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地下水环境影响评价中数值模拟的关键问题讨论

北极星环保网  来源:《水电能源科学》  作者:金晓文 等  2019/8/28 9:07:48  我要投稿  

北极星环保网讯:1 模拟工作中的关键问题

1.1 水文地质模型的概化

水文地质概念模型是将含水层或含水系统实 际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和 补给排泄等条件进行合理的概化,以便进行数学 与物理模拟,是一项综合性、专业性的整理、分析 与概化工作。参考我国相关的国家标准和行业规 范,本文仅分析总结其中最为关键的边界条件问题。一般情况下边界范围应尽量以完整的水文地 质单元进行划分,边界条件宜以自然边界为计算 边界,尽量避免使用人为边界。表1为常用自然 边界的概化准则。其中需要特别注意的是,对于 具有明显季节性或周期性变化的地表水体来说,应利用FEFLOW 提供的时间序列功能将其定义 为随时间变化的“给定水头边界”。而对地下分水岭来说,地形分水岭只可近似概化为浅部地下水系统(受地形控制、径流短、交替快)的隔水边界, 中深层地下水系统的边界条件需依具体水文地质 条件而定,不能一概而论。更为重要的是对于影 响地下水水量大小和流场形态的建设项目来说, 应考虑项目实施对边界条件的潜在影响。

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2 初始模型的建立

2.1三维地质建模

三维地质建模是将水文地质概念模型中模型 范围和含水层结构通过计算机技术并利用有限元 网格建立起来的实体三维模型,即为地下水系统 中含水系统的建立,其精细程度将直接影响地下 水流动系统的模拟结果。一般可将三维地质模型 分为单一结构型(不涉及多套含水层的尖灭和复 杂的地质构造)和复杂空间型(多套含水层出露或 有特殊的地质构造)两种。建立流程均基于地勘 资料,依次构建地表和各含水层的顶底板高程模 型,最后进行空间离散。其中的关键点在于地表 高程模型的生成、含水层结构的刻画和空间离散。

(1)地表高程模型的生成。对一级评价项目 来说,模拟范围多以完整水文地质单元进行圈定, 模拟区面积一般较大,传统地形数据从获取到处 理均较为困难,推荐采用30m 精度的SRTM[ 2] 数据代替传统地形数据,利用 ArcGIS软件进行 统计、裁剪、转点等操作后,即可导入FEFLOW中。图2为地表高程模型生成的过程和最终效果。

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幸运飞艇图2地表高程建立过程示意图

幸运飞艇(2)含水层结构的刻画。一般来说刻画含水 层结构需要依靠大量钻探资料,实际工作中区域 钻探资料一般较少且获取困难,而场地工勘钻孔 一般未揭穿主要含水层且控制面积不足,故在地 质建模时需要合理简化含水层结构。对单一结构 型地质模型来说,确定各层的层厚或层厚变化的线性规律后,可根据地表高程减去某一常量或利 用线性公式进行计算得出,此工作可分区逐步开 展。而对于第四系局部分布的情况,在边界处建 立不同的缓冲区,减去的常量逐步趋近于零后即 可构建图3( a)的模型。对复杂空间型地质模型 来说,特别是具有多套地层出露或包含断层、向斜 和背斜等特殊地质构造的模型,在资料不足的情 况下刻画三维结构较为困难。有效的解决思路是 在野外调查前做好室内分析工作,充分利用区域 地质资料,掌握评价区基本的地层构架;进而有针 对性地设计野外工作,注重地层产状的实地测量;最后根据实测数据,合理概化地层和构造展布,基 于 GIS平台人工构造顶底板等值线或建立缓冲 区,并利用公式编辑功能分别计算高程属性,从而 得到各层顶底板标高。图3( b)即为利用上述方 法建立的某地区向斜盆地的三维地质模型。

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幸运飞艇图3单一结构型地质模型和复杂空间型地质模型示意图

(3)空间离散。空间离散实质上是网格化的 过程,包括水平离散和垂向离散。它是合理表达 概念模型同时满足求解精度、模拟时间与计算机 资源等限制的关键步骤。此项工作贯穿始终,是 一个需反复修改调整、多次试算的过程,主要目标 是降低数值振荡、确保模型收敛和减少求解时间。以溶质模型为例,对水平离散来说,在计算前应利 用Peclet数准则,推算污染源周围的网格间距, 利用FEFLOW 灵活的节点选择功能对不同的缓 冲距离进行逐级加密,这样既可以刻画出工程构 件的几何形态又可以控制数值振荡级别,在后期 污染晕出图时亦可保证较好的效果。根据实际经 验,一般来说污染面源幸运飞艇边界间隔达到1m 级别时 可较为有效地避免计算问题;而计算产生的负值 低于污染浓度1%时,结果基本可信;此外考虑到 求解时间,模型网格节点规模以不超过50万为宜。图4为某工程厂区与污染泄漏区的加密过 程,并给出了某矿区开采工程中酸性水库、尾矿库 和废石场的水平离散结果。当垂向上的水文地质 参数、含水层厚度差别较大、污染源所在含水层之 下数值振荡严重、存在断层等情况下,应考虑细分 垂向离散。对于有隔水层存在的情况,可通过在 隔水层上下设置过渡层的方式解决参数差异带来 的数值计算问题。


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图4水平离散一般过程示意及某矿区水平离散结果


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