基于GMS的地下水流数值模拟及参数敏感性分析

为提高地下水流数值模拟的精度,减小因水文地质参数不确定性而产生的误差,需要对数值模拟模型的水文地质参数进行灵敏度分析.在对老莱河流域某灌区地下水流数值模型识别和验证的基础上,采用因子变换法对渗透系数、给水度、大气降水入渗补给系数值进行敏感性分析.结果表明,地下水位对含水层的渗透系数最敏感,其次是大气降水入渗补给系数,河谷地区因含水层岩性变异度较大导致地下水位对该区参数变化较敏感.通过参数敏感度分析能够筛选出数值模型中的不确定性因素,从而避免模型调参的盲目性,提高区域地下水资源评价的可靠性.     

非稳定边界条件下地下水流场数值模拟

地下水流数值模拟的目标是复制和再现实际地下水流状态。非稳定边界是指,模拟流场和外部环境通过它进行的物质、能量和信息交换具有重要影响且该交换规律难以准确刻画的边界。对于潜水含水层平面二维非稳定流,边界的非稳定性集中体现在水力坡度和含水层厚度上,可以借助迭代法实现模拟,应用该方法成败的关键在于相邻二时段边界渗流量的差值是否满足精度要求。给出非稳定边界条件下地下水流场数值模拟实例,并综合采用水位拟合、水量均衡和流场分析等方法对模拟结果进行识别和验证。     

数值模拟在沈阳市地下水源热泵研究中的应用

以沈阳城区为例,通过对研究区水文地质条件概化,建立符合沈阳城区地下水源热泵采能区的水热耦合数学模型。探讨符合研究区水文地质状况的水流参数与热物理参数,确定符合沈阳市区水源热泵系统运行的边界条件,基于限差分法求解地下水流模型。介绍Visual MODFLOW软件在水源热泵系统研究中的应用,提出利用相应软件包求解数学模型的方法,为地下水源热泵系统的合理布局提供有效的数值理论求解方法。     

参数不确定性对地下水数值模拟结果可靠性的影响

以标准矩形为研究区,按介质渗透系数差异将研究区划分为4个单元,应用HydroGeoSphere模拟系统建立数值模型,以含水层渗透系数为目标参数,分析不同参数分区的灵敏度系数;选择高灵敏度的分区建立渗透系数随机场,进行参数不确定随机模拟,分析模拟结果相对确定性模型的可靠度.结果表明:位于模型最顶层的单元1内渗透系数灵敏度最大,这与该单元的分布位置直接相关;随机模拟得到的压力水头按一定频率分布,确定性模型所得到的压力水头变化值290.52 cm出现的频率仅为7%;当认为确定性模型结果的可靠度为100%时,随机模拟结果相对于确定性模型结果的可靠性明显降低,这表明考虑到参数的不确定性时,模拟结果与确定性模型结果存在显著差异.随机模拟结果的概率性分布特征可以更加真实地表达实际情况,有利于水资源决策性管理的风险规避.     

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。     

基于数值模拟的天津市地下水资源均衡分析及压采方案制定

【目的】在深层地下水超采严重地区,分层组进行深层地下水资源均衡分析,合理开发利用地下水资源。【方法】以天津市平原区为研究区,将含水层结构概化成Ⅰ～Ⅴ共5个含水层组,分层组概化边界条件、进行水文地质参数分区,整理源汇项、蒸发量、各含水层组分乡镇开采量和观测孔水位数据,在Visual Modflow平台建立了地下水流数值模型。通过对开采量进行调参、反演,完成模型识别与验证。据此进行深层各层组地下水均衡分析,计算地下水蓄变量,制定了分层组压采方案。【结果】末刻第Ⅱ～Ⅴ含水层组的模拟流场和观测流场分布一致,观测孔模拟水头和实测水头相关系数分别为0.961、0.968、0.951、0.960,典型观测孔动态水位变化过程拟合较好。2013—2015年,深层各层组地下水蓄变量分别为-12 499.3×10~4、-12 055.7×10~4、-9 257.81×10~4m~3,处于超采状态。压采方案下,各含水层组压采量分别为15 862.98×10~4、4 961.24×10~4、1 414.97×10~4、2 469.38×10~4m~3,2020年、2030年深层地下水的蓄变量分别为1.09×108m~3和1.05×108m~3。【结论】模拟结果与天津市深层地下水实际情况相符。     

基于GMS的北京市房山平原区地下水数值模拟研究

根据北京市房山平原区的水文地质条件,将研究区水文地质概念模型概化为三维非均质、各向同性、非稳定地下水流系统,并应用GMS软件对研究区地下水系统进行了识别和验证。采用情景分析方法,在模拟8种不同情景方案下规划年地下水的变化情况,给出适宜研究区地下水可持续发展的最佳方案。在情景5方案,即在中度节水、种植结构保持现状和强化减少地下水的情形下,研究区2020和2030年的地下水位处于最佳状态,相比于基准年,地下水位分别回升了3.55m和5.85m,研究区处于正均衡状态,降落漏斗消失。     

大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制研究

针对大型喷雾机喷杆钟摆式主被动悬架系统存在的参数不确定性和随机干扰导致控制精度低、稳定性差的问题，对基于模型补偿的自适应鲁棒控制算法进行研究。建立了钟摆式主被动悬架的非线性动力学模型和调节机构几何方程，基于模型设计了自适应鲁棒控制器，综合悬架系统和电液位置伺服系统模型中存在的参数不确定性，同时兼顾系统未补偿的摩擦力和外部扰动等不确定非线性因素，通过理论分析和试验证明，在同时存在模型参数不确定和不确定非线性的情况下，设计的控制器可以保证系统输出跟踪控制的暂态性能和稳态精度。以单出杆液压作动器驱动的28m大型喷杆主被动悬架为例，借助建立的大型喷杆悬架半实物仿真平台进行了控制算法的试验验证，并使用Stewart六自由度运动平台模拟底盘的运动干扰，与反馈线性化控制器、鲁棒反馈控制器、PID控制器进行了试验对比，结果表明，设计的基于模型补偿的自适应鲁棒控制器最大跟踪误差0.148°，而反馈线性化控制器最大跟踪误差0.201°，鲁棒反馈控制器最大跟踪误差0.51°，PID控制器最大跟踪误差0.48°。设计的控制器在同时存在参数不确定性和扰动的情况下，使用较小的反馈增益能够保证渐进跟踪性能和稳态跟踪精度。     

基于Visual Modflow的山区某再生铜地下水污染模拟

对陕西省洛南县香沟某再生铜矿地下水污染进行数值模拟,为再生铜矿选址、地下水污染的预防提供科学的指导依据。根据野外抽水试验以及钻孔数据,建立山区水文地质概化模型,对模型进行识别与验证。使用MODFLOW模块及MT3D模块对该地区进行地下水流场和溶质运移数值模拟。模拟情景采取示踪剂30 d短时注入模式进行预测。污染物超标晕在30 d时最大,Pb类污染物的污染超标范围在切断污染源后会减小,浓度会随着时间推移逐渐减小直至未检出,Cu类污染物切断污染源后,检出范围污染晕会随着时间先增大,再到未检出。污染晕沿着沟道水流方向呈狭长羽状分布;污染浓度距点污染源距离越大,浓度越小。该研究可为区域地下水资源评价提供依据。     

判定地下水水动力弥散系数的综合分析法

地下水水动力弥散系数是进行地下水污染评价及污染物运移模拟、预测过程中的一项关键参数,不同的试验类型及求解方法对应的求参结果往往会有较大差异。在结合试验区含水层条件下,提出了持续注入法与瞬时投源法两种试验思路,考虑到含水层渗透系数、给水度等参数的获取相对容易且可靠,因此,在利用上述参数建立试验区水流模型的基础上对两种不同试验类型进行溶质运移模拟,最后结合解析法与数值法两种方法互验后综合确定试验区弥散系数。其中,在使用解析法对瞬时投源试验参数计算中提出全程最优曲线拟合法,从试验整体数据出发,在误差平方和最小原则下进行参数优化。结果表明,在数值模拟所需的基础参数准确的前提下,数值法能较准确、直观的体现计算值与实测值浓度变化情况,进而通过调整参数得到准确结果。不同水力特征下的试验类型所反映的参数结果更加客观真实。此类基于不同试验类型与求参方法相结合的综合分析思路为今后不同地质条件下弥散系数的确定起到了较好的指导意义。     

数值法与解析法在地下水环境影响评价中的应用研究

【目的】探究数值法与解析法在进行地下水环境影响评价时的差异,以及在进行地下水环境评价时,选择更为合适的计算方法。【方法】以四川省宜宾市某氯化法钛白粉项目为例,利用瞬时点源一维对流扩散模型、瞬时点源二维扩散模型和GMS数值模型研究非正常工况下苯储罐泄漏时污染物对地下水的影响,预测了污染物在潜水含水层中的中心运移距离、最大浓度和污染范围,并对3种方法的计算结果进行比较分析。【结果】一维对流模型只考虑地下水流向方向上的运移情况,计算结果最大,方法简单方便,参数要求较少,但精度较低,无法预测污染面积;二维扩散模型考虑了平面上的污染物分布情况,可以预测污染物范围及浓度变化,但预测运移距离较大,与实际的边界条件矛盾;GMS数值模型是三维模拟,计算精度高,更符合实际情况,但建模过程复杂,水文地质条件限制较多,所需水文地质参数较多,耗时较长。【结论】综上考虑,水文地质条件简单、地下水环境评价等级不高的工程项目使用解析法预测较为方便;在水文地质资料充足、评价等级高的区域使用数值法预测精度更高。     

沉降中心减采对北京平原地下水利用的影响分析

【目的】研究沉降中心减采对北京平原地下水利用的影响。【方法】采用非稳定流地下水模型和情景分析的方法,通过设计4个情景(现状保持(情景BAU)、沉降中心完全停采(情景PR100)、沉降中心减采50%(情景PR50)及沉降中心不同地区减采不同比例(情景PR520))模拟了地下水减采的影响。【结果】预测期内平均来说,情景BAU消耗1.16亿m3/a的含水层储存量,而情景PR100、PR50和PR520的储存量恢复分别为3.52亿、1.18亿和2.83亿m3/a。设计满足控沉目标的情景R:八仙庄、天竺和王四营用于工业和生活的地下水分别减采0.51亿、0.12亿和1.76亿m3,总开采量19.28亿m3,R是满足地面沉降控制要求条件下北京平原应采取的开采情景。【结论】沉降中心减采能有效恢复北京平原地下水水位和含水层储存量,是解决北京市地下水严重超采及其带来的地面沉降等生态环境问题最直接有效的方法,但要合理确定减采的比例,保证社会经济和地下水的协调发展。     

基于蚁群算法的含水层参数识别方法

含水层参数的确定,是进行地下水资源科学管理的基础和关键。针对传统一些求参方法的缺点,提出了基于蚁群算法的含水层参数识别方法,并给出了实施该方法的具体步骤。以无界承压含水层井流模型为例,讨论了蚁群算法在含水层参数反演中的应用。实例分析结果表明,蚁群算法在确定含水层参数的优化问题中不仅可行,而且具有求解精度高和鲁棒性强等特点,显示了蚁群算法在水科学优化问题中的应用前景。     

基于均匀设计法的地下水流数值模拟参数全局灵敏度分析

地下水数值模拟在与地下水相关的多个领域得到广泛应用,参数灵敏度分析能有效提高模拟结果的精度。最初的局部灵敏度分析方法只考虑了单个参数的影响, 忽略了参数的共同作用;后期发展起来的全局灵敏度分析方法虽综合考虑了参数的共同作用,但在多参数、多水平条件下,抽样次数过多,对于数值模型来说可操作性差。本文将均匀设计法引入到黑龙江省林甸县地下水流数值模型的参数灵敏度分析中,选取模型中的7个参数进行研究,每个参数选取16个水平值,仅以16次抽样即达到了参数灵敏度分析的目的。     

Assessment of groundwater storage depletion by overexploitation using simple indicators in an irrigated closed aquifer basin in Iran

In arid and semi-arid regions irrigation is usually needed to provide enough water for crop growth in cultivated areas. As surface waters are scarce, especially in summertime when the water is needed, groundwater is heavily used to supply the water demand. Overexploitation of the aquifer in dry years causes depletion of the groundwater storage and systematical lowering of the piezometric levels. This is a particular problem in aquifers developed in closed basins where lateral inflow is nearly absent and replenishment is constrained by rainfall recharge. In this paper, simple indicators derived from meteorological data, abstraction rates and piezometric time series are compared with the groundwater storage depletion as obtained from a calibrated groundwater flow model. Application of the method to the overexploited Shahrekord basin in Iran shows that for the simulated period 1989-2003 an accumulative index of the difference of aquifer recharge, as calculated by a soil moisture balance method, and groundwater abstraction has a correlation coefficient of nearly one with model calculated storage. Indicators based on the filling index derived from piezometric time series or on the ratio of aquifer discharge to recharge have slightly lower correlations. The accumulated index indicator can be used to follow aquifer storage in the future without the need to run the full groundwater flow model. This simple approximation is restricted to aquifer systems with a limited lateral inflow and outflow.     

基于人工神经网络的地下水流数学模型参数识别

基于人工神经网络技术 ,建立了地下水二维非稳定流数学模型的参数识别模型 ,用地下水长观孔水位降深资料识别模型参数。通过实例计算分析 ,结果表明此法适用于处理复杂条件下模型参数识别问题 ,且结果稳定可靠。     

多尺度有限元法在地下水拟三维数

建立基于多尺度有限单元法的拟三维数学模型，模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。根据多孔介质中区域饱和－非 饱和水分运动的特征，将三维流动转化为拟三维流动模型。对参数水平方向渐变的非均质多孔介质中的三维地下水流用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算，结果表明在模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法比传统有限单元法有效，既节省计算量又有较高的精度。