FEFLOW地下水数值模拟应用高级培训班20121120
地下水模拟技术及应用培训(3)ppt课件
问题 识别问题（调参） 预报问题 管理问题（探测问题）
输入(X)
结构( f( ) )
输出(Y)
4
模型分类
模型分类：
• 实体模型-土柱、渗流槽、等 • 概念模型-文字、框图、示意图等
• 数学模型-解析模型、数值模型
系统状态上：
• 水流（量）模型 • 溶质运移模型 • 热运移模型 • 地下水-介质应力应变（地面沉降）模型
14
有限差分法基本思想：用渗流区内选定的有限个离散点 的集合来代替连续的渗流区，在这些离散点上用差商来 近似代替导数，将描述求解问题的偏微分方程及其定解 条件化为一组以有限个未知函数在离散点上的近似值为 未知量的差分方程组，然后对差分方程组进行求解，得 到所求解在离散点上的近似值。
有限单元法基本思想：用有限个单元的集合来代替渗流 区，选择简单的近似函数（常用多项式差值）表示单元 内部的状态（水头、浓度、温度的未知函数）分布，运 用Rayleigh-Ritz法、Galerkin法或均衡法等建立单 元内未知变量的表达式，最后集合单元方程形成整个渗 流区的代数方程组，并求解方程组得到未知变量（水头、 浓度、温度等）在节点上的值。
x
2x
h hi1, j hi1, j
x
2x
2020/1/12
数值法
21
根据上述推导，两次运用中心差分方法，对 (T h )
x x
可以写出如下公式：
h 1 h
h
(T ) (Tx
Tx
)
x x x x i 1, j
x i 1, j
2
2
1 x
x
T y
h h k1
FEFLOW软件在地下水数值模拟中的应用——以柴达木盆地香日德绿洲为例
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中 国 水 土 保 持 科 学
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专题一 feflow简介
专题一对示例模型的描述4.1 FEFLOW简介FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）是由德国水资源规划与系统研究所（WASY）开发出来的地下水流动及物质迁移模拟软件系统。
该软件提供图形人机对话功能、具备地理信息系统数据接口、能够自动产生空间各种有限单元网、具有空间参数区域化、快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。
在FEFLOW系统中，用户可以方便快速地产生空间有限元网格，设置模型参数和定义边界条件，运行数值模拟以及实时图形显示结果与成图。
软件自问世以来，在理论研究和实际问题的处理上，经过了不断的发展、修改、扩充、提高，日趋完善。
4.1.1 FEFLOW的应用领域●模拟地下水区域流场及其他地下水资源规划和管理方案；●模拟矿区露天开采或地下水开采对区域地下水的影响及其最优对策方案；●模拟由于近海岸区抽取地下水或者矿区抽排地下水引起的海水或深部盐水入侵问题；●模拟非饱和带以及饱和带地下水流及其温度分布问题；●模拟污染物在地下水中迁移过程及其时间空间分布规律（可用于分析和评价工业污染物及城市废物堆放对地下水资源和生态环境的影响，研究最优治理方案和对策）；●结合降雨－径流模型进行模拟“降雨－径流－地下水”的系统问题（可用于研究水资源合理利用、管理以及生态环境保护方案等）。
4.1.2 系统输入特点●通过标准数据输入接口，用户既可以直接利用已有的GIS空间多边型数据生成有限单元网格，还可以基于地图用鼠标进行设计，能够自定义网格的数目，方便地调整网格的几何形状，增加和减小网格的宽度；●在建立水流场和迁移模型时，用户不仅能够根据具体情况定义第一、第二和第三类边界，而且可以对边界条件增加特定的限制，以避免不合理的数值解；●能够直接定义多含水层中的分层开采井和混合开采井，以及注水井；●所有边界及附加条件既可设置为常数，也能定义为随时间变化的函数；●已知的边界及模型参数可以按点，线或面的形式直接输入，也可以调用已有的空间数据。
地下水模拟技术及应用培训(4)
ground-water flow model）是由美国地质调查局上世纪80年代
开发的基于有限差分法的孔隙介质中三维地下水流模拟程序， 现已推出MODFLOW88、96、2000和2005四个版本，已成为功
GMS (Groundwater Modeling System， windows)
Visual Modflow （windows）
综合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和 WinPEST 等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件， 可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟。 合理的菜单结构、友好的界面和功能强大的可视化特征 和极好的软件支撑使之成为许多地下水模拟专业人员选 择的对象。 采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维地下水流、 溶质和热运移模拟。溶质运移中考虑带有非线性吸附作 用、衰变、对流、弥散的化学物质运移；热运移考虑贮 存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；并 可对污染物和温度场同时进行模拟。对于多含水层的混 合井流分析，feflow 有多种理论模式进行选择。运用达 西、泊松以及manning-strickler理论的离散单元分析。
能完善、扩展性强、应用最为广泛的地下水流模拟程序。
主要功能
模拟稳定、非稳定地下水流 非均质含水层，简单的各项异性含水层 二维、三维地下水流模拟 承压、潜水、承压-无压含水层地下水流模拟
适用条件
饱和空隙介质地下水流，地下水流动满足达西定律。
主要特点：
采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编； 采用模块化结构，MODFLOW程序可分为一个主程序和若干个高度独 立的子程序（模块，modules），若干相关的子程序整合形成具有特 定功能的子程序包（pakages）。使程序易于理解和修改，便于二次 开发和增加新的模块和子程序包，对其功能进行扩展； 离散单元的简单化。采用矩形不等距网格离散，便于用户对模拟区剖 分和准备输入数据，输出的计算结果也比较规范化。Upscale技术； 在时间离散上，引入应力期的概念，便于模拟期内时间段的划分和时 间步长的设定； 求解方法多样化； 输出格式的标准化和多样化；
基于ANN与FEFLOW的民勤绿洲地下水位动态模拟研究的开题报告
基于ANN与FEFLOW的民勤绿洲地下水位动态模拟研究的开题报告一、研究背景民勤县位于甘肃省中部，是典型的内陆河流域荒漠绿洲地区。
该地区地下水资源丰富，是支撑当地生产和民生的重要水源。
然而，由于人类活动和气候变化等因素的影响，地下水位的变化对当地生态环境和经济发展造成了重要影响。
因此，为了科学合理地管理和利用该地区的地下水资源，需要对其地下水位变化进行动态模拟研究。
目前，人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）和地下水数值模拟软件FEFLOW等技术被广泛应用于地下水位模拟分析中。
二、研究目的本研究旨在采用ANN与FEFLOW相结合的方法，对民勤绿洲地下水位进行动态模拟研究，达到以下目的：1、探究民勤绿洲地下水位的空间分布规律和动态变化规律，为当地的水资源管理和利用提供科学依据。
2、通过建立ANN模型，预测未来一段时间内的地下水位变化趋势，为当地的防灾减灾工作提供一定的参考。
3、使用FEFLOW软件，对民勤绿洲的地下水流动过程进行数值模拟，深入了解水文地质条件对地下水位变化的影响，并为水资源管理与保护提供技术支持。
三、研究内容本研究将采用以下研究内容：1、收集民勤绿洲地下水位历史数据，分析其变化趋势，构建ANN模型，预测未来地下水位变化趋势。
2、根据当地的水文地质条件，使用FEFLOW模拟软件，建立地下水位模拟模型。
3、利用FEFLOW模拟软件对土壤含水量、降雨量等因素的影响进行数值模拟，预测未来一段时间内地下水位变化趋势。
4、通过比对ANN预测结果和FEFLOW模拟结果，验证ANN模型预测的准确性，并对模型进行进一步修正。
四、研究意义本研究对民勤绿洲的水资源管理和生态环境保护具有重要意义。
通过对地下水位的动态模拟分析，可以为当地的水资源管理提供科学依据，以保证其可持续利用，推动民勤县的经济发展。
同时，本研究所采用的技术手段，为类似地区的水资源管理和保护提供了有益的参考和借鉴。
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。
基于FEFLOW的地下水源地数值模拟研究
基于FEFLOW的地下水源地数值模拟研究摘要对朝阳市建平地区地下水水源区水文地质条件进行分析、概化，建立研究区的数学模型，并对数学模型参数进行识别与验证，计算各种水均衡项，以为水资源论证提供水资源量数据支撑。
关键词地下水水源区；数值模拟；FEFLOW1模型介绍FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）是有限元地下水数值模型的杰出代表，由德国WASY公司于1979年开发，经过不断改进，目前FEFLOW4.0版本已扩展为3D并应用于水流、溶质运移模拟的研究；1996—1998年间FEFLOW的数值性能和数据界面得到扩展，模型后处理器功能增强；进入21世纪以来，其版本已经升级到5.2，具备良好的GIS数据接口、优化的剖分网格技术及良好的可视化等优点。
2研究区范围研究区范围为（即模拟计算区）建平县二道河的杨杖子至北台子一带，面积为2.67 km2。
该范围根据建平县自来水公司第三地下水源地开采井的分布位置和区域水文地质条件划定。
3水文地质3.1第四系地层中更新统坡积—洪积层：该层分布面积小，在山前裙裾出露。
岩性为亚黏土、黏土，颜色为棕黄色或棕红色，结构密实，黏塑性好，干时较硬，湿时较黏。
局部含钙结核，结核形状不规则。
其底部一般具有砂砾石透镜体或薄层，砾石是次棱角状，成分以安山岩、片麻岩为主，粒径范围在3～15 mm。
3.1.1上更新统（Q3）。
①坡积—洪积层：分布于山前裙裾，岩性以含砾亚粘土，浅黄至黄褐色，结构密实，具黏塑性，垂直节理。
厚度1.0～12.0 m。
局部地区的岩性成分为含砾亚砂土，下部为砂砾石含粘性土，杂色。
②冲积—洪积层：分布于河流一级阶地上，岩性以亚砂土和砂砾卵石层为主。
亚砂土为淡黄至黄褐色，厚度8.0～18.0 m，有上游厚度较大、下游厚度逐渐变小的规律。
砂砾卵石为黄褐色或杂色，结构松散，砂以粗砂为主，砾卵石岩性以安山岩、片麻岩为主，一般粒径10.0～30.0 mm，最大达100 mm[1-2]。
地下水数值模拟 第三讲 地下水数值模拟原理及建模方法和步骤_xiugai
N Hn i, j i, j1
(Wi, j
Ei, j
Si, j
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Ai, j
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H
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不等距矩形网格有限差分 y
(i,j+1)
法：以二维承压水流为例（续3）
(i-1,j)
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节点（i,j）的均衡区
如果 H 取tn+1时刻的值
Hn i, j1
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H
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2
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H
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Aij:节点(i,j)均衡区的面积
e 表示：当水头下降一个单位时，从单位底面积饱水空隙介质中 释放的水量（体积）
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2
xi1
i,
j
Ai,
j
ei, j
H n1 i, j
H
n i,
j
tn1 tn
Ai, j
H 可取tn+1或 tn时 刻的值
Aij:节点(i,j)均衡区的面积
e 表示：当水头下降一个单位时，从单位底面积饱水空隙介质中 释放的水量（体积）
不等距矩形网格有限差分 y
(i,j+1)
法：以二维承压水流为例（续1）
地下水数值模拟01
地下水数值模拟的基本步骤
确定模拟范围，收集有关资料
建立地下水系统的概念模型
建立地下水系统的数学模型 建立数值模拟模型 模型的识别和调参 预报
——《地下水流数值模拟技术要求》，中国地质调查 局，2004年11月
模拟步骤
建立概念模型
资料收集 建立概念模型 建立数学模型 模型数值化求解 模型识别验证 预测评价 提交结果 建 立 地 下 水 模 型
水文地质计算的数值方法 孙峰根 中国矿业大学出版社，1995
授课内容
• • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 地下水运动的数学模型 有限差分法 有限单元法 其他数值方法 反求参数的数值方法
第一章 绪论
主要内容
地下水数值模拟及其基本任务 常用的数值方法简介 数值模拟的基本过程
数学模型
•利用模型与原型之间在数学上 的相似为基础 •例：达西定律、溶质运移方程
基本概念2
地下水数学模型的分类
确定性模型与随机模型
根据模型中变量的取值性质划分 •确定性模型：变量取确定值 •随机模型：含有随机变量，只知道 取值概率
集中参数模型与分布参数模型
线性模型与非线性模型
………
根据模型中是否含有空间变量划分 •集中参数模型：流量与降深经验公式 •分布参数模型：含有偏微分方程，裘布 依模型、泰斯模型
基础知识
专业基础
水文学原理 水文地质学基础 地下水动力学 工程地质学 环境地质学 高等数学 线性代数 数学物理方法 概率论
数学基础
计算机基础
编程语言剖分 离散点上的 代数方程
代数方程组
偏微分方程
离散点上的 偏微分方程
地下水数值模拟的目的和意义
地下水模拟技术及应用培训(4)
GWMS （windows）
基于有限单元和有限差分方法，二维和三维地下水 流、溶质和热运移模拟软件， …..
IGW （Interactive Ground Water， windows）
交互式二维、三维地下水流和溶质运移数值模拟软
件，可设定确定性、蒙特卡洛和条件蒙特卡洛随机 条件，运用网格逐步加密技术（upscale）进行局部 加密。
使用界面友好，前、后处理功能及三维可视化效果优良， 格偏贵。
目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。
开发单位、下载或购 买网址
由美国Brigham Young University的环境模型 研究实验室开发，网 址：
http://www.emrl.byu.ed u/gms.htm。分销商为： /。
美国HIS GeoTrans公司开发： /swift.html，可下 载参考手册和使用手册。
美国地质调查局开发： /pr ojects/GW_Solute/hst/，可 下载可执行程序和使用说 明。
TOUGH2 （DOS）
通用的中渗流、多组分溶质运移和热运 移数值模拟程序，适用二维和三维、饱 和及非饱和多孔介质和裂隙介质问题， 主要用于地热工程、核废料处理、环境 评价与治理等方面。
基于Fortran77开发的， 适于在任何平台上运 行，目前国内多用于 地下热水运移模拟。
由美国加州大学伯克利分校 劳伦斯实验室开发， /TOUGH2/index.ht ml
特别适合地下水-地表 水联系密切条件下水 资源系统的模拟。
美国加州大学河滨分校、盐 湖研究所国际地下水模型中 心和捷克PC-Progress公司联 合开发：http:// /，可下载软件、 技术手册和使用手册。
主要功能
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费用： FEFLOW 地下水数值模拟应用高级培训班（共 3 天）：人民币 3600 元/人（同单位参加人数超过/含二 人，费用为人民币 3000 元/人），交通及住宿费自理。 费用包括：场地租用，工作午餐和晚餐及其他杂费。 付款方式： (A) 现金：周日及周一注册时办理缴费手续。 (B) 电汇：请付款至以下账户 开户名：丹华水利环境技术（上海）有限公司 账号：454659227379 开户银行：044214 中国银行上海市斜土路第二支行 培训地点： 北京 会场待定
FEFLOW 地下水数值模拟应用高级培训班邀请函
2013 年 1 月 28 日~ 30 日 北京 主办方：DHI 中国 尊敬的领导、专家： 您好！ 随着社会经济快速发展、城市化进程不断加速，地下水环境问题也日益突出，影响人类健康安全和制 约社会、经济的可持续发展。地下水作为生态系统中最重要的组成部分维持着整个水系统的良性循环。我 国很多地区出现的环境地质问题，如：地面沉降、土地沙化、岩溶塌陷、地下水污染和海水入侵等都与地 下水的不合理开发利用不无关系。近几十年地下水问题不断凸显，成为社会安全隐患。面对诸多的地下水 问题，采用数值工具对地下水及其相关问题进行深入调查研究的需求也日益增多。 作为一名水利、环境和地矿部门的决策者和技术人员，必然需要了解或解决以下问题：
住宿选择 单位中文名称 姓名 性别 （用于开具发票） （用于制作证书） B:单住 单位英文名称 联系电话 电子邮件 A:合住 入住日期 DD/MM/YY 离开日期 DD/MM/YY
待定
注：请学员于 2013 年 1 月 21 日前将报名表格填写完整后 Email 至 sos-cn@。
FEFLOW 变密度地下水模拟和案例介绍 -- 午休 --
13:30 – 17:00
FEFLOW 应用讨论和答疑
报名表
尊敬的先生 / 女士： 欢迎您参加 DHI 中国于 2013 年 1 月 28 日～1 月 30 日举办的 FEFLOW 地下水数值模拟应用高级培训班。为了方便学员，我们将为您代订住宿房间，请协助我们完成以下表格：
附件 1 FEFLOW 地下水数值模拟应用高级培训班 2013 年 1 月 28 日 09:00 – 12:00 星期一 地下水污染和防治
FEFLOW6.1 新功能介绍，FEFLOW 溶质运移模型概念，边界条件设定，数值 不稳定处理等。 -- 午休 --
13:30 – 17:00
FEFLOW 地下水污染物质运移模拟、 监测和治理方案及案例 （与油库、 加油站、 炼油厂等污染源有关的地下水溶质运移问题）
2013 年 1 月 29 日 9:00 – 12:00
星期二
矿区和地下工程地下水问题
FEFLOW 矿区疏干降水位模拟 -- 午休 --
13:30 – 17:00 2013 年 1 月 30 日 9:00 – 12:00
FEFLOW 矿区地下水污下水运移、海水入侵）
培训会务组联系方式： DHI 田景宏 Mp:18601938889 Otjh2000@ DHI 卢志华 Tel: 021-64175650 报名截止日期：2013 年 1 月 21 日
DHI 许丽君 Tel: 021-64176726 报名邮箱： sos-cn@
DHI 上海总部：上海市小木桥路 303 号 5 楼，200032 DHI 天津办公室：天津市河西区九华山路香水园 27 号楼 1301 室 DHI 广州办公室：广州市天河区猎德大道 48 号之二 3101 房（尚东美御） 公司官方网站： 最后，DHI CHINA 全体员工衷心希望在您的帮助与支持下，本期培训能够获得圆满成功。
采矿排水研究； 海水入侵调查； 岩土工程 (隧洞施工, 施工现场排水)； 地表水/地下水耦合模拟；
地热开发 (HDR、热泵系统)； 地下水资源可开采量评估； 水源地保护； 环境影响评价；
针对上述领域问题， DHI 中国将于 2013 年 1 月 28 日至 1 月 30 日在北京开设 FEFLOW 地下水数值 模拟应用高级培训课程， 此次课程将基于最新版本软件 FEFLOW V6.1 进行授课。 FEFLOW 是迄今为止功能最为齐全的专业的地下水流场、污染物迁移和热流传递模拟软件系统。经过 DHI 软件开发中心的不懈努力， FEFLOW 6.1 版本于 2012 年 10 月正式发布， 沿用 20 年之久的 “经典界面” 中的所有功能都已经转移至 FEFLOW 6.1，从网格生成到模型的后处理整个过程都可以在新界面中完美体 现，原有功能有诸多扩展，在视觉展示及数据处理也有不少亮点。 为使用户更好地了解 FEFLOW 软件，提高 FEFLOW 软件应用水平，此次培训由 DHI WASY 资深水 文地质工程师骆俊峰博士担任培训讲师。骆俊峰博士于 20 世纪 80 年代初远赴德国留学，拥有 20 多年地下 水数值模拟相关项目经验。 注：此次培训为高级应用培训，要求参加培训的学员有一定的 FEFLOW 6.0 使用经验。 DHI CHINA 丹华水利环境技术（上海）有限公司 2012-11-20
备注： 请学员自备笔记本电脑，推荐的最低硬件配置如下： 操作系统：Windows XP Professional/Vista Business/7 Professional (32-bit and 64-bit) 处理器主频： 2.0 GHz 或更高 内存(RAM)： 1 GB 或更高 硬盘空间： 40 GB 或更高（系统盘剩余空间不少于 6G）