水文地质结构对地下水流数值模拟的影响_杨元.pdf

：水水文文地地质质结结构构对对地地下下水水流流数数值值模模拟拟的的影影响响杨元，曹光明，张焱秋（山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队，山东 济南；山东金创业人才服务有限公司，山东 济南）摘要为了研究地下水模拟时，水文地质结构对其的影响，通过建立随机模型来对地下水进行随机模拟。建立更加符合实际情况的随机水位地址参数场，并将其带入到有限元软件中，模拟得出随机结果。通过对比分析确定模型和随机模型的水位变化拟合图与末流场拟合图，结果表明地下水模拟时，随机模型和确定模型的变化趋势大致相同，拟合效果与实测场相比都表现良好，但随机模型与确定模型相比，可能性更多，在细节上的处理也较为精确，与实测流场拟合较接近。关键词水文地质结构；有限元；随机模型；确定模型中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介杨元（），男，甘肃天水人，工程师，主要从事水文地质、工程地质及环境地质方面工作。，（ooo oo o，o o oo o oo o，o，；o o o，o，）：o o o ooo o o o，o o oo o o o o o o o o o o o o o o o o o，o o o o o o ，o o o ，o o o o o o o，o o o ：ooo；o o；o引言近些年来，研究人员热衷于研究地下水流的随机模拟，因为随着研究的深入，有越来越多的研究人员发现在对情况较为复杂的水文地质环境进行描述时，假定地质参数是确定不变的，建立确定模型进行模拟研究得出的结果并不具有代表性，也是不合理的 。比如，水文地质条件和地质体的不确定与复杂性、边界条件的概化，以及在有限条件限制下，勘探得出的地质参数，都会严重影响地下水模拟时模型的建立，会导致模型模拟结果充满不确定性，在以上影响因素中，地下水环境更是会受到水文地质参数随空间变化的影响。同时在现实作业环境里，需要对比分析大量实测数据之后才能够判断实测数据的准确性，而实际测得的数据又有可能出现人为误差，所以把水文地质参数视为随机变化的是十分必要的，这有利于水文地质参数场的建立。本文先根据钻孔得到的参数报告，借助有限元软件对研究区域岩性在空间上的分布进行了模拟，建立更加符合实际情况的随机水位地址参数场，对比分析确定模型和随机模型的拟合结果的变化规律和准确性。研究区背景 研究区域的概况本文以某平原中部为研究区域，此区域包含了 个县区，总面积达 ，在研究区内共打孔 个，多数分布在西南部，少数分布在平原中部和东南部。研究区域属平原，东南位置处地势较高，自东向西倾斜分布，且趋势较缓，总体没有太大起伏。此平原降雨量一年能达到 ，有 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.较强的蒸发作用。沉积岩性在平原内的变化规律表现为：颗粒从河流上游开始较粗，分布到下游逐渐变细，黏性土夹层也逐渐变多，厚度也渐渐变大。农业灌溉回渗与自然降雨给平原地下水提供了补给，其减少量主要来自于浇灌农田、集中供水、人工开采、潜水蒸发等。水文地质参数当遇到比较复杂的水文地质结构时，本文所用的有限元软件可以参照钻孔得出的岩性报告来对水文地质结构进行块状描述，能够在三维空间上展现出地质岩性的分布。在使用有限元软件建立模型时，可执行文件是编译源代码后形成的，地下水流经过软件代码编译执行与模拟，并将其流动情况可视化。参考钻孔得出的报告，把平原岩性划分成 个种类，分别是砾石与中粗砂类、粉土类、黏土类以及细砂类。有限元软件参数设定时，步长设置为，转移概率为二维统计方法；垂向延伸长度的 倍为侧向延伸长度；并在软件中定了网格部分与模型范围，同时运行了 次条件模拟。因为软件选取了条件模拟，因此计算过程中涉及区域的岩土性质与现实钻孔保持相同。模型能够实现多种结果也表明了不确定性时水文地质结构的一个特点，实现的每种结果都有可能代表了水文地质的真实情况。而若想把得出的三维空间中岩性随机分布情况运用到另一分析模块中，对水流情况进行模拟，则需要掌握水文地质参数和岩性之间的关系。根据经验得出的水文地质参数值与各类岩性的关系如表 所示，两者间的关系也是水文地质参数非线性规划求解的一个重要前提。对各分区内的岩性进行统计，按照等效性方法对分区内的全部钻孔进行计算，求得其水文地质参数的平均值，以此保证所求结果和实验所得结果更加接近。因为在资料里，水平渗透系数要比垂向渗透系数大一个数量级，因此在本文中只对前者进行优化，优化后得到最佳值，如表 所示。表 根据经验得出的水文地质参数值与各类岩性的关系岩性给水度 渗透系数 贮水率 砾石和中粗砂类 细砂类 粉土类 黏土类 表 不同岩性下的水文地质参数计算结果岩性给水度垂向渗透系数水平渗透系数贮水率砾石和中粗砂类 细砂类 粉土类 黏土类 把表 中最佳参数结果带入到有限元软件中进行模拟，能够实现出多种结果，最终可以得出水文地质的参数场。模型的渗透系数分区由前人工作所得结果和抽水试验得到，验证后得到两者在承压区含水层位置处的（垂向渗透系数）有较大差异，而同样位置的水平渗透系数大致相同。随机模型因为可以实现较多结果，各结果间存在差异，表现出了不确定性，这也能更好的反映出渗透系数的一个特点各向异性，能够计算平原区内各个点位的渗透系数。而确定模型得结果大致相同。这是因为在确定模型中，假定参数分区内的水文地质参数都是相同的，但现实地质情况却并非如此，所以模型的计算精度无疑会受到影响。因此虽然随机模型结果较多，但也代表其在划分区域时更加精细，能够很好的将当地水文地质的空间变异性和非均质性体现出来。随机模拟地下水在模拟过程中，一个应力期即为一个自然月，一共经历了 个自然月，时间跨度为 年 月到 年 月。同时，把随机模型与确定模型的结果进行比较，如图 所示。参考研究地区内流场特征以及水文地质条件，对研究区边界进行归类划分，主要分为下面几类：（）隔水边界：东部平原与另一平原相接处的地表分水岭，北部边缘和另一河流系统的分界，同时与流场相结合把以上两个位置定为隔水边界。（）流量边界：东南部平原与丘陵过渡带、南部养畜牧河区域、西北部接近河流处，与流场相结合分别定义为流入边界、流量边界以及流出边界；（）通用水头边界：将剩余的边界与流畅特征结合后定义成通用水头边界。其他边界结合流场特征，将其概化为通用水头边界。图 年 月潜水流场模拟图结果和分析识别模型以及检验时，选取拟合地下水流动曲线（图）、模拟流场和拟合实测流场（图）的方式来进行，其中每年时间都是在 月 日。对于观测孔模拟水位实际测出的水位之间的误差可以定量表示，此误差可由模拟水头与实测水头差值的平方之和，再对和值开根号，之后除以观测值数量和最大水头变幅的乘积来求得，其表示测孔的误差值，当所求值越大时，模型就效果就越差，相反，所求值越小时，模型效果就越精确。第 卷第 期地下水 年 月图 观测孔水位变化图对图 拟合流场图进行分析，绿线代表的是在 年 月份的流场实测情况，蓝色线代表的是确定模型的模拟流场，随机模拟后的水位流场则是用黑色线表示的。随机模拟一共进行了 次，但为了观察时更加清晰，则只选了 次中的 次模拟结果。从图 拟合流场图能够看出，当前条件下地下水的流动情况能够很好的从模拟流场中反映出来。从水流角度进行分析，可以看出平原内大多数位置的流场较为稳定和平滑，地下水仅仅在 上部和左下区域发生了汇集，形成了小范围的汇水区。从区域角度进行分析，模型对地下水流场的拟合结果将地下水在所研究平原区的运用规律基本反映了出来。随机模型与确定模型相比，在细节上的处理较为精确，与实测流场拟合较接近，比如 的两处汇水区，在确定模型中没有表现出来。验证拟合模型的准确性和可信度时，不仅要有拟合流场图，同样要结合地下水的动态规律曲线（图）来进一步分析。图 所示即为水位动态变化规律的拟合曲线，图中红色线代表水位过程的观测线，紫色代表确定模型的动态过程线，随机模拟的过程线则是用蓝色线表示的。从总体上来看，拟合的水位过程线效果偏差不算很大。需要定量化后才能进行模型的识别和检验。关于观测孔水位和随机模拟误差范围的计算和检验，结果如图 所示。从图 中（）、（）、（）可以看出，对于平原中的三个区域，随机模型的误差是呈波动状态的，是一直变化的，而确定模型则表现出相反的趋势，其误差是一直不变的，不会随区域的变化而改变。这是由于地质条件具有复杂性，在不同区域下，水文地质参数是不同的，对于不同参数，随机模型的误差也有所不同。而确定模型，参数假定不变，模拟时的误差也就不会发生改变，这也从侧面揭示了不确定性是随机模型的一个特性。在本文所有观测孔中，对各个观测孔每次模拟的误差进行计算，发现误差可以保持不大于 ，表明其效果较好，也说明随机水流模拟与确定模拟相比能够更好的、更科学合理的对地下水流的实际情况进行描述。从总体来看，实际流场、随机模型、确定模型三者的水位过程线大体保持相同，但后者将水文地质的参数和结构考虑在内，能够模拟实现更多的水流流动情况，更加贴近实际的水文地质情况，也能用在分析模型实现结果受到模型参数和结构不确定性影响时的的变化规律。图 观测孔水位误差图结语在对地下水进行模拟时，水文地质参数与模型结构都会影响模型拟合结果的准确度。本文以某平原为具体例子，借助有限元软件建立了水文地质的三维结构模型，对岩性的分布进行了模拟，并通过非线性规划的方法找出了不同岩性最佳的水文地质参数值，继而能够模拟得出随机水文地质参数场。地下水模拟的随机性受到水文地质参数随机性的影响，通过拟合观测孔水位变化和模型末流场来对随机模型和确定模型进行对比分析和验证，得到了下面的结论：（）在确定水文地质参数和岩性之间的关系时，非线性规划求解方式的准确性要高于根据经验赋予参数值的准确性，也更加可靠；（）总体而言，地下水模拟的随机模型和确定模型的变化趋势大致相同，拟合效果与实测场相比都表现良好，但随机模型与确定模型相比，可能性更多，在细节上的处理也较为精确，与实测流场拟合较接近。（）随机模型的误差是呈波动状态的，是一直变化的，而确定模型则表现出相反的趋势，其误差是一直不变的，这也从侧面揭示了不确定性是随机模型的一个特性，并且随机水流模拟与确定模拟相比能够更科学合理的对地下水流的实际情况进行描述。参考文献 o o o o o o o oo o oo o o o （）：o o o o o：o o o o （）：刘猛，束龙仓，刘波 地下水数值模拟中的参数随机模拟 水利水电科技进展 （）：陈陆望，何建东，施小平，等 松散承压含水层水文地质参数分区及水流场数值模拟 现代地质 （）：第 卷第 期地下水 年 月