地下水?dāng)?shù)值模擬01

地下水?dāng)?shù)值模擬2012.5參考教材地下水?dāng)?shù)值模擬薛禹群，謝春紅科學(xué)出版社，2007水文地質(zhì)學(xué)的數(shù)值法薛禹群，謝春紅煤炭工業(yè)出版社，1980地下水流動問題數(shù)值方法陳崇希，唐仲華中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1990地下水流數(shù)值模擬李俊亭地質(zhì)出版社，1989水文地質(zhì)計(jì)算的數(shù)值方法孫峰根中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1995地下水流的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法孫納正地質(zhì)出版社，1981授課內(nèi)容第一章緒論第二章地下水運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型第三章有限差分法第四章有限單元法第五章其他數(shù)值方法第六章反求參數(shù)的數(shù)值方法第一章緒論主要內(nèi)容地下水?dāng)?shù)值模擬及其基本任務(wù)常用的數(shù)值方法簡介數(shù)值模擬的基本過程什么是地下水?dāng)?shù)值模擬？以電子計(jì)算機(jī)為手段，通過數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。什么是模擬？什么是數(shù)值模擬？什么是地下水?dāng)?shù)值模擬？對真實(shí)事物或者過程的虛擬

各種數(shù)值模擬方法在水文地質(zhì)計(jì)算中的應(yīng)用基本概念1研究地下水問題的模型物理模型數(shù)學(xué)模型利用模型與原型之間的物理相似或幾何相似為基礎(chǔ)例：滲流槽、電網(wǎng)絡(luò)模擬裝置利用模型與原型之間在數(shù)學(xué)上的相似為基礎(chǔ)例：達(dá)西定律、溶質(zhì)運(yùn)移方程基本概念2地下水?dāng)?shù)學(xué)模型的分類確定性模型與隨機(jī)模型集中參數(shù)模型與分布參數(shù)模型線性模型與非線性模型………根據(jù)模型中變量的階次劃分線性模型：承壓水運(yùn)動非線性模型：潛水運(yùn)動根據(jù)模型中是否含有空間變量劃分集中參數(shù)模型：流量與降深經(jīng)驗(yàn)公式分布參數(shù)模型：含有偏微分方程，裘布依模型、泰斯模型根據(jù)模型中變量的取值性質(zhì)劃分確定性模型：變量取確定值隨機(jī)模型：含有隨機(jī)變量，只知道取值概率基本概念3數(shù)學(xué)模型的求解方法數(shù)值法解析法用數(shù)學(xué)上的積分方法或積分變換等方法求得數(shù)學(xué)模型的解析表達(dá)式解的精度高，通常稱為解析解或精確解適用于含水層幾何形狀規(guī)則、性質(zhì)均勻、厚度固定、邊界條件單一的理想情況把刻畫地下水問題的數(shù)學(xué)模型離散化，解出滲流域有限個結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值解解是數(shù)學(xué)模型的近似解或數(shù)值解適用性廣、通用性強(qiáng)、可程序化，修改模型方便三角單元剖分矩形單元剖分離散化偏微分方程離散點(diǎn)上的偏微分方程離散點(diǎn)上的代數(shù)方程代數(shù)方程組地下水?dāng)?shù)值模擬的目的和意義基本目的：預(yù)測地下水未來動態(tài)，為水質(zhì)和水量評價提供理論依據(jù)任務(wù)：水流模擬：模擬地下水的流向、流速及地下水水頭與時間的關(guān)系溶質(zhì)運(yùn)移模擬：模擬地下水溶質(zhì)的濃度分布、溶質(zhì)的運(yùn)移速率熱量運(yùn)移模擬：模擬地下水熱量分布反應(yīng)模擬：水中、水巖界面、氣水界面等發(fā)生的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)應(yīng)用實(shí)例垃圾填埋場河流抽水區(qū)抽水區(qū)灰?guī)r露頭區(qū)需要用數(shù)值模擬解決哪些問題？常用的數(shù)值方法有限差分法（FDM，F(xiàn)initeDifferenceMethod）有限元法（FEM，F(xiàn)initeElementMethod）邊界元法（BEM，BoundaryElementMethod）離散單元法（DEM，DiscreteElementMethod）…………地下水?dāng)?shù)值模擬的基本步驟——《地下水流數(shù)值模擬技術(shù)要求》，中國地質(zhì)調(diào)查局，2004年11月確定模擬范圍，收集有關(guān)資料建立地下水系統(tǒng)的概念模型建立地下水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立數(shù)值模擬模型模型的識別和調(diào)參預(yù)報模擬步驟建立概念模型選擇數(shù)學(xué)模型將數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值化模型識別模型驗(yàn)證預(yù)測

給出模擬設(shè)計(jì)與結(jié)果后續(xù)檢查模型的再設(shè)計(jì)資料收集建立概念模型建立數(shù)學(xué)模型模型數(shù)值化求解模型識別驗(yàn)證預(yù)測評價提交結(jié)果建立地下水模型建立概念模型

根據(jù)詳細(xì)的地形地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)、水文地球化學(xué)、巖石礦物、水文、氣象、工農(nóng)業(yè)利用情況等模擬的區(qū)域:含水層層數(shù):分層數(shù)據(jù)維數(shù):一維、二維、三維水流狀態(tài)：穩(wěn)定流/非穩(wěn)定流、飽和流/非飽和流介質(zhì)狀況:均質(zhì)和非均質(zhì)/各向同性和各向異性孔隙/裂隙/雙重介質(zhì)流體的密度差邊界條件和初始條件

必要時需進(jìn)行一系列的室內(nèi)試驗(yàn)與野外試驗(yàn),以獲取有關(guān)參數(shù),如滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)、反應(yīng)速率常數(shù)等。

選擇數(shù)學(xué)模型

根據(jù)概念模型進(jìn)行選擇一維、二維、三維數(shù)學(xué)模型水流模型溶質(zhì)運(yùn)移模型反應(yīng)模型水動力-水質(zhì)耦合模型(熱)水動力-反應(yīng)耦合模型水動力-彌散-反應(yīng)耦合模型將數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值化

絕大部分?jǐn)?shù)學(xué)模型是無法用解析法求解的，數(shù)值化就是將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可解的數(shù)值模型。有限差分法:GMS-MOFLOW有限單元法:FEFLOW模型識別將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，使模擬結(jié)果在給定的誤差范圍內(nèi)與實(shí)測結(jié)果吻合。調(diào)參過程是一個復(fù)雜而辛苦的工作，所調(diào)整的參數(shù)必須符合模擬區(qū)的具體情況。

模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證是在模型校正的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步調(diào)整參數(shù),使模擬結(jié)果與第二次實(shí)測結(jié)果吻合,以進(jìn)一步提高模型的置信度。預(yù)測

用校正的參數(shù)值進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測時需估算未來的水流狀態(tài)。預(yù)測十年后等水位線圖后續(xù)檢查

后續(xù)檢查在模擬研究結(jié)束數(shù)年后進(jìn)行。收集新的野外數(shù)據(jù)以確定預(yù)測結(jié)果是否正確。如果模擬結(jié)果精確,則該模型對該模擬區(qū)來說是有效的。由于場址的唯一性,故模型只對該模擬區(qū)有效。后續(xù)檢查應(yīng)在預(yù)測結(jié)束足夠長的時間后進(jìn)行,以便有足夠的時間發(fā)生明顯的變化。

地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展趨勢深入挖掘3S技術(shù)在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中的功能

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型結(jié)合地表水文模型、作物模型、流域生態(tài)模型、區(qū)域氣候模型、分布式水文模型、水均衡模