地下水数值模拟基础知识
《地下水数值模拟》课件
CHAPTER 04
地下水数值模拟的案例分析
案例一：某地区地下水污染模拟
总结词
该案例展示了如何运用地下水数值模拟技术 预测和评估某地区地下水污染情况。
详细描述
该案例首先介绍了该地区的地下水分布和流 向，然后通过建立数值模型，模拟了不同污 染源对地下水的影响，并预测了污染扩散的 范围和程度。最后，根据模拟结果，提出了 相应的污染防治措施。
VS
有限体积法适用于不规则的网格系统 和复杂的边界条件，能够得到相对准 确的结果，计算量适中，适用于较大 的模型规模。
CHAPTER 03
地下水数值模拟的步骤
建立数学模型
01
确定研究区域和边界条件
02
描述地下水流动和物质传输过程
03
建立数学方程，包括连续性方程、动量方程、源汇 项等
模型离散化
1
地下水数值模拟的应用
地下水数值模拟广泛应用于水资源管理、环境保护、地质 灾害防治等领域。
通过模拟地下水动态变化，可以预测未来地下水资源量、 评估地下水污染风险、研究地下水与地质灾害的关系等， 为相关决策提供科学依据。
CHAPTER 02
地下水数值模拟的基本方法
有限差分法
有限差分法是一种将偏微分方程离散 化为差分方程的方法，通过在时间和 空间上将偏微分方程近似为差分方程 ，从而将连续的物理量离散化为离散 的数值。
随着数值计算技术的发展，地下水数值模型将越来越复杂，能够 模拟更多的物理过程和化学反应。
参数优化和数据同化
通过人工智能和机器学习技术，对模型参数进行自动优化和数据同 化，提高模拟精度和可靠性。
多尺度模拟
从微观到宏观的多尺度模拟将成为一个重要方向，能够更好地揭示 地下水系统的复杂性和规律性。
地下水数值模拟
一、模型概化-内部结构
1、含水介质 2、含水层空间分布
确定含水层类型，查明含水层在空间的分布形状。对承压 水，可用顶底板等值线图或含水层等厚度图来表示；对潜水， 则可用底板标高等值线图来表示；
一、模型概化-内部结构
1、含水介质 2、含水层空间分布 4、地下水运动状态
（1）层流、紊流 一般情况下，在松散含水层及发育较均匀的裂隙、岩溶含水层中的地下
三维有限差分模型与MODFLOW
**使用VMODFLOW建立模型 1. 准备数据资料（划分含水层，顶底板高度，
渗透参数，存贮参数，初始地下水位） 2. 划分平面网格，输入顶、底板高度 3. 输入模拟层参数 4. 输入边界属性和模块参数 5. 是稳定流还是非稳定流 6. 非稳定流的初始水头分布 7. 运行模型，查看结果
一模型概化内部结构11含水介质含水介质2含水层空间分布含水层空间分布3地下水运动状态地下水运动状态4水文地质参数水文地质参数1时间概化时间概化水文地质参数是慢时变的在一定时期和外部条件下可以近水文地质参数是慢时变的在一定时期和外部条件下可以近似地看作恒定不变建立概念模型时将参数概化为随时间不变似地看作恒定不变建立概念模型时将参数概化为随时间不变一模型概化内部结构11含水介质含水介质22含水层空间分布含水层空间分布33地下水运动状态地下水运动状态44水文地质参数水文地质参数11时间概化时间概化2空间概化空间概化查明含水层的导水性储水性及主渗透方向的变化规律
模拟步骤
建立概念模型 选择数学模型 将数学模型进行
数值化 模型校正(识别) 模型验证 预测
一、模型概化-边界条件
1、研究区边界
研究区应尽可能以自然边界为计算边界，最好是以 完整的水文地质单元作为计算区。
地下水数值模拟基础
地下水数值模拟基础
地下水数值模拟是指通过建立数学模型，模拟地下水流动和污染传输
的过程，以预测和评估地下水资源的利用和保护。
在地下水资源管理
和环境保护中，地下水数值模拟是一种重要的工具。
地下水数值模拟的基础是地下水流动方程和质量传输方程。
地下水流
动方程描述了地下水的流动过程，包括水流速度、水位变化等；质量
传输方程描述了污染物在地下水中的传输过程，包括污染物浓度变化等。
通过建立这些方程的数学模型，可以模拟地下水的流动和污染传
输过程。
地下水数值模拟的过程包括模型建立、参数确定、模拟计算和结果分
析等步骤。
模型建立是指根据实际情况，建立地下水流动和污染传输
的数学模型。
参数确定是指确定模型中的各项参数，包括地下水的渗
透系数、孔隙度、水头等参数，以及污染物的扩散系数、降解速率等
参数。
模拟计算是指利用计算机对模型进行数值计算，得到地下水流
动和污染传输的结果。
结果分析是指对模拟结果进行分析和评估，以
确定地下水资源的利用和保护策略。
地下水数值模拟在地下水资源管理和环境保护中具有重要的应用价值。
它可以预测地下水资源的开发和利用情况，评估地下水资源的可持续
利用性，指导地下水资源的合理开发和利用。
同时，它也可以预测地下水污染的扩散和影响范围，评估污染物的风险和危害程度，指导地下水环境的保护和治理。
总之，地下水数值模拟是一种重要的工具，它可以为地下水资源管理和环境保护提供科学依据和技术支持。
在未来的发展中，地下水数值模拟将继续发挥重要作用，为地下水资源的可持续利用和环境保护做出更大的贡献。
地下水运动规律的数值模拟研究
地下水运动规律的数值模拟研究地下水是地球上最重要的自然资源之一，也是人类生存和发展的重要基础。
地下水运动规律的研究对于地下水开发利用、水资源管理、环境保护等方面具有极其重要的意义。
本文将介绍地下水运动规律的数值模拟研究，包括模型建立、参数确定和模拟结果分析等方面。
一、地下水数值模拟模型建立地下水数值模拟建立的首要任务是选择一个合适的模型。
在地下水数值模拟研究中，目前常用的模型主要有三种：有限差分模型、有限元模型和边界元模型。
这三种模型各有优缺点，应根据具体情况选择。
其中，有限差分模型常用于规则网格模型，有限元模型适用于不规则网格模型，而边界元模型则适用于模拟溶质扩散、热传导等问题。
在选择模型之后，下一步是确定数值模型所需的各个参数，包括渗透系数、地下水位等。
渗透系数是地下水数值模拟中最重要的参数之一，它反映岩石、土壤等介质对水分移动的难易程度。
通常，我们可以通过实验或者现场测量来得到渗透系数。
地下水位则是地下水数值模拟中另一重要的参数，它反映地下水流动状态。
为了得到精确的地下水位数据，我们需要在地下水源地的不同深度处进行采样，分析样品中含水量的变化，进而反演出地下水位。
二、数值模拟参数的确定在确定数值模拟参数时，需要根据具体情况进行选择。
比如说，当考虑建立一个地下水源地的数值模拟模型时，我们需要通过实验或者现场测量来得到该区域的渗透系数和地下水位等参数。
如果我们是在模拟地下水的流向和污染扩散等问题时，则需要考虑不同介质的物理性质和地形地貌等因素。
在确定数值模拟参数时，还需要注意一些常见问题，比如说动力学问题、温度变化等因素。
这些问题都会对地下水运动规律的模拟结果产生影响，因此需要充分考虑。
三、数值模拟结果分析数值模拟结果分析是地下水数值模拟研究中最后一个环节，也是最为重要的一个环节。
通过数值模拟可以得到地下水的流速、流向、水位等参数变化，在此基础上可以进一步推测出地下水对环境的影响和水资源的利用潜力。
地下水数值模拟的研究与应用进展
地下水数值模拟的研究与应用进展1. 引言1.1 地下水数值模拟简介地下水数值模拟是指利用数学模型和计算机技术对地下水系统进行模拟和预测的方法。
通过模拟地下水系统的水文地质特征、水文动力过程和水文化学过程，可以更好地理解地下水运动规律，预测地下水资源的变化趋势，指导地下水资源的合理开发和利用。
地下水数值模拟的基本原理包括建立地下水数学模型、确定模型参数、选择数值计算方法、进行模拟计算和模拟结果分析。
地下水数值模拟常用的模型包括地下水流模型、地下水热盐模型、地下水污染迁移模型等，可以根据实际问题的不同选择合适的模型进行建模。
地下水数值模拟在水资源管理、环境保护、地质灾害防治等领域有着重要的应用价值。
通过地下水数值模拟，可以预测地下水位变化、地下水资源补给和排泄规律，为科学合理地开发利用地下水资源提供参考依据。
地下水数值模拟还可以用于评估地下水污染风险、指导地下水污染防治，保护地下水资源环境。
地下水数值模拟是一种强大的工具，为研究人员提供了深入理解地下水系统运行机制和分析地下水问题的方法。
通过不断地研究和应用，地下水数值模拟将在未来发展中发挥更加重要的作用。
1.2 地下水数值模拟的重要性地下水作为重要的水资源之一，对人类生存和发展具有重要意义。
地下水数值模拟是研究地下水流动规律和预测地下水变化的重要手段。
其重要性主要体现在以下几个方面：1.优化地下水资源管理：地下水数值模拟可通过对地下水流动模式的研究和模拟，优化地下水资源的开发和利用。
通过模拟可以更好地预测地下水位变化、水质变化等情况，有助于科学合理地规划地下水资源的开发和利用方案。
2.保护地下水环境：地下水数值模拟可以帮助研究人员识别地下水受到威胁和污染的情况，从而采取合适的措施进行保护和修复。
通过模拟可以及时发现地下水受到污染的源头和扩散路径，指导环境保护工作的开展。
3.灾害预警和防范：地下水数值模拟可以用于预测地下水位变化、地下水涌出、地下水泛滥等情况，为灾害预警和防范提供科学依据。
地下水数值模拟蒸发量计算公式
地下水数值模拟蒸发量计算公式
（原创版）
目录
1.引言
2.地下水数值模拟的概念和方法
3.蒸发量的计算公式
4.影响蒸发量的因素
5.结论
正文
1.引言
地下水是中国水资源的重要组成部分，对地下水的研究具有重要的实践意义。
地下水数值模拟是研究地下水的一种有效方法，可以通过模拟地下水的运动和变化规律，预测地下水的未来发展趋势。
在地下水数值模拟中，蒸发量是一个重要的参数，其计算公式对于模拟的准确性具有重要影响。
2.地下水数值模拟的概念和方法
地下水数值模拟是指通过数值方法，求解描述地下水流动和变化规律的偏微分方程组，从而模拟地下水的运动过程。
地下水数值模拟的方法包括：有限差分法、有限元法、有限体积法等。
3.蒸发量的计算公式
蒸发量是指在一定时间内，地下水由液态变为气态的量。
蒸发量的计算公式为：
蒸发量 = 地下水质量 * 蒸发系数
其中，地下水质量可以通过地下水数值模拟求得，蒸发系数是一个与
地下水相关的常数，与地下水的物理性质有关。
4.影响蒸发量的因素
蒸发量的大小受多种因素影响，主要包括：
（1）地下水的温度：温度越高，蒸发量越大。
（2）地下水的含盐量：含盐量越高，蒸发量越大。
（3）气候条件：温度、湿度、风速等都会影响蒸发量。
（4）地表覆盖情况：地表植被、建筑物等都会影响蒸发量。
5.结论
地下水数值模拟蒸发量的计算公式是一个重要的参数，其准确性对于模拟结果具有重要影响。
地下水模拟技术及应用培训
地下水模拟技术及应用培训第一部分：地下水模拟技术地下水资源是地球上最珍贵的水资源之一，对于地下水的模拟和研究对于地下水资源的管理和保护至关重要。
地下水模拟技术是指利用水文地质学、水文地理学和现代计算机技术，对地下水的流动、补给、补给和污染传输过程进行模拟和预测的一种技术手段。
它通过数学模型模拟地下水的运动规律，预测地下水位、水质及流向等重要参数，为地下水资源的合理开发和管理提供科学依据。
地下水模拟技术主要包括地下水数值模拟、地下水模型参数估计、地下水模型灵敏度分析和地下水模型不确定性分析等方面。
通过数值模拟，可以实现对地下水埋藏形态、水文地质条件、污染物扩散等过程进行真实、定量地模拟和预测，有效地指导地下水资源的管理和保护。
第二部分：地下水模拟技术应用培训1. 意义与目的地下水模拟技术能够对地下水系统进行全面、纵深模拟，为地下水资源的科学利用、保护和管理提供技术支持和决策依据。
因此，开展地下水模拟技术应用培训具有重要的现实意义。
培训旨在提高从事地下水资源调查、开发、利用和管理等工作人员的地下水水文地质和水文地质模型应用能力，提高地下水模拟预测的科学性和准确性。
2. 内容与方法地下水模拟技术应用培训内容包括但不限于地下水数值模拟原理、地下水模型参数估计方法、地下水模型灵敏度分析与不确定性分析等。
通过讲解、案例分析、实地操作和综合训练等多种培训方法，使学员能够理解和掌握地下水模拟技术的基本原理和方法，具备地下水模型建立和预测的基本能力。
3. 课程设置（1）地下水数值模拟基础知识（2）地下水数值模型参数估计方法（3）地下水模型灵敏度分析（4）地下水模型不确定性分析（5）实例分析与综合应用4. 培训对象本课程面向地下水资源、水文地质、水文地理等相关专业的从业人员，包括但不限于地下水勘察、地下水开发、地下水管理、地下水环境保护等单位的工程技术人员、管理人员和科研人员。
5. 结束语地下水模拟技术应用培训对于推动地下水领域科学与技术的融合与创新，推进地下水资源的可持续利用和保护，具有重要的战略意义。
地下水数值模拟重要知识点
一. 解析法: 1）用数学上的积分方法或积分变换等方法求得数学模型的解析表达式2）解的精度高，通常称为解析解或精确解3）适用于含水层几何形状规则、性质均匀、厚度固定、边界条件单一的理想情况数值法：1）把刻画地下水问题的数学模型离散化，解出渗流域有限个结点上的数值解 2）解是数学模型的近似解或数值解 3）适用性广、通用性强、可程序化，修改模型方便二．常用的数值方法：有限差分法有限元法边界元法离散单元法三．地下水数值模拟的基本步骤：1）确定模拟范围，收集有关资料 2）建立地下水系统的概念模型 3）建立地下水系统的数学模型 4）建立数值模拟模型 5）模型的识别和调参 6）预报四．有限差分法的基本思想：1）从物理现象引出相应微分方程（方程+边界条件）； 2）用差分网格离散求解域； 3）用差分公式将基本方程转化为差分方程（代数方程）； 4）用差分方程的解作为微分方程的近似解。
五．有限单元法的基本思想：1）把连续系统离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体；2）选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；3）建立用于求解节点未知量的有限元方程组六.加权余量法：对n个未知数来说只有一个方程无法求解，故引入相互线性独立的权函数取权函数，使得余量的加权积分为零，从而求得微分方程近似解的方法称为加权余量法。
伽辽金方法将权函数取为基函数七．边界单元法的基本思想：将微分方程的基本解化为边界积分方程，将边界剖分为有限个单元，在离散的区域边界上将边界积分方程化为代数方程求解边界单元法的优缺点：优点：1、降低问题求解的空间维数2、计算精度高3、适合处理无限域或半无限域问题4、输入数据少，前处理简单缺点：1、系数矩阵不对称 2、非均质问题、非线性问题处理较难八．反求水文地质参数的适定性条件：存在性唯一性稳定性反求水文地质参数的间接法：基本原理试估校正法。
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1 潜水含水层 2 隔水层 3、4 潜水面 潜水位 M 含水层厚度 D 潜水埋深 5 大气降水入渗 6 蒸发 7 流向 8 泉
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潜水:主要特征
补给：降水入渗，河湖入渗
排泄：泉，（河）泄流，蒸发补给或排泄通过含水层厚
度变
化而储水与释水！
动态：受气象，水文因素影响明显，
变化快（水量、水位季节性变化）
• 广义地下水（subsurface water）：地表以下岩石空隙中的水(包气带、 饱水带中的水)
• 狭义地下水（groundwater）：地表以下饱水带岩石空隙中的水（重力水 ）
包气带 潜水
承压水
孔隙水 上层滞水 孔隙潜水 孔隙承压水
裂隙水 上层滞水 裂隙潜水 裂隙承压水
岩溶水 上层滞水 岩溶潜水 岩溶承压水
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饱水带
岩石空隙被水完全充满 →是二相介质（固相+液相水 ）
空隙中水的存在形式： ①重力水
重力水：连续分布（孔隙是连边）→传递压力→在水头差 作 用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。
地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！
②结合水
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含水层,隔水层与弱透水层：基本概念
饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行 的划分：
（1）含水层（Aquifer）：是能够透过并给出相当数量水的岩层 ，例如，各类砂土，砂岩等；
（2）隔水层（Aquifuge)：不能透过与给出水或透过与给出的水量 微不足道的岩层，例如，裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、 粘土（致密）；
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土壤持水金带品、质包•高气追带求、饱和我带们让你更放心！
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如华北平原早期地下水开采，深层水与浅层水之 间水位差别不大，深层水与浅层水之间的粘土可 作为隔水层；随着深层水的不断开采，水位大幅 度降低，浅层水向深层“越流”，粘土层成为“透 水层”。
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含水层,隔水层与弱透水层：时间相对性
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地下水的赋存
➢(1)岩石中的空隙与水 ➢(2)包气带与饱水带 ➢(3)含水层、隔水层、弱透水层
（3）弱透水层（Aquitard）：渗透性很差，给出的水量微不足道 ，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层， 例如，各种粘土，泥质粉砂岩。
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含水层,隔水层与弱透水层：概念相对性
定义中的“相当水量，微不足道，较大水力梯度”是模 糊的；含水层与隔水层的划分是相对的。从实际应用来 看，区分含水层与隔水层应考虑岩层给出的水量是否具 有实际意义。从理论意义来看，岩层是否透水还取决于 时间尺度。
修水库时，要考虑建库后水库是否渗漏？ 供水时，考虑水量是否足够，是否为含水层？ 某组地层是含水层还是隔水层？其界定要灵活运用 ！
现代水文地质模拟计算，不再简单地划分为含水层
、隔水层，而是把不同岩层附于不同渗透参数。
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第一讲 地下水数值模拟基础知 识
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一、水循环与地下水
地下水赋存于地下介质
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◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆ 地下水是水循环的一个阶段
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包气带
特点：
（1）岩石空隙未被水充满； （2）固、液、气三相介质并存； （3）水的存在形式多样：结合水、毛细水、重力水
、气态水。
包气带水的垂直分带：
（1）土壤水带 （2）中间带（过渡带） （3）金毛品细质水•高带追（求支持毛我细们水让你带更、放饱心和！毛细水带） 返回
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金品质•高追求
The common
assumption that the rate of groundwater
withdrawal is “safe” or “sustainable” if
it does not exceed the natural rate of
稳定：具有一定的空间连续性（范围）以示区分 上层滞水
潜水含水层：赋存潜水的岩层。 屋建筑时的基坑
排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）
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潜水:基本要素
潜水面
潜水位
潜水含水层
8
含水层厚度
5 6
3
D
4 4
M
1
7
潜水埋深
2
地下水分类：依据含水介质类型、埋藏条件划分含水介质三
类，埋藏条件分三类，组合共分为9类。 金品质•高追求 我们让你更放心！
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潜水:概念
潜水：地表以下第一个具有自由表面的稳定含水层中 的水
自由表面：即设有隔水层限制，与大气直接相通 ，除大气压强外不受其它力
54 32 1
自然界中不存
④
在绝对的隔水
③
层，岩层是否
含水层
透水取决于时
隔水层/弱透水层
②
间尺度。
①
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隔水层与弱透水层（诺曼与威瑟斯庞）
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含水层,隔水层与弱透水层: 应用的相对性
岩性相同的地层根据不同研究目的可划分为含水层 或隔水层。