岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

基于流网单元的污染物优势运移数值模型

垃圾填埋场滤出液、入侵海水、核废物及生产生活废水等污染物随地下水的迁移威胁人类生存。地下水渗流的随机性导致溶质运移问题更加复杂。根据流网特点,利用流线与水头等势线对求解域进行离散,基于质量守恒原理建立流网单元内溶质浓度求解的隐式有限体积差分格式。基于多孔介质孔隙流速分布规律,利用蒙特卡洛法建立流管单元随机流速场进行溶质运移过程的数值模拟,最后根据数值模拟和模型试验的结果对比,验证了数值模拟方法的准确性。基于流网单元的数值模型中沿流线方向的物质交换由对流和扩散共同作用,而流管间的物质交换只有扩散作用,因此,可在不使用弥散系数下进行污染物运移的模拟。引入随机方法确定流管内流速为研究非均匀流场中染污物的优势迁移提供了新的思路。     

裂隙岩体地下水溶质运移的尺度问题

核废料的安全贮存、地下污染的预测控制等目前面临的许多重大问题要求对大尺度裂隙岩体地下水溶质运移问题进行研究,然而裂隙岩体地下水溶质运移问题的尺度效应给这项研究带来了极大的挑战.本文介绍了裂隙岩体地下水溶质运移的多尺度概念模型及其物理和数学模拟方法,并探讨了模拟尺度与观测尺度、预测尺度、裂隙介质尺度之间的关系及尺度效应的分形特征.     

大区域地下水流数值模拟研究现状及存在问题

在分析大区域地下水流数值模型构建缘起的前提下,系统论述了近年来地下水流数值模拟在大区域地下水资源评价、水文地质参数确定、地面沉降、溶质运移、海水入侵、盐渍化、风险评估、地下水管理及地表水与地下水的联合开发利用等方面的国内外研究应用现状;归纳、总结了目前大区域地下水流数值模型在灵敏度分析、裂隙和岩溶介质中模型建立、基于地下水流数值模拟的溶质运移模型建立、地下水流数值模型构建所需工作量等理论和方法研究及实际建模过程中存在的一些问题;展望了今后大区域地下水流数值拟在研究范围、模拟技术与方法以及与其它模型耦合等方面的发展趋势。      

海水入侵模拟方法VFT3D及应用

海水入侵是困扰沿海地区经济社会发展的重大资源、环境问题,严重影响沿海地区地下水资源。定量模拟、预测和可视化管理是对海水入侵进行有效监测和机理分析的重要手段。基于前期海水入侵模拟的理论研究及方法,提出了海水入侵模拟及预测模型VFT3D,该模型综合考虑地表水-地下水对海水入侵的协同控制作用,能够模拟变密度地下水流及复杂反应性迁移,实现模拟海水入侵的完整水文循环过程。文章介绍了VFT3D模型,利用VFT3D模型模拟了一个海水入侵案例,并与SEAWAT模型模拟结果进行了对比分析。结果表明VFT3D 模型模拟水头与SEAWAT模型模拟结果相差不大,但SEAWAT模型无法模拟海水入侵中复杂的化学反应过程。VFT3D 模型模拟发现,水文地球化学过程（阳离子吸附交换作用）对阳离子（Na+、K+、Mg2+和Ca2+）运移产生明显影响,同时引起过渡带中离子组分浓度发生变化,对海水入侵过程产生较大影响。因此,考虑变密度和复杂反应过程,才能更加准确地描述海水入侵,从而有利于地下咸水治理工程的科学实施。     

地表地下耦合的水量及溶质运移模拟研究进展

地表水与地下水之间存在强烈的相互作用,构建地表水和地下水耦合的水量和溶质运移模型可以揭示地表水和地下水之间的相互作用机制,并提高地表地下水量水质预测的精度。介绍了现有的地表地下耦合的水量及溶质运移模型,对比了各模型的求解方法和适用领域,总结了这些模型的应用现状。其中水量模型中全耦合模型精度较高,是未来模型发展的主流方向,溶质运移模型中溶质反应过程模拟较为欠缺。未来应在优化求解算法、提高溶质反应模拟和加强裂隙介质模拟等方面深入开展相关研究。     

海水入侵和地下水水溶质运移规律的定性研究

本文通过对沿海地区海岸带淡，盐水按触带，海水入侵范围和地下水含水层中溶质运移之间的内在联系，以及溶质运移的运动规律和途径的定性分析，从理论上为沿海地区予测海水入侵范围及淡水咸化提供根据，并通过一维地下水流的微分方程的研究。为进一步推导不同边界条件下的海水入侵范围提供研究方向。     

环渤海典型地段海(咸)水入侵研究现状及方法探讨

通过对大连大魏家、秦皇岛枣园和莱州湾南岸海水入侵的调查,结合已有研究成果和方法,笔者总结和梳理了环渤海地区海水入侵研究现状及存在的问题,并探讨了海水入侵调查研究技术方法。多年来对环渤海地区海水入侵的调查研究工作,基本查清了不同地段、不同类型海水入侵的机理和动态变化趋势,并为海水入侵有效防治提供了科学依据。随着海水入侵问题研究的深入,发现在水文地质条件、地下水动态监测及海水入侵对生态环境影响等方面仍存在问题,应持续加强海水入侵监测与研究。海水入侵调查研究是一项涉及多学科的综合性技术,应从基础调查,综合分析、动态监测和数值模拟等多方面开展研究。综合运用水化学分析、同位素示踪、室内模拟试验等技术方法,在充分揭示海水入侵机理和过渡带溶质运移规律的基础上,实现对海水入侵变化趋势的预测预报,提高对海水入侵的防范意识。     

PHREEQC在地下水溶质反应-运移模拟中的应用

由于地下水污染的加剧,对地下水中污染物运移规律的研究日益受到重视。地下水中的溶质在运移过程中伴随着溶质组分间的化学反应,因此需要建立地下水溶质运移与化学反应的耦合模型。PHREEQC是近年来发展起来的描述局部平衡反应、动态生物化学反应的水文地球化学模拟软件。本文利用该模拟软件对一维地下水流动过程中溶质离子交换反应和动态氧化还原反应进行了模拟。结果表明,PHREEQC能够成功地进行溶质运移情况下复杂水化学反应模拟,但对于复杂地下水流和溶质运动的情况,有必要耦合其它的地下水流动和溶质运移软件来共同完成。     

基于FEFLOW在地下水数值模拟中的应用综述

数值模拟法是地下水水量和水质评价的主要技术方法,通过简述地下水数值模拟的发展历程、FEFLOW软件的输入特点和功能,并结合FEFLOW在地下水模拟方面的应用现状,论述了对河流和断层处理的方法,最后提出了FEFLOW软件存在的问题及应用前景。研究结果可知:(1) FEFLOW是迄今为止功能最为齐全的地下水数值模拟软件,适用于各种尺度的地下水、多孔介质和热能传输项目,但这些领域基本都是水流和溶质运移耦合、水流和热量运移耦合等两场进行耦合,少见三场耦合研究实例;(2)存在无法实现源汇项单独处理等缺陷,仅能实现in/outflow on top/bottom菜单功能,降雨入渗和蒸发同时作用必须用净补给量来表达,增加了前处理的困难,在应用模型模拟时,由于FEFLOW网格划分时的数量受到限制,超大区域建模也容易出现不精确问题;(3)在对地下水污染物运移模型模拟时,通常考虑的是对流、弥散、吸附作用,而未有一阶化学非平衡反应,随着人类对地下水环境和质量的高度重视,对于两相有机和无机污染物迁移耦合研究将会是未来的研究重点。     

昆明市地热田越流含水系统中地下热水的数值模拟

深层基岩地下（热）水水化学污染问题日趋严重,急需定量而仿真地模拟和预报天然状态和各种人为工程经济活动下地下（热）水流动及溶质（或污染物）的运移。在充分认识地质、水文地质条件的基础上,建立了考虑温压变化和越流条件的昆明市地热田深层基岩地下热水系统中水流和溶质运移的准三维非稳定流数学模型。模型用于开采条件下地热田地下热水水位及 F^－、Cl^－浓度的模拟,模拟结果具有较高的仿真性,拟合误差一般小于 2％～5％,表明模型合理、可靠。应用所建模型预测了开采条件下昆明市地热田II块段地下热水流场和溶质浓度动态的变化趋势,并提出了控制地下热水环境进一步恶化的措施。     

Sensitivity Analysis of a Combined Groundwater Flow and Solute Transport Model Using Local-Grid Refinement: A Case Study

Combining groundwater flow models with solute transport models represents a common challenge in groundwater resources assessments and contaminant transport modeling. Groundwater flow models are usually constructed at somewhat larger scales (involving a coarser discretization) to include natural boundary conditions. They are commonly calibrated using observed groundwater levels and flows (if available). The groundwater solute transport models may be constructed at a smaller scale with finer discretization than the flow models in order to accurately delineate the solute source and the modeled target, to capture any heterogeneity that may affect contaminant migration, and to minimize numerical dispersion while still maintaining a reasonable computing time. The solution that is explored here is based on defining a finer grid subdomain within a larger coarser domain. The local-grid refinement (LGR) implemented in the Modular 3D finite-difference ground-water flow model (MODFLOW) code has such a provision to simulate groundwater flow in two nested grids: a higher-resolution sub-grid within a coarse grid. Under the premise that the interface between both models was well defined, a comprehensive sensitivity and uncertainty analysis was performed whereby the effect of a parameter perturbation in a coarser-grid model on transport predictions using a higher-resolution grid was quantified. This approach was tested for a groundwater flow and solute transport analysis in support of a safety evaluation of the future Belgian near-surface radioactive waste disposal facility. Our reference coarse-grid groundwater flow model was coupled with a smaller fine sub-grid model in two different ways. While the reference flow model was calibrated using observed groundwater levels at a scale commensurate with that of the coarse-grid model, the fine sub-grid model was used to run a solute transport simulation quantifying concentrations in a hypothetical well nearby the disposal facility. When LGR coupling was compared to a one-way coupling, LGR was found to provide a smoother flow solution resulting in a more CPU-efficient transport solution. Parameter sensitivities performed with the groundwater flow model resulted in sensitivities at the head observation locations. These sensitivities identified the recharge as the most sensitive parameter, with the hydraulic conductivity of the upper aquifer as the second most sensitive parameter in regard to calculated groundwater heads. Based on one-percent sensitivity maps, the spatial distribution of the observations with the highest sensitivities is slightly different for the upper aquifer hydraulic conductivity than for recharge. Sensitivity analyses were further performed to assess the prediction scaled sensitivities for hypothetical contaminant concentrations using the combined groundwater flow and solute transport models. Including all pertinent parameters into the sensitivity analysis identified the hydraulic conductivity of the upper aquifer as the most sensitive parameter with regard to the prediction of contaminant concentrations.     

昆明地热田岩溶地下热水系统中溶质运移的模拟

通过对昆明地热田深层基岩地下热水系统的地质、水文地质条件和开采现状的分析,建立了考虑温压变化和越流条件的岩溶热储层中地下热水的水流和溶质(污染物)运移的准三维非稳定流数学模型。对开采条件下地热田Ⅱ 块段地下热水系统中水位及F- 、Cl- 、NH+4 、SO2-4 浓度的模拟结果表明,所建立的模型合理、可靠,具有较高的仿真性。模型可预测不同条件下地热田地下热水的流场和溶质浓度的动态变化趋势,为防治地下热水环境的进一步恶化提供参考。      

裂隙岩体中非饱和渗流与运移的概念模型及数值模拟

探讨了裂隙岩体中非饱和地下水渗流与溶质运移的几种概念模型的构造及数值模拟问题 ,如裂隙网络模型、连续体模型、等效连续体模型、双孔隙度 (单渗透率 )模型、双渗透率模型、多组份连续体模型等。在裂隙岩体中 ,非饱和地下水的渗流可能只局限于岩体中的岩石组份、或裂隙网络 ,也可能在裂隙和岩石中同时发生 ;对前一种情形只需考虑单一连续体中的流动 ,而后一种情况则需要包括地下水在岩石和裂隙之间的交换。岩体中的裂隙网络往往是溶质运移的主要通道 ;但当溶质在裂隙与岩石之间的渗透和扩散是重要的运移机制时 ,就需要考虑岩石与裂隙界面处的溶质交换。为了模拟岩石与裂隙之间地下水和溶质的交换 ,就需要了解岩石与裂隙之间相互作用的模式和范围 ,使得这类问题的概念模型较单一连续体模型多了一层不确定性、其数值模拟也变得更为困难。因为在实际问题中不易、甚至根本不能判别非饱和渗流的实际形态 ,具体采用哪种模型主要取决于分析的目的和对现场数据的掌握程度。不论哪种模型都会受到模型及参数不确定性的影响 ,因此必须考虑与其他辅助模型的比较.     

非均质介质中地下水流动与溶质运移模拟——问题与挑战

对大空间尺度和长时间跨度的地下水流动及污染物质运移进行预测的需求, 使水文地质研究面临异乎寻常的挑战.这些需求来自于对核废料地质储放方法的安全性评价、地下水污染状况评价及其治理方案的选择.流动系统的非均质性是地下水流动及物质运移模拟中最主要的困难之一, 这种困难来自对非均质系统进行特征描述(通过原位观测实现)、概念化及模拟.评述了非均质介质中流动运移模拟的一些重要问题与挑战, 讨论了解决的途径.讨论的主题包括: 动力流动的沟道化, 示踪剂穿透曲线, 裂隙岩石中流体流动的多尺度, 观测的不同尺度, 模拟、预测与非均质性以及系统特征描述和预测性模拟的分析.      

Solute transfer during consolidation based on a solid‐fluid‐solute coupling model

The migration of contaminant through soil is usually modeled using the advection‐dispersion equation and assumes that the porous media is stationary without introducing a constitutive equation to represent soil structure. Consequently, time‐dependent deformation induced by soil consolidation or physical remediation is not considered, despite the need to consider these variables during planning for the remediation of contaminated ground, the prediction of contaminated groundwater movement, and the design of engineered landfills. This study focuses on the numerical modeling of solute transfer during consolidation as a first step to resolve some of these issues. We combine a coupling theory‐based mass conservation law for soil‐fluid‐solute phases with finite element modeling to simulate solute transfer during deformation and groundwater convection. We also assessed the sensitivity of solute transfer to the initial boundary conditions. The modeling shows the migration of solute toward the ground surface as a result of ground settlement and the dissipation of excess pore water pressure. The form of solute transport is dependent on the ground conditions, including factors such as the loading schedule, contamination depth, and water content. The results indicate that an understanding of the interaction between coupling phases is essential in predicting solute transfer in ground deformation and could provide an appropriate approach to ground management for soil remediation.     

基于FEFLOW的三维土壤-地下水耦合铬污染数值模拟研究

`土壤-地下水耦合数值模拟是定量刻画水流和溶质运移的主要手段。现有大范围场地尺度的研究受到数据采集难度及模拟计算量的限制,多是将土壤和地下水分成两个系统,这种方式不利于模型之间的计算反馈,易出现计算误差,因此将土壤和地下水作为整体系统研究具有重要意义。为精确刻画实际场地土壤-地下水系统中污染物迁移规律,揭示变饱和反应溶质迁移模型的参数敏感性,以某铬污染场地为研究对象,基于现场试验及前人研究所获数据,采用Galerkin有限元法建立三维土壤-地下水模型,定量描述六价铬在土壤-地下水中的迁移规律。在此基础上,通过改变补给条件,研究潜水面在土壤-地下水系统中的波动。并讨论阻滞系数和反应常数对溶质运移的影响。结果表明:在土壤中,污染物最大水平迁移距离为场地东南侧300 m;地下水中污染晕最大分布面积约为1.632 km2;垂向上土壤中的六价铬仅需15.6 h即可下渗至潜水面,第6天贯穿含水层。当潜水面随着补给量变化而波动时,地下水中六价铬会随水流进入土壤,影响土壤中污染分布。对溶质运移参数的讨论显示,当反应常数由0增大至10?6 s-1时,迁移出场区边界时地下水中污染物浓度约减少2000 mg/L,较难迁移至涟水河。基于FEFLOW的数值模型,能够解决各系统之间交互性差的问题,提供较为精确的模拟结果。     

基于溶质运移模拟的某化工场地污染物对拟建水库污染风险预测

溶质运移模拟是污染风险预测的一种有效手段。本研究为查明研究区内某有机污染场地作为污染源对拟建水库的影响,基于对区内流场的精确测量,建立了准确的地下水流模型和化工厂泄露有机污染物的溶质运移模型,预测分析了研究区拟建水库修建前、后地下水流场及污染物迁移情形的变化。模拟结果表明：水库和周边两种设计水头的截渗沟建成后,改变了自然条件下的流场,形成水库向截渗沟排泄、截渗沟向周边排泄以及水库和周边区域均向截渗沟排泄两种地下水流场。某些污染羽扩散范围虽比自然条件下有所增大,但向水库方向的扩散均未超出300 m,不会对水库水质构成污染风险。