。該軟件包具有圖形人機對話、地理信息系統數據接口、自動產生空間各種有限單元網格、空間參數區域化及快速精確的數值算法和先進的圖形視覺化技術等特點。在FEFLOW系統中,用戶可以很方便迅速地產生空間有限單元網格,設置模型的參數和定義邊界條件,運行數值模擬以及實時圖形顯示結果與成圖。

　　1 FEFLOW簡介從FEFLOW的問世起一直到現在,在理論研究和對實際問題的處理上,它經過了不斷的發展、修改、提高,在它的發展過程中,FEFLOW經過了大量的測試和檢驗,它成功地解決了一系列與地下水有關的實質性問題,如判斷污染物遷移途徑、追溯污染物的來源,地熱的模擬,海水入侵預測等。

　　1.1 FEFLOW的應用領域水量模擬:模擬水源地開采或者油田注水對區域地下水流場的影響、模擬水庫放水或者河流斷流時,河道沿線地下水流場的變化等;水質模擬:模擬污染物在地下水中的遷移過程及其時間空間分布模式[8]、模擬沿海地區抽取地下水引起的海水入侵等[9];溫度模擬:模擬非飽和帶以及飽和帶溫度場的分布[10]。

　　1.2 系統輸入特點通過標準數據輸入接口,用戶既能直接利用已有的GIS空間多邊形數據生成有限單元網格,也可以基于地圖用鼠標設計,網格的數目可以自己指定,可以方便地調整網格的幾何形狀,增加和放疏網格大小等。用戶可以視具體情況定義第一、第二和第三類邊界,而且還可以對邊界條件增加特定的限制條件;能方便地定義復合含水層中的分層開采井和混合開采井以及注水井。所有邊界條件及其限制條件、滲透系數、補排量既可設置為常數,也能定義為隨時間變化的函數。FEFLOW提供了克里格(Kriging)、阿基瑪(Akima)和距離反比加權(IDW)三種方法,對離散的空間抽樣數據進行內插或外推。輸入數據格式既可以是ASCⅡ碼文件,也可以是GIS地理信息系統文件,如ArcView的shp格式。

　　1.3 FEFLOW配備了若干先進的數值求解法來控制和優化求解過程 快速直接求解法,如PCG,BICGSTAB,CGS,GMRES以及帶預處理的再啟動ORTHOMIN法;靈活多變的up-wind技術,如流線up-wind,奇值捕捉法Shock capturing,以減少數值彌散;皮卡和牛頓迭代法求解非線性流場問題;自動調節模擬時間步長;模擬污染物遷移過程包括對流、水動力彌散、線性及非線性吸附、一階化學非平衡反應;為非飽和帶模擬提供了多種參數模型,如指數式、Van Genuchten式和多種形式的Richard方程;垂向滑動網格(BASD)技術處理自由表面含水系統以及非飽和帶的模擬[11];開放性外部程序接口,以便用戶在FEFLOW系統中連接和使用自己的程序模塊。1.4 系統結果輸出及顯示FEFLOW提供了其他任何地下水模擬軟件都無法比擬的、豐富實用的圖形顯示和數據結果分析工具。其先進的圖形視覺化及數據分析技術表現在:有限單元網、邊界條件和模型參數的三維可視化及顯示;標量數據的三維彩色(透明或灰度)等勢面顯示以及其二維平面彩色或等值線顯示;三維地下水流徑追蹤,流動時間及流速動畫顯示(包括二維平面、剖面投影或二維平面追蹤);三維體截段的空間顯示和三維交叉剖面組的空間顯示;三維圖形的任意旋轉,二維、三維圖形的放大或縮小;總體和局部水量平衡分析(包括任意幾何多邊形內的水流通量分析);計算和圖形顯示通過各種邊界條件的水通量、物質通量以及其在特定時間區間內的積分量。

　　2 FEFLOW中特殊水文地質問題的處理

　　2.1 地層的不連續在FEFLOW中,三維模型的空間結構是由許多層(layer)組成,這些層由片(slice)隔開,每兩片中就是一層(圖1)。網格、邊界條件、初始條件是對應于片,而參數(給水度、滲透系數等)是對應于層。FEFLOW只能處理延伸到整個研究區域的片和層,所以,理論上FEFLOW不能處理地層不連續等特殊情況。

　　2.1.1 地層的缺失地層由于地殼的抬升而受強烈的剝蝕,含水巖層出露地面(圖1),或者含水層缺失。FEFLOW在處理這種情況時,仍然認為地層是連續到整個研究區域;只是在地層缺失的地方,認為厚度是無限小,默認是0.01 m,其參數參考相鄰層的參數值。

　　2.1.2 斷層斷層是地層發生錯位,是一種特殊的水文地質條件。到目前為止,FEFLOW還沒有很好的方法來處理斷層、跌水現象,WASY公司也一直設法解決這一難題。常用的處理方法是把斷層部分作為一個單獨的參數分區,根據斷層兩邊的水力聯系程度來確定含水層的參數(主要是滲透系數)。

　　2.1.3 小面積強透水帶的處理當遇到天窗或者滲透系數非常大的區域時(這些區域的面積往往比較小),可以把它隔離出來當成一單獨的層(圖2)。在這一特殊的層上,強透水帶位置的厚度、滲透系數等參數按照實際賦值;除此之外的地方,參數考慮相鄰層相應的參數。

　　2.2 第三類邊界混合邊界河流在FEFLOW中是作為第三類邊界處理。河流通過底積層和含水層發生水力聯系(圖3)。根據達西定律有當動態地模擬一條河流時,需要知道河流在典型水文年的水位動態曲線。例如已知兩個水文站的水位歷時曲線,采用一維線性插值方法,可以得到沿主流道任意結點的水位歷時曲線。然而這種插值法用來模擬短期內洪水對地下水的影響時就會出現較大的誤差,因為它認為上游和下游水位變化是同步的,沒有考慮時間滯后的影響;也就是說上游和下游的水位同時到達歷時曲線的波峰和波谷(圖4),這種結果并不是所需要的。為了解決上述問題,FEFLOW提供了一種考慮時間滯后的一維線性插值方法,通過這種插值(圖5),可以非常準確地模擬一場暴雨后,沿河附近區域地下水位的變化。

　　小編推薦優秀電子期刊　《中國新通信》是國家級期刊嗎

　　《中國新通信》雜志是由工業和信息化部主管，電子工業出版社主辦，《中國新通信》雜志社編輯出版的信息通信技術專業期刊，原《中國數據通信》(月刊)。自1999年創刊以來，受到了廣大讀者和作者的關心和支持，2005年被科學技術協會評為優秀期刊，于2006年1月改名為《中國新通信》。