四小時(shí)學(xué)會(huì)Modflow課件

_四小時(shí)學(xué)會(huì)Modflow主要參考書(shū)目：1地下水流的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值法，孫訥正，1981.5，地質(zhì)出版社。

2地下水動(dòng)力學(xué)（第二版），薛禹群，1997.9，地質(zhì)出版社。3地下水流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值方法，陳崇希等，1990.6，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社。4地下水流數(shù)值模擬，1989.9,李俊亭，地質(zhì)出版社教學(xué)中涉及軟件：1ProcessingModflow2Surfer(V.6或更高)3AutoCAD2000《Modflow4小時(shí)速成》數(shù)值解與數(shù)值方法數(shù)值解用有限個(gè)離散點(diǎn)的函數(shù)（水頭）值，近似代替函數(shù)（水頭）的連續(xù)分布，稱(chēng)數(shù)值解。數(shù)值解屬于近似解，在地下水滲流計(jì)算中，是最“精確”的（概化誤差最?。┑叵滤?jì)算誤差概化誤差(要命的誤差)、測(cè)量誤差、截?cái)嗾`差等……數(shù)值方法求解微分方程數(shù)值解的方法，常用方法有:有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)二維滲流問(wèn)題矩形網(wǎng)格有限差剖分示意圖有限差剖分－結(jié)點(diǎn)法二維滲流問(wèn)題矩形網(wǎng)格有限差剖分示意圖有限差剖分－格點(diǎn)法二維問(wèn)題矩形網(wǎng)格有限差解之幾何意義三維問(wèn)題的“簡(jiǎn)隱式”有限差分方程(Modflow用該格式)1不僅計(jì)算含水層水位，還要計(jì)算弱透水層中的水位2根據(jù)需要，含水層、相對(duì)隔水層還要進(jìn)一步分成若干層簡(jiǎn)隱式特點(diǎn)：1差分格式無(wú)條件穩(wěn)定與收斂；2時(shí)間步長(zhǎng)隨意；3只要時(shí)、空剖分步長(zhǎng)“充分小”，就足夠“精確”4個(gè)下標(biāo)含義準(zhǔn)三維問(wèn)題的“簡(jiǎn)隱式”有限差分方程1僅求解各含水層（組）水位，弱透水層不計(jì)算2一般情況下，單一含水層（組）不再進(jìn)一步分層(?)1那些結(jié)（格）點(diǎn)需要求解內(nèi)格點(diǎn)====>需要（列出差分方程式）流量邊界（第二類(lèi)）格點(diǎn)====>需要（列出差分方程式）水位邊界（第一類(lèi)）格點(diǎn)====>不需要（因?yàn)樗灰阎玻┩飧顸c(diǎn)====>不需要2通用差分方程的特點(diǎn)a所有內(nèi)格點(diǎn)的方程式都是相同的（給編寫(xiě)程序帶來(lái)方便）b當(dāng)導(dǎo)水系數(shù)用調(diào)和平均值時(shí)（假設(shè):計(jì)算區(qū)域之外的導(dǎo)水系數(shù)為零），隔水邊界（零流量邊界）的差分式與內(nèi)結(jié)點(diǎn)相同。c流量邊界“等價(jià)于”隔水邊界+“注(抽)水井”，注水井流量的大小等于邊界流入量。有限差分方程中那些格點(diǎn)需要計(jì)算1概化水文地質(zhì)條件－數(shù)學(xué)模型2離散化－數(shù)值模型3制備數(shù)據(jù)文件集合(BAS.dat,BCF.dat,Well.dat…)4運(yùn)行模擬程序Modflow.exe5輸出模擬結(jié)果文件集合Heads.dat,Drawdown.dat…6解讀模擬結(jié)果(均衡分析、繪圖、表等)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－前處理軟件－協(xié)助自動(dòng)或半自動(dòng)制作數(shù)據(jù)文件集合，具有校對(duì)、圖形顯示、人機(jī)交互特征后處理軟件－具有自動(dòng)整理結(jié)果數(shù)據(jù)文件為簡(jiǎn)潔易懂的圖表等功能數(shù)值模擬步驟前處理后處理地下水模擬程序美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(UGS):MODFLOW地下水流模擬程序MT3D、MT3DMS…溶質(zhì)運(yùn)移模擬程序集成前后處理程序VisualModFlow

ProcessingModFlow(PM)GroundwaterModelingSystem(GMS)VisualModflow……數(shù)值模擬：常用商業(yè)軟件Modflow剖分特點(diǎn)與格元編號(hào)Modflow格元均衡示意圖Modflow格元側(cè)面流量計(jì)算表達(dá)式垂向傳導(dǎo)（越流）系數(shù)的計(jì)算三維流垂向傳導(dǎo)系數(shù)Cv“準(zhǔn)三維流”垂向越流系數(shù)VCont無(wú)夾層VCont有夾層VContModflow通用差分方程式Modflow88模塊化程序結(jié)構(gòu)遞推求解模式時(shí)間剖分方式時(shí)間剖分問(wèn)題1總模擬期分成若干“應(yīng)力期”2每個(gè)“應(yīng)力期”分解為若干時(shí)間段3每個(gè)應(yīng)力期內(nèi)各模塊包參數(shù)為“常數(shù)”，不同應(yīng)力期間參數(shù)可以變化，以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。ProcessingModflow集成前后處理系統(tǒng)介紹File－文件菜單ProcessingModflow集成前后處理系統(tǒng)介紹File/Preferences模擬程序設(shè)置ProcessingModflow集成前后處理系統(tǒng)介紹Grid－剖分菜單ProcessingModflow集成前后處理系統(tǒng)介紹Parameters－參數(shù)菜單ProcessingModflow集成前后處理系統(tǒng)介紹Models－模型菜單ProcessingModflow集成前后處理系統(tǒng)介紹Tools－前后處理工具菜單基本模型－無(wú)任何外應(yīng)力包基本Modflow模型，僅含BAS、BCF、SIP與SSOR能夠模擬以下簡(jiǎn)單滲流問(wèn)題1形狀任意（馬賽克排列成任意近似形狀）2地層參數(shù)（滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)、給水度等）總體非均質(zhì)，各格元內(nèi)部均質(zhì)，不同格元允許參數(shù)不同。3穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流4僅允許含有隔水邊界與定水頭邊界（永遠(yuǎn)不隨應(yīng)力期變化）井模塊包Well－源匯項(xiàng)強(qiáng)度與水位無(wú)關(guān)在基本Modflow模型的基礎(chǔ)上，增加模擬井功能1模擬抽、注水井。注水為正，抽水為負(fù)2模擬流量邊界流量邊界＝隔水邊界＋抽（注）水井3每個(gè)格元只能有一個(gè)抽（注）水井，其值應(yīng)為位于該格元各井流量的代數(shù)和4包含信息含井總格元數(shù)

各應(yīng)力期的：井位置、井流量（不同應(yīng)力期可以不同）“面狀補(bǔ)給”模塊包Recharge(RCH)－源匯項(xiàng)強(qiáng)度與水位無(wú)關(guān)增加模擬“面狀補(bǔ)給”功能1模擬大氣降水入滲、凝結(jié)水入滲等功能2每格元只能有一個(gè)補(bǔ)給強(qiáng)度值，其值為位于該格元代數(shù)和3包含信息含面補(bǔ)總格元數(shù)？補(bǔ)給加載到哪一層？

各應(yīng)力期：補(bǔ)給強(qiáng)度（注意，與抽水井流量單位不同）排水溝模塊包Drain(DRN)－源匯項(xiàng)強(qiáng)度與水位“有關(guān)”！1可模擬排水溝、泉水溢出等功能（只出不進(jìn)，類(lèi)似二極管）2只能向“排水溝”排，不能由排水溝進(jìn)入含水層3排水溝水力傳導(dǎo)系數(shù)(DrainHydraulicConductance)描述阻力大小，近似模擬向排溝溢出的通暢程度4排水溝排水高程

ElevationoftheDrain：－－泉口高程；－－排水溝內(nèi)水位;4包含信息各應(yīng)力期的：排水溝位置、哪層、排水高程、排水溝水力傳導(dǎo)系數(shù)DrainHydraulicConductance在該格元所控制的“排水溝”中，單位水頭差所溢出的水量CdElevationoftheDrain該格元所控制的“排水溝”，平均排水高程Di,j,k。所謂水頭差，是指格元地下水位與該排水高程之差。用逐格元輸入法輸入排水溝參數(shù)：EquivalentHydraulicConductivity排水溝在該節(jié)點(diǎn)所控制單位長(zhǎng)度、單位水頭差所溢出的水量KElevationoftheDrain排水溝在該節(jié)點(diǎn)所控制排水高程Di,j,k用折線輸入法輸入排水溝參數(shù)：自動(dòng)化程度高！在某地下水模型中，選用了“排水溝”模塊包問(wèn)題：模擬程序運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)排水溝出水太多了，怎么辦？解決方法溝排水太通暢了，把系數(shù)Cd或K減小一點(diǎn)，把地下水憋一下?；蛘邷系呐潘叱藾太低了，高點(diǎn)試試3兩種方法一起上，再試試！河流模塊包River(RIV)_1當(dāng)?shù)叵滤蚝恿髋判箷r(shí)當(dāng)河流向地下水滲漏時(shí)河流模塊包River(RIV)_21可模擬河流滲漏與溢出2河底水力傳導(dǎo)系數(shù)為等效阻力，近似模擬水流的通暢程度3河水位指河水水面高程4包含信息各應(yīng)力期的：河流位置、河水高程、河底（等效）阻力層底面高程河底阻力層等效水力傳導(dǎo)系數(shù)用逐格元輸入法輸入River模塊參數(shù)：當(dāng)?shù)叵滤蚝恿髋判箷r(shí)當(dāng)河流向地下水滲漏時(shí)Criv－格元單位水頭差滲漏（溢出）量用折線輸入法輸入排水溝參數(shù)：自動(dòng)化程度高！蒸騰模塊包Evapotranspiration(EVT)1可近似模擬地下水淺埋帶蒸發(fā)與植被根系吸收地下水蒸發(fā)功能2涉及參數(shù)：蒸發(fā)面高程、極限蒸發(fā)深度、水面蒸發(fā)強(qiáng)度一般用外部場(chǎng)文件輸入通用水位邊界模塊包General_Head_Boundary(GHB)1可近似模擬變水位邊界、與水頭有關(guān)的變流量邊界等2涉及參數(shù)：邊界外側(cè)水位Hbi,j,k、邊界水力傳導(dǎo)系數(shù)CHBi,j,k應(yīng)用舉例1變水頭邊界2邊界流量隨降深變化3阻水構(gòu)造（如阻水?dāng)鄬樱?，邊界流量與內(nèi)外水頭差成正比CHBijk－－單位“格元水位與外部水位”差“誘發(fā)”的流入（出）量注意：1在定水頭邊界上加任何“應(yīng)力包”都是徒勞的，是白增加的。相當(dāng)于在大海中“抽水”或“注水”！2在定水頭邊界附近抽水，可“襲奪”定水頭邊界“取之不盡的水源”，而邊界水位永遠(yuǎn)不會(huì)下降，這種情況自然界少見(jiàn)。總之，應(yīng)慎用定水頭邊界！！4推薦：若邊界即能提出水位邊界，又能出提流量邊界，則應(yīng)首選流量邊界。否則當(dāng)出現(xiàn)邊界量失真時(shí)不易察覺(jué)。四種模型層類(lèi)型矩陣數(shù)據(jù)文件編輯外部矩陣數(shù)據(jù)文件輸入外部矩陣數(shù)據(jù)文件輸入（覆蓋）加載矢量圖形文件(如Autu_CAD文件)格元圖例－易于看懂加載各種模塊分布PMPath主界面阻滯因子及其含義PMPath－設(shè)置“粒子”分布與數(shù)量PMPath－“粒子”跡線演示PMPath－“粒子”跡線演示PMPath－“粒子”跡線階段標(biāo)記設(shè)置ProcessingModflow前后處理器容量限制ProcessingModflow單層數(shù)據(jù)文件格式ProcessingModflow單層數(shù)據(jù)文件格式ProcessingModflow各種包含“包”集合PressingModflowPro例1（三維穩(wěn)定流問(wèn)題）問(wèn)題描述：由兩種不同巖性構(gòu)成潛水含水層，各向同性，分布范圍為矩形。南、北邊界為隔水邊界；東、西邊界為河流定水頭邊界，水頭分別為8m、9m。上下兩層水平滲透系數(shù)分別為8.64m/d、43.2m/d，厚度分別為4m、6m，垂向滲透系數(shù)為水平方向的10%，地面高程為10m。含水層接受面狀補(bǔ)給強(qiáng)度為6.912×10-4m/d。上層西邊界附近有一污染源。任務(wù)：(東界附近)用一完整抽水井來(lái)截獲污染源，確定抽水流量，以水力隔離污染源。

建立并運(yùn)行穩(wěn)定滲流數(shù)值模型步驟1創(chuàng)建模型2給模型賦值3運(yùn)行模擬程序4觀察校核模擬結(jié)果5計(jì)算水均衡6模擬成果輸出剖分伊始，用一個(gè)大“盒子”把計(jì)算區(qū)套起來(lái)PressingModflowPro例1計(jì)算結(jié)果顯示PressingModflowPro例1計(jì)算結(jié)果顯示PressingModflowPro例2（單層非穩(wěn)定流問(wèn)題）概況：?jiǎn)螌訚撍畬樱稚?，滲透系數(shù)160m/d，各向同性，給水度0.06；頂?shù)装甯叱谭謩e為25m、0m；東西界寬6000m，為隔水邊界；南北向10000m，北界為定水位邊界，水位15m，南界為定流量邊界，單寬流量0.0672m2/d；在濕潤(rùn)季節(jié)(4個(gè)月),入滲補(bǔ)給強(qiáng)度為7.5×10-4m/d，干旱季節(jié)(8個(gè)月)無(wú)入滲；共9眼開(kāi)采井，單井開(kāi)采量3888m3/d，僅在干旱季節(jié)用于灌溉開(kāi)采，濕潤(rùn)季節(jié)不開(kāi)采；任務(wù):1建立近似穩(wěn)定流模型，無(wú)開(kāi)采，年平均入滲補(bǔ)給強(qiáng)度為2.5×10-4m/d；2以“穩(wěn)定”場(chǎng)作為初始條件，運(yùn)行10年，近似得到“擬穩(wěn)定”場(chǎng)；3以“擬穩(wěn)定”場(chǎng)的濕潤(rùn)季節(jié)末作為初始條件，模擬干旱季節(jié)開(kāi)采8個(gè)月后的流場(chǎng)；4以開(kāi)采8個(gè)月后的流場(chǎng)作為初始條件，模擬經(jīng)4個(gè)月補(bǔ)給后的流場(chǎng)。5重復(fù)3、4五次，及模擬灌溉開(kāi)采五年，與第一年開(kāi)采流場(chǎng)進(jìn)行比較。

構(gòu)建例2“穩(wěn)定流”模型剖分與加密剖分問(wèn)題穩(wěn)定解流場(chǎng)（無(wú)抽水天然情況）例2—枯水期末、補(bǔ)給期末流場(chǎng)怎樣添加“觀測(cè)孔”怎樣顯示“觀測(cè)孔”曲線怎樣制作“動(dòng)畫(huà)”P(pán)ressingModflowPro例3（多層穩(wěn)定流問(wèn)題）概況：一山間河谷，兩側(cè)為隔水山體。共有兩層含水層，上部潛水與下部承壓水，河水與潛水水力聯(lián)系密切，承壓含水層底板為相對(duì)不透水巖石，潛水與承壓水之間有一相對(duì)弱透水層分隔。河流參數(shù)：