三维数值模拟技术(Visualmodflow)在基坑降水中的应用

基坑降水设计常采用大井法计算基坑涌水量,但是当研究区水文地质条件复杂,含水层非均值性,防渗围堰的存在且渗透系数的不确定性时,利用"大井"解析法求解涌水量时,概化的条件较多,往往降低计算结果的可信度;而数值法不受其限制。因此本文采用了数值模拟软件Visual Modflow对基坑涌水量进行了模拟。在正确分析水文地质条件的基础上,建立合适的水文地质概念模型并确定数学模型,通过非稳定流计算求取基坑涌水量,并对防渗墙的防渗效果进行三种方案模拟计算,结合工程降水实际,推求防渗墙的渗透系数。     

滇西某铅锌矿床矿坑涌水量预测与分析

滇西某铅锌矿是近年来新发现的隐伏大型矿床,矿区水文地质条件复杂,涌水量预测的准确与否将直接影响矿山的安全生产.本文在对矿区水文地质条件系统分析的基础上,建立了矿区水文地质概念模型,通过矿区边界条件概化和水文地质参数确定,采用数值法模拟预测了矿坑的涌水量.同时,为保证模拟结果的可靠性,采用“大井”法进行了矿坑涌水量计算,...     

基于GMS软件的柳条沟水源地地下水数值模拟

在水文地质条件分析的基础上,概化含水层水力特征、垂向、侧向边界后,依据水文地质概念模型建立了地下水数学模型,比照采用地下水均衡分析法计算结果,地下水数值模拟结果可靠。说明含水层结构、水文地质参数的确定、边界条件的概化等处理较为合理,所建立的模型可以用来评价该区地下水资源量。     

基于有限元强度折减法的边坡动力稳定性可靠性分析

传统有限元强度折减法在边坡稳定性数值分析中取得了一定的成功,但由于未考虑岩土体材料参数的变异性等不确定性因素,尚不能直接应用于边坡稳定性特别是动力稳定性可靠性分析问题。为此提出了基于有限元强度折减法的地震边坡动力稳定性可靠性分析方法。将有限元极限分析法、动力分析法和可靠性分析法三者耦合,分析求解边坡在地震作用下的动力稳定性可靠性问题,并将这一过程在数值计算程序中得以实现。在计算分析过程中,克服了原方法需不断人工试算才能得到边坡安全系数而无法量化处理问题,并对边坡动力失效准则进行了适用于程序化的改进,使其计算过程完全实现自主运行。结合典型算例分析结果表明,该方法显著的特点是能较全面地反映岩土体的动力特性和边坡岩土体材料强度参数的变异性及相关性,所得结果相对更加合理且更符合工程实际。该方法既是对有限元强度折减法的应用范围的有益推广,也为边坡动力稳定性可靠性问题研究提供了一条新的有效途径。     

傍河水源地地下水水流数值模拟的不确定性

按客观随机性与主观不确定性,对傍河水源地地下水水流数值模拟中的不确定性影响因素进行了详细分析,在此基础上,提出了处理地下水系统中随机不确定性的方法改进一次二阶矩法,并将其应用于傍河水源地地下水可开采量的可靠性分析中.评价结果得出:考虑参数的随机不确定性因素后,水源地以4.7×104 m3/d进行开采时发生地下水超采的风险率为19.31%.     

DREAM算法分析地下水数值模拟不确定性的影响因素

地下水数值模拟常受到模型不确定性、观测资料不确定性等多种不确定性因素的影响,对这些影响因素进行定量分析十分必要。将差分进化自适应梅特罗波利斯(Differential Evolution Adaptive Metropolis,DREAM)算法与MODFLOW模型结合应用于地下水数值模拟不确定性的定量分析。以模型结构概化、水位观测资料误差这两种重要不确定性来源为例,通过一个理想地下水流模型,系统分析两者对模型参数及模型输出结果不确定性的影响。研究结果表明:模型结构概化及水位观测资料误差共同引起了地下水数值模拟的不确定性,但模型结构概化起到了主控作用。模型结构概化合理时,模型参数及模型输出结果的不确定性较小,并随观测资料误差不确定性的增大而增大;模型结构概化不合理时,模型参数及模型输出结果主要受控于模型结构概化带来的影响,且不确定性显著增大;观测资料误差相同情况下,模型结构概化越接近于真实的水文地质条件,模型参数及模型输出结果的不确定性越小。     

基于数值模拟的浅层地下水资源论证

运用数值模拟软件对户县涝渭水源地潜水含水层进行分段模拟开采,并结合分段比选法在设计要求下对布井方案进行分段比选,确定整个水源地的最优布井方案。通过对水源地整体模拟开采,计算得出潜水含水层可开采量为76 800 m3/d,且最大降深未超过7 m,水源地地下水资源取得了较好的论证。通过实际应用看出:数值模拟方法在计算地下水可开采量方面具有易于计算、精度较高的特点,可提高小区域浅层地下水资源论证的质量。     

GMS软件在立岗水源地地下水资源评价中的应用研究

地下水数值模拟GMS软件在地下水资源评价中得到广泛应用。本文以银川立岗水源地地下水资源评价为例,在分析研究区水文地质条件的基础上,利用GMS地下水模拟软件,确定研究区模型概化条件,建立地下水数值模型,计算研究区现状开采条件下和规划开采条件下的补给量与排泄量,并预测分析在规划开采条件下开采20年的水文变化。通过摸拟验证发现:在现状开采条件下,开采目的层得到的补给量是39.42万m~3/a,排泄量是41.25万m~3/a,呈微弱的负均衡;设计开采条件下,补给量是1 100.05万m~3/a,排泄量为1 132.69万m~3/a,并动用少量的储存量,按照开采方案以3万m~3/d作为立岗水源地允许开采量可满足开采要求。     

邯邢水文地质南单元岩溶地下水系统数值预报

在概化出邯邢水文地质南单元岩溶地下水系统概念模型的基础上,建立了该系统地下水流数值模拟模型,通过模拟分析,给出了该系统在未来不同开采条件下的地下水位动态变化特征,论述了在该系统内增加邯峰电厂一期工程水源地10. 8×104m3 /d的开采量保证程度及其增加二期工程水源地10. 8×104m3 /d的开采量的可行性。      

基于高斯过程回归的地下水模型结构不确定性分析与控制

目前针对模型结构不确定性的研究方法主要为贝叶斯模型平均方法,而该方法受到模型权重计算困难等影响,应用受限。基于数据驱动的模型结构误差统计学习方法最近得到关注。研究采用高斯过程回归方法对地下水模型结构误差进行统计模拟,并将DREAMzs算法与高斯过程回归相结合,对地下水模型和统计模型的参数同时进行识别。基于此方法,分别以理想岩溶裂隙海水入侵过程和溶质运移柱体实验为例,进行地下水数值模拟及预测结果的不确定性分析。相对于不考虑模型结构误差条件的不确定性分析,结果表明,考虑结构误差之后,能够明显减少参数识别过程中的参数补偿影响,且能显著提高模型的预测性能。因此,基于高斯过程回归的模型结构不确定性分析可以一定程度控制地下水数值模拟的不确定性,提高模型预测可靠性。     

台兰河地下水库辐射井抽水过程的非稳定渗流场的有限元分析

针对台兰河地下水库大口径辐射井抽水效果的数值模拟问题,在分析了大口径辐射井渗流行为基础上,提出了应用辐射井子结构法和子结构开关器等辐射井精细模拟技术,并联用改进的截止负压法、迭代增量法和求解大型稀疏矩阵的预处理共轭梯度算法进行有辐射井影响的地下水非稳定渗流场的有限元分析。应用自主研发的三维可视化渗流有限元计算软件GWSS对台兰河地下水库辐射井抽水试验过程中的非稳定渗流场进行了数值模拟研究。研究结果表明：所有观测井计算水位的平均绝对误差为0.22 m,单井水位的平均误差最大值为 0.40 m,最小值为0.02 m,各观测井地下水位的模拟值与实测值的变化趋势吻合较好。经验证算法的合理性和程序的可靠性较好。提出的辐射井子结构法可以精细模拟辐射井的渗流行为和局部精细渗流场,可用于分析辐射井抽水过程中的地下水非稳定渗流变化及取水效率评价。     

0-1整数规划在水源地开采井最优布局中的应用研究

新建水源地如何最优布井,对水源地开采运行具有重大影响。本文介绍了0-1整数规划及其求解方法,并结合一个实际问题进行说明。作者应用0-1整数规划方法建立了北京密怀顺平原区拟建水源地最优布井的地下水管理模型,采用响应矩阵法将地下水模拟模型和管理模型相耦合,运用分支-定界法求出最优井位,并将优化井位与原拟定井位的计算结果进行了对比。结果表明,0-1整数规划能很好地解决最优布井问题,对水源地规划、基坑降水、地下水人工回灌等方面都具有一定的指导意义。     

基于TOUGH2数值模拟软件的延津地区热储采灌研究

本文采用TOUGH2数值模拟软件,根据研究区对井在预设情景下运转30年的模拟结果,对河南省延津县下新近系热储层压力场、温度场进行模拟,在模型验证的基础上,对不同回灌率及不同采灌井间距工况进行模拟研究,结果显示:回灌井的回灌过程会使地下水水温降低,回灌时间越长水温降低幅度越大,影响范围也越大,根据模拟抽水井和回灌井不同间距条件下(55 m、150 m、250 m、300 m)温度场变化情况,建议区域下新近系地层地热回灌项目抽水井和回灌井间距应大于等于250m,以保证抽水井出水温度;而不同回灌率工况下分析化学场和压力场的模拟数据可以看出,回灌率越大,地热水水质、压力影响越大,基本呈线性关系。为区域地热资源回灌-开采提供示范和指导。     

自流井有限差分模拟的校正模型

自流井是井孔-含水层系统的一种典型水文地质现象, 但在地下水资源评价和管理模型中研究较少.目前地下水数值模拟对自流井的3种处理方法均不合理, 也缺乏验证.常规地下水流有限差分法既不能准确地求出抽水井的井中水位, 也不能准确地求出自流井的流量, 必须进行校正.考虑自流井周围的径向流, 通过与井点附近地下水流的解析解相结合, 提出了矩形网格有限差分模拟的自流井校正模型, 其中考虑了自流井周围含水层存贮量的释放.算例表明, 即使用千米级大尺度网格, 本校正模型也能够获得相当精确的自流井流量, 绝大多数情况下相对误差小于5%.      

天然冷源对地下水源热泵的影响规律

东北某些地区长期存在着一定规模的地下冻土,在地下水源热泵的运行中可视为天然冷源。天然冷源对地下水源热泵的利用产生一定的影响。为了提高地下水源热泵运行效率,运用室内外实验和数值模拟方法探寻冷源对地下水源热泵影响规律。对加格达奇地区的冷源场地进行了室内热物性试验和现场岩土热响应试验。研究表明：该地区砂、砾的热物性参数（比热容、导热系数）随深度增加呈现离散现象,砂岩、花岗岩热物性参数变化不大;岩土体导热系数花岗岩最大,砾、砂最小,砂岩居中;比热容受深度影响波动较大,特别是不同深度的砾、砂层比热容差别较大。依据该场地的地质条件,构建数值模型,开展模拟研究,对多井抽灌系统下热突破现象以及影响范围进行模拟分析,模拟结果显示冷源对该场地地下水源热泵的影响范围在150 m以内,而且在小于75 m的范围内对地下水源热泵的影响最为显著,为未来该地区地下水源热泵的设计、选址提供理论基础和参考依据。     

玛纳斯河流域地下水水位变化及水量平衡研究

天山北坡玛纳斯河流域地下水长期大规模开采引发了一系列生态环境问题,地下水均衡状态和地下水流动模式明显发生了改变。为研究节水灌溉条件下的地下水系统流动模式及其对地下水均衡要素的改变规律,以平原绿洲区为研究对象,采用三维地下水数值模拟方法,研究玛纳斯河流域地下水水位动态变化及水量平衡规律。结果表明:研究区地下水水位的抬升和回落受农业灌溉的影响显著,具有一定的周期性,存在着明显的时空差异;地下水均衡处于负均衡状态,补排差为-2.81×108m3。模拟期内观测水头与计算水头两者相关系数各月均在0.81以上,模拟效果较好。     

利用趋势化随机参数场的地下水流数值模拟优化方法

水文地质参数场的刻画是建立地下水流数值模拟模型的关键问题和难点问题。通常来讲,参数场合理性程度越高,模型拟合精度越高。本次研究将随机方法和参数空间分布表达进行结合,提出了趋势化随机参数场的构建方法。以渗透系数为研究对象,首先利用MCMC采样和样本数据特征确定水文地质参数的基本数据结构,进而根据样本空间分布特征对其进行趋势化处理,最终形成趋势化的渗透系数场。通过算例分析,利用趋势化处理后的渗透系数场能够大幅提高模拟精度,相比传统赋均值方法其误差可降至原来的1/3。在北京大兴跌隆起地区进行的实例应用说明,趋势化渗透系数场对提升岩性粒径较大(中砂以上)地区模拟精度效果显著,案例中粗砂区域渗透系数经趋势化处理后平均拟合误差由2.76 m下降至0.64 m;而对岩性以细砂及以下粒径为主的区域模拟精度提升并不明显。总体来说,该方法可为地下水流数值模型的优化提供借鉴,提升模型拟合精度,从而更加合理地刻画地下水流系统。     

青岛李哥庄地下咸水体恢复方案的数值优化

海水入侵导致地下水变咸对青岛李哥庄地区经济发展产生了不利影响,急需开展治理该地区咸水体的工作。根据研究区已有的降雨、蒸发及水文地质等资料,结合现场调查和监测,利用地下水模拟软件Visual-MODFLOW中的SEAWAT模块建立了该地区的数值模型,并利用实测资料识别和验证了该模型参数,表明所建模型能反映李哥庄地区的实际水文地质条件。为了模拟研究区地下咸水体的恢复治理情况,提出了连续抽水、间歇式抽水和抽注水结合三种咸水恢复方案,并利用该模型对三种恢复方案进行了模拟优化。结果表明,抽取地下咸水只是咸水恢复的一个因素,周边淡水的驱替作用则是咸水恢复另一个的因素,抽注水结合恢复方案为三种方案中最优的方案。     

同井回灌循环水方法在中央地温空调中的应用

文章分析了既环保又节能地利用地下水中热(冷)资源的有效途径,提出了同井回灌循环水方法的新思路,使砂土、粉土地层中地下水在中央地温空调中的应用实现突破,并成功地投入使用。同时与异井回灌方法进行了比较,提出了同井回灌法的优越性。     

Three-dimensional finite element modelling for consolidation due to groundwater withdrawal in a desaturating anisotropic aquifer system

A poroelastic numerical model is presented to evaluate three-dimensional consolidation due to groundwater withdrawal from desaturating anisotropic porous media. This numerical model is developed based on the fully coupled governing equations for groundwater flow in deforming variably saturated porous media and the Galerkin finite element method. Two different cases of unsaturated aquifers are simulated for the purpose of comparison: a cross-anisotropic soil aquifer, and a corresponding isotropic soil aquifer composed of a geometrically averaged equivalent material. The numerical simulation results show that the anisotropy has a significant effect on the shapes of three-dimensional hydraulic head distribution and displacement vector fields. Such an effect of anisotropy is caused by the uneven partitioning of the hydraulic pumping stress between the vertical and horizontal directions in both groundwater flow field and solid skeleton deformation field. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.