地下水数值模拟（精选10篇）
地下水数值模拟 篇1
0引言
地下水在我国的供水中起着至关重要的作用,尤其是在地表水比较缺乏的北方地区[1]。但是,局部地区因地下水过量开采,也导致产生了含水层疏干、降水漏斗扩大、地下水污染、海水入侵、地面沉降等环境地质问题。随着水资源供需矛盾的日益突出,特别是最严格水资源管理制度的建立实施,加强对地下水的保护已为社会共识。肥城盆地因其特有的水文地质条件和日益迫切的地下水保护需求,成为我国北方岩溶地区加强地下水保护的典型代表。
肥城盆地位于鲁中南山区、泰山西麓,岩溶地下水是肥城盆地目前最主要的供水水源和唯一的饮用水水源。据调查,近十几年来随着人类活动的加剧,肥城盆地岩溶地下水开采量呈缓慢上升趋势,地下水位及地下水水质均有下降,对区域地下水环境也构成诸多威胁。在2006年刘红云[2]等人对肥城盆地内煤田区的第四系地下水进行了数值模拟,然而对整个肥城盆地及最重要的岩溶地下水的模拟相对较少。因此,采用较为可靠的模拟模型和预测分析方法对整个肥城区域地下水发展形势加以判断和提前干预,对实现该地区地下水资源可持续开发利用具有重要意义。
1研究区概况
1.1研究区范围确定
肥城盆地四面环山,中间低洼,中心处分布着奥陶系灰岩丘陵,海拔在60~200m不等,山体部分大多为石灰岩和花岗片麻岩组成的低山丘陵,海拔在250~670 m之间。整个肥城盆地作为模拟区域,研究区面积为1 408.8km2。
肥城盆地气候属于北温带大陆性半湿润季风气候,多年平均气温是12.9℃,多年平均降水量为644.9mm,降水集中在7 -9三个月。
肥城盆地主要河流为康王河和汇河属于黄河流域中的大汶河水系。汇河发源于肥城市湖屯镇陶山山区,总长度约42 km,在西部贯穿盆地南北,康王河自东向西横卧盆地中间,发源于泰安市道朗镇和肥城潮泉镇的东北部山区,由东向西流动,全长大约70km,河床宽200~300m[2],流域总面积为428 km2,是肥城盆地内的主要河道。两河在肥城市石横镇汇合成康汇河后注入大汶河[3]。
肥城盆地具有独立的补给与排泄系统,是一个相对完整的水文地质单元。在盆地东南部及东部奥陶系及寒武系地层广泛出露,大气降水沿地层构造裂隙垂直入渗,补给各含水层。 盆地北部及东北部大气降水既能补给第四系潜水,也能补给隐伏于盆地内的奥陶系灰岩含水层[4]。
1.2社会经济概况
肥城盆地内的工业经济涉及电力、煤炭、化肥、焦炭、冶金、 橡胶、制盐、造纸、食品、肉联等行业,目前从老城到石横已形成一条工业集中带,成为肥城经济的核心区。
1.3含水层结构的概化
研究区的含水层在垂向上可以概化为潜水含水层、弱透水层和中深层承压含水层[5]。
第四系孔隙水含水层主要分布于盆地平原区,一般厚度为20~30m,最深可达50m,盆地西部含水层为湖洪积砂礓层, 水质一般,水量较小。第四系潜水水力坡度为0.4%,流向西南,肥城盆地第四系潜水主要靠东北部山区的风化裂隙水及大气降水补给。
盆地第四系地层与奥陶系灰岩之间有一层厚度较大且隔水性能好的淤泥质黏性土可以概化为弱透水层,因而奥陶系灰岩含水层与第四系孔隙水之间没有直接的水力联系[3]。
岩溶地下水以垂直渗透为主,水位埋深较大。地下水位受季节影响很大,年均变幅30~50m,单井涌水量差别也很大,一般在30~180 m3/h范围内[3]。 承压含水层水力坡度为0.008%,水位埋深由东向西逐渐变浅,在西南东平县以泉的形式溢出,但因水位下降,泉已干枯。
1.4研究区边界的概化
肥城盆地四面环山,中间低洼处分布着奥陶系灰岩丘陵, 是完整的水文地质单元,水文地质边界条件较清楚。肥城盆地的侧向边界为:盆地四周都是山体,北部是变质岩山脉,可以概化为隔水边界;盆地东部、西部、西北部及南部都是分水岭边界,分水岭处是由奥陶系灰岩和寒武系灰岩组成,可以定义为流量为零的边界即第二类边界;西南以大汶河和汇河交汇处为边界,可以概化为定水头边界。
肥城盆地的垂向边界为:盆地研究区的上边界为地表,且研究区内冲洪积平原下距离地表300m深处是完整基岩,因此下边界(岩溶底板)可以定义为隔水边界。
综上所述,可将肥城盆地概化为一个统一的非均质、各向同性、三维非稳定地下水流系统。
2地下水数学建模及求解
2.1地下水数学模型的建立
地下水数学模型是用来描述地下水水头、水温及水质等现象及其变化过程的数学表达公式,它是用数学方法表述经过简化和概化的地下水系统。其数学公式及定解条件如下:
式中:D为渗流区域;H为地下水水头,m;Kx,Ky,Kz为x,y,z方向上的渗透系数,m/d;S为自由水面之下的含水层单位储水系数,1/m;W为承压含水层源汇项,1/d;p为潜水面的蒸发量和降水的补给量等,1/d;μd为潜水含水层重力给水度;H0(x, y,z)为初始流场水头分布值,m;H1(x,y,z,t)为第一类边界水头分布值,m;q(x,y,z,t)为第二类边界单位面积流量,m3/(m2·d);Kn为边界面外线方向的渗透系数,m/d;Г1、Г2为渗流区第一、第二类边界。
2.2地下水数学模型的求解软件
为了求解上述数学模型,需要把模型中的二阶非线性偏微分方程转化为线性方程之后再求解,目前人们常采用数值法来求解,本文即是运用基于有限差分法的Visual MODFLOW 4.2软件[6,7,8]来求解上述的地下水数学模型。
2.3网格剖分
肥城盆地东西宽55.3km,南北长45.8km,根据盆地内地层结构特征、水力特征、流场特征、模拟精度及边界条件等要求,将整个肥城盆地剖分为150×150的单元格,垂向为三层。
2.4水文地质参数确定
通过水文地质物探及钻探或抽水试验得到的参数数据进行汇总,得到该区域含水层的水文地质参数。根据肥城盆地各初始参数的分布规律及渗流场的特征,将该研究区划分为5个参数区域。
2.5源汇项确定
肥城盆地岩溶地下水系统的源汇项主要包括补给项与排泄项。补给项包括降雨入渗补给、河流渗漏补给等;排泄项包括潜水蒸发排泄、人工开采排泄等。
2.5.1降水入渗补给
肥城盆地年内降雨差异也较大,其中汛期6-9月份降雨量占全年的72%~75%,形成春秋两旱夹一涝的自然规律。盆地多年平均降雨644.9mm,降水较为丰富但年际变化大且时空分布不均。
2.5.2河流渗漏补给
地表河流的渗漏是研究区内潜水的重要补给源,肥城盆地内的水系主要有康王河和汇河。康王河发源于泰安市岱岳区道朗镇山区,总流域面积427.7km2,是肥城市主要山洪河道之一。
2.5.3潜水蒸发排泄
研究区潜水含水层水位埋深较浅,所以潜水蒸发是本区排泄项之一。肥城盆地多年平均蒸发量为1 224.5 mm,采用Visual MODFLOW中的Evapotranspiration模块处理。
2.5.4人工开采排泄
据调查,肥城盆地近十几年来岩溶地下水开采总量从2000年的6 980万m3增加到2012年的8 005万m3。
3模型的识别与验证
3.1模型的识别
本次数学模型的识别采用的是试估- 校正法对源汇项和参数进行多次的调整和修改,使整个模型得到比较理想的效果。根据已有的肥城盆地地下水动态观测资料,选取2008年1月1日至2009年12月31日为本次模型研究的识别阶段。
选择2008年1月1日肥城盆地地下水位观测值为本次模型识别的初始流场,通过2008年2月1日和2009年12月31日的具有代表性的8眼观测井的模拟地下水位和观测水位进行拟合,拟合结果如图1、2所示。拟合结果表明,该模型在识别阶段能够真实反映肥城盆地研究区地下水流场,并且水位拟合效果较好。肥城盆地在模型识别后的水文地质参数见表1。
3.2模型的验证
在模型识别的基础上,选取2010年1月1日至2011年12月31日为本模型的验证阶段。以2010年1月1日的地下水位作为本次模型的初始流场,各水文地质参数及边界条件均与识别期相同,开采量为2010年及2011年的实际开采量7.85× 107、7.92×107m3,开采井增加为90眼,拟合结果如图3、4所示,代表井拟合误差值统计表如表2所示。
由表2的统计结果表明,肥城盆地模型在识别期水位观测值与模型计算值拟合误差小于0.5m的观测井数占总井数的80%;而小于1m的观测井数占总井数的93.3%。由此可以表明,该模型在验证期也能够真实反映肥城盆地研究区地下水流场。
综上所述可知,肥城盆地这个非均质、各向同性、三维非稳定地下水数值模型符合肥城盆地的实际水文地质条件,因此可以利用该模型对肥城盆地岩溶地下水流场变化趋势进行预测。
4研究区地下水位预测
4.1开采方案确定
现基于Visual MODFLOW对肥城盆地3种不同开采方案下岩溶地下水流场进行模拟。3种开采方案分别为:1经济发展型———肥城盆地岩溶地下水开采量持续增加,由2013年的8 082.5万m3增长到2018年的8 470万m3。 2稳定不变型———保持现有开采水平与开采布局的条件。3资源保护型———为了控制上述预测结果中至2018年降落漏斗面积增大的问题,对肥城盆地农业、工业及城镇生活用水进行规划,在采取多项节水措施的条件下,用水量将由2012年的8 005万m3减少至6 005万m3,预测至2018年岩溶层降落漏斗和漏斗中心水位的变化。
4.2建立预测模型
本研究选取2012年12月31日的肥城盆地地下水流场作为水位预报的初始流场,从2013年开始运用识别和验证过的模型预测未来6年盆地内的地下水位变化情况,其他参数及计算条件参照2012年确定。
4.3肥城盆地地下水位动态预测
由模型预测的结果可以得到不同开采条件下代表井地下水位变化趋势图和2018年12月31日地下水位等值线图,如图5~图10所示。
4.4预测结果分析
(1)由图5~图7不同开采方案下各代表井深层地下水位变化趋势预测图可知:1年降水丰枯交替的情况下,各开采方案条件下肥城盆地地下水位仍有年际周期性变化的规律特征, 且枯水年研究区年内地下水位变化较大;2同一时刻,方案一(经济发展型)因为开采量最大,导致地下水位下降最快,水位值最小,方案二(稳定不变型)次之,方案三(资源保护型)因采取节水措施,有效缓解了地下水位的下降,且随着节水量的不断增大,盆地内地下水位有所回升,因此该方案下的肥城盆地地下水位最高。
(2)由图8~图10不同开采方案下预测2018年12月31日岩溶地下水流场预测图可知:1在岩溶地下水开采量逐渐增加的未来6年时间内,方案一(经济发展型)和方案二(稳定不变型)的开采条件下的降落漏斗面积较预测的初始流场均有扩大;方案三(资源保护型)开采条件下的降落漏斗面积较初始流场有所减少。2在各开采条件下方案一(经济发展型)中研究区内的降落漏斗面积最大,在中心漏斗处水位下降幅度也最大,方案二(稳定不变型)次之,方案三(资源保护型)最小。
5结语
从肥城盆地的地质及水文地质条件出发,分析了盆地内含水系统结构特征,并对研究区边界进行概化,建立了研究区的水文地质概念模型;然后在水文地质概念模型的基础上建立了数学模型;运用Visual MODFLOW软件对研究区地下水系统进行数值模拟,通过对数学模型进行识别及验证,结果表明:所建立的非均质、各向同性、三维非稳定流数值模型基本符合肥城盆地的实际水文地质条件;最后将识别及验证后的模型运用到肥城盆地未来六年不同开采方案下岩溶地下水流场的预测中,为肥城盆地岩溶地下水开采提供了参考。
本文主要对肥城盆地水位动态变化进行了研究,而未考虑水质的变化规律,未进行溶质运移的模拟,还需要在未来研究中利用Visual MODFLOW建立研究区水质模型对水质进行分析和预测。
摘要：运用水文地质学、地下水动力学等专业理论知识,在分析肥城盆地含水层结构和研究区边界等条件的基础上建立研究区水文地质概念模型和数学模型,运用Visual MODFLOW软件对建立的研究区模型进行计算求解。通过参数调试,软件计算地下水位值与实际观测值拟合较好,证明所建模型有效合理。并预报了研究区未来六年地下水流场的动态变化情况,为肥城盆地地下水的可持续开发利用提供了科学依据。
关键词：肥城盆地,Visual MODFLOW,数值模拟,预测
参考文献
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地下水数值模拟 篇2
平阴县前寨-凌庄水源地地下水数值模拟
根据平阴县前寨-凌庄水源地的.水文地质条件,建立了裂隙岩溶水的平面二维非稳定地下水流模型,并应用Modflow软件对该区地下水流进行数值模拟.在进行计算区剖分、空间离散、参数分区、边界条件及源汇项处理与模型识别、验证的基础上,通过预测分析得出:该水源地按设计开采量开采后,地下水位不会出现持续下降趋势,最大降深在允许范围之内,因而也不会诱发环境地质问题.
作 者：王福花 朱国庆 张诚 王峰 WANG Fu-hua ZHU Guo-qing ZHANG Cheng WANG Feng 作者单位：山东省第一地质矿产勘查院,山东,济南,250014刊 名：山东国土资源英文刊名：LAND AND RESOURCES IN SHANGDONG PROVINCE年，卷(期)：25(7)分类号：P641.2关键词：Modflow 数值模拟 地下水水源地 平阴县
岩土工程数值模拟方法的发展 篇3
关键词：岩土工程 数值模拟有限差分有限元边界 元离散 元无界元
1.引言
近几十年来，随着计算机应用的发展，数值计算方法在岩土工程问题分析中迅速得到了广泛应用，大大推动了岩土（体）力学的发展。在岩土（体）力学中所用的数值方法主要有以下几种：有限差分法、有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等。下面就对这些方法进行简要的介绍和分析。
2.有限差分法
有限差分法是一种比较古老且应用较广的一种数值方法。它的基本思想是将待解决问题的基本方程和边界条件近似地用差分方程来表示，这样就把求解微分方程的问题转化为求解代数方程的问题。亦即它将实际的物理过程在时间和空间上离散，分解成有限数量的有限差分量，近似假设这些差分量足够小，以致在差分量的变化范围内物体的性能和物理过程都是均匀的，并且可以用来描述物理现象的定律，只是在差分量之间发生阶跃式变化。有限差分法的原理是将实际连续的物理过程离散化，近似地置换成一连串的阶跃过程，用函数在一些特定点的有限差商代替微商，建立与原微分方程相应的差分方程，从而将微分方程转化为一组代数方程，通常采用“显式”时间步进方法来求解代数方程组。
3.有限单元法
有限元法将连续的求解域离散为有限数量单元的组合体，解析地模拟或逼近求解区域。由于单元能按各种不同的联结方式组合在一起，且单元本身又可有不同的几何形状，所以可以适应各种复杂几何形状的求解域。它的原理是利用每个单元内假设的近似函数来表示求解区域上待求的未知场函数，单元内的近似函数由未知场函数在各个单元节点上的数值以及插值函数表达。这就使未知场函数的节点值成为新未知量，把一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。只要解出节点未知量，便可以确定单元组合体上的场函数，随着单元数目的增加，近似解收敛于精确解。按所选未知量的类型，有限元法可分为位移型、平衡型和混合型有限元法。位移型有限元法在计算机上更易实现，且易推广到非线性和动力效应等方面，故比其他类型的有限元法应用广泛。
4.边界元法
边界元法出现在20 世纪60 年代，是一种求解边值问题的数值方法。它是以Betti 互等定理为基础，有直接法与间接法两种。直接边界元法是以互等定理为基础建立起来的，而间接边界元法是以叠加原理为基础建立起来的。边界元法原理是把边值问题归结为求解边界积分方程的问题，在边界上划分单元，求边界积分方程的数值解，进而求出区域内任意点的场变量，故又称为边界积分方程法。边界元法只需对边界进行离散和积分，与有限元法相比，具有降低维数、输入数据较简单、计算工作量少、精度高等优点。比较适合于在无限域或半无限域问题的求解，尤其是等效均质围岩地下工程问题。边界元法的基本解本身就有奇异性，可以比较方便地处理所谓奇异性问题，故目前边界元法得到研究人员的青睐。
5.加权余量法
加权余量法也是一种求解微分方程的数值法，它在流体力学、热传导以及化学工程等方面应用较广。它具有两个方面的优点：①由于加权余量法是直接从控制方程出发去求解问题，理论简单，不需要复杂的数学处理，且它的应用与问题的能量泛函是否存在无关，因而它的应用范围较广，利用加权余量法这一优点去建立有限单元的刚度矩阵，可以大大扩展有限元法的应用范围；②加权余量法的计算程序简单，要求解的代数方程组阶数较低，对计算机内存容量要求不高，计算所需要的原始数据较少，这样就大大减轻了准备工作量。
6.半解析元法
半解析元法是Y. K. Cheung 于1968 年提出来的，同有限元法一样，它也是基于变分原理的。不同点是半解析元法根据结构的类型和特点，利用部分已有的解析结果，选择一定的位移函数，使解沿某些方向直接引入已知解析函数系列，而不再离散为数值计算点，因此自由度和计算量大大降低。这几年半解析法发展很快，种类很多，主要包括有限条法、有限层法、有限厚条法、有限壳条法、样条有限元法以及无限元法等。这类方法适用于求解高维、无限域及动力场等较复杂的问题。
7.无界元法
无界元法是P. Bettess 于1977 年提出来的，用于解决用有限元法求解无限域问题时，人们常会遇到的“计算范围和边界条件不易确定”的问题，是有限元法的推广。其基本思想是适当地选取形函数和位移函数，使得当局部坐标趋近于1 时，整体坐标趋于无穷大而位移为零，从而满足计算范围无限大和无限远处位移为零的条件。它与有限元法等数值方法耦合对于解决岩土（体）力学问题也是一种有效方法。上述介绍的几种数值法都是针对连续介质的，只能获得某一荷载或边界条件下的稳定解。
8.离散单元法
离散单元法随着非连续岩石力学的发展而不断进步，与现有的连续介质力学方法相比，还有以下问题需要研究：
（1）刚体离散单元法是基于非连续岩石力学的，更适合于低应力状态下具有明显发育构造面的坚硬岩体的变形失稳分析。对于软弱破碎、节理裂隙非常发育和高应力状态下的岩体变形失稳分析，则不适合。
（2）岩体介质种类繁多，性质非常复杂。在通常情况下，节理岩体或颗粒体表现为非均质和各向异性，并且常表现有很强的非线性，所处的地质环境不尽相同，这就使得岩土工程计算有很多不确定性因素。离散元的主要计算参数（如阻尼参数、刚度系数），影响到岩土工程稳定过程的正确模拟以及最终结果的可靠性，尤其是离散元计算中的参数选取，没有统一和完善的确定方法。
（3）计算时步的确定。现在的选取原则是出于满足数学方程趋于收敛的条件，与实际工程问题中的“时间”概念如何联系起来，合理地考虑时间效应，是今后需要研究的问题。
（4）迭代运算的时间较长。用计算机进行离散元计算时，CPU 占用时间较多，特别是在考虑岩块变形的情况下，模型划分单元数受到限制，对迭代方法需做进一步的改进。
9.刚体节理元法
刚体节理元法是Asai 在1981 年提出的，它是在Cundall 刚体离散元间夹有Goodman 节理单元的组合单元，但此节理单元有一定厚度而使离散元间不能“叠合”。刚体节理元法也可考虑不含节理单元的情况，即所谓的单一三角形刚体元非连续变形分析法，是石根华博士和古德曼教授于1984 年首次提出的一种新型数值分析方法，至1988 年该方法已形成了一种较为完整的数值计算方法体系。非连续变形分析方法以严格遵循经典力学规则为基础，是一种平行于有限元法的数值计算方法。
10.流形元方法
地下水数值模拟 篇4
工作区位于山东省汶上县南部,地处鲁中山地泰沂山区西南部的山前倾斜平原地带,由黄河及汶河多次冲、洪积作用叠加而成。大致以京杭运河为界,东北部为汶河冲、洪积扇的中部至前缘地带,西南部为黄河冲积平原区。研究区大部处在汶河冲、洪积扇区。全区地势总趋势为东北部高、西南部低。地面标高多在38～49m之间,平均地面坡降0.25‰。总体地形较平坦,局部地段略有起伏。
本区属于淮河水系南四湖流域。主要河流有京杭大运河、泉河、新赵王河、红旗河及洸府河。除京杭大运河长年流水外,其余均为季节性河流。
全区第四系厚0～240m,一般厚60～200m。除个别地点有基岩残丘裸露外,其余均为第四系所覆盖。第四系之下绝大部分地段为寒武一奥陶系地层,仅在南部局部地段为石炭—二迭系地层,研究区也因此被分割为蜀山背斜和双庙地垒两个岩溶水系统。
2 模拟区范围的确定
研究区包括蜀山背斜岩溶水系统与双庙地垒岩溶水系统。其中蜀山背斜岩溶水系统西南部与区外岩溶水系统互为一体,无明显自然边界。为了避免人为划界的随意性,在进行数值模拟计算时,将西南部边界分别向西和向南扩展到马村断裂与嘉祥南部的地表自然分水岭一带;双庙地垒岩溶水系统与兖西地区岩溶水系统关系密切,为了正确评价本区岩溶地下水可开采资源量及拟建水源地对相邻地区的影响程度,将双庙地垒岩溶水系统的计算边界向东延伸至兖州西部一带,将兖西地区岩溶水系统包括在内,并将二者作为一个统一的水文地质单元进行计算。建立模型时,将两个计算区合为一体,故实际参加计算面积包括了两个计算区及其之间的煤系地层分布区,总面积约964km2。
3 水文地质概念模型
3.1 水文地质结构模型
本区岩溶含水岩组大部分为隐伏型,孔隙含水岩组分布广泛,二者之间分布有不连续的黏性土弱透水层或煤系地层。孔隙含水岩组通过弱透水层与岩溶含水岩组存在着补给与被补给的关系,但各地的补给强度不同。据此,可将研究区概化为3层结构(图1),第1层为孔隙含水层,按潜水-承压水处理;第2层为弱透水层(包括孔隙含水层底板以下的黏土层和隐伏灰岩边界附近的煤系地层),只考虑垂向一维流;第3层为裂隙岩溶含水层,具承压性。其中上、下层不完全重合,且各层的厚度也不稳定。
3.2 边界条件的处理
考虑到岩溶含水系统的完整性,以及边界有可能对评价区计算结果造成一定影响,在确定模型边界时的主要原则为:尽量以自然边界作为模型边界;在没有自然边界的情况下,模型边界尽可能远,以减小边界对评价区计算结果的影响。基于以上原则,结合本区实际水文地质条件,计算区孔隙含水层一般不存在自然边界,计算过程中按第二类流量边界处理。而对岩溶含水层的水文地质边界则作以下处理:
(1)计算区东部边界的北段以嵫阳断裂为界,作透水边界;东部边界中段与煤系地层接触,作隔水边界;东部边界南段,通过埋藏型岩溶含水层向区外径流排泄;为透水边界。
(2)西部以马村断裂为界,北段隔水,南段具透水作用,但从地下水流向分析,该地段区内、外水量交换较小,在不影响重点研究地段计算结果的前提下,将本边界南段处理为零流量边界。
(3)南部与煤系地层接触,为隔水边界;西南方向,即嘉祥以南裸露山区,由于山脊较高,山体宽厚,可认为地下分水岭与地表分水岭基本一致,流域内与流域外无水力联系,且山体东侧分布有寒武系下统砂岩、页岩地层,透水性弱,故西南部边界亦作隔水边界处理。
(4)北部以郓城断裂为界,郓城断裂以北为晚近系和煤系地层,厚度大,裂隙岩溶含水岩组埋深也大,故该地段以郓城断裂为计算区隔水边界。
(5)潜水含水层自由水面为模型的上边界,通过该边界,潜水与系统外发生垂向水量交换,如接受大气降水入渗补给、河渠补给、农灌入渗补给、蒸发排泄等。
(6)本地区最大岩溶发育深度为600m左右,故数值模型的底边界以埋深600m为界,600m以下视为隔水底板。
(7)有些地段,由于裂隙岩溶含水岩组与隔水地层的过渡并非是突变的,而是呈契型逐渐过渡为隔水地层,即跨过地层界线后,裂隙岩溶含水岩组的埋深逐渐增大。为了符合本次计算模型以埋深600m为底界的要求,计算区边界外扩至裂隙岩溶含水岩组顶板埋深600m界线处。
4 数学模型的建立
研究区地下水补排量和水位动态随时间而变化,表现了非稳定流特性;受构造影响,岩溶发育呈现明显的各向异性;水文地质参数空间上各异,反映了系统的非均质性。因此,本地区地下水系统可作为非均质、各向异性、三维非稳定流模型来研究。在不考虑弱透水层自身弹性释水的情况下,可用下列微分方程和定解条件来描述本地区地下水系统:
式中,Ω—渗流区域;
h—含水层水位标高(m);
h0—含水层初始水位(m);
hs—地表河流水位标高(m);
Kx、Ky、Kz—分别为x、y、z方向的渗透系数(m/d);
S—承压含水层储水系数;
μ—孔隙含水层给水度;
ε—含水层的源汇项(1/d);
Γ0—渗流区域的上边界,即地下水的自由表面;
Γ1—渗流区域的二类边界,包括含水层隔水底边界和渗流区域的侧向流量边界;
p—孔隙水的蒸发和降水补给等(1/d);
Γ2—混合边界,即地表河流边界;
r—边界面的法线方向;
Kn—边界面法向方向的渗透系数(m/d);
q(x,y,z,t)—定义为二类边界的单位面积流量(m3/d·m);
σ—河底部弱透水层的阻力系数,σ=L/Ks,L为底部弱透水层厚度(m),Ks为河流底部弱透水层垂向渗透系数(m/d)。
5 地下水补排项的确定
侧向流入与流出量是一个随季节变化的量,模拟时,用达西定理初步估算给定,计算过程中根据拟合情况适当进行调整,并根据所处季节不同分时段给定。
大气降水入渗量和农业灌溉回渗量,采用常用公式及本地区试验系数计算得出。
地下水和河流之间的补排关系由模型通过地下水位和河水位差以及阻力系数计算得出。
根据以往研究资料,本地区蒸发量与地下水水位埋深的关系可以下式表示,且在水位埋深大于4m时,蒸发作用微弱,一般认为可忽略不计:
E=1277e-1.45△
式中,E—潜水蒸发强度(mm/a);△—潜水水位埋深(m)。
以上各垂向补、排量除地表河流按第三类边界由模型自动计算外,其他各项经代数叠加后,统一换算成补给强度(m/d),作为一个模块输入模型。
模型识别与验证时采用现状开采量,分为农业开采、生活饮用水开采及工业用水集中开采。农业与生活饮用水开采量根据重点地段的统计结果推算至整个模拟区,并参考水利部门资料和以往工作成果分时段综合给定;工业用水主要开采对象为裂隙岩溶水,包括嘉祥城区开采量3.0×104m3/d、运河电厂长沟水源地开采量2.0×104m3/d等。模型预报时除以上现状开采量外,还考虑了南旺、河里第四系水源地及红运、长沟岩溶水源地等多个水源地的规划开采量。
6 模型的识别与验证
6.1 识别
模型的识别期为2004年5月12日至2004年8月26日,包括抽水试验期和水位恢复期。根据识别期间应力的变化(即抽水的延续性、间断性和降水的连续性、间断性等),将识别期划分为5个应力期(106天),同一应力期内地下水补排项相对稳定,每个应力期包括若干时间步长,时间步长为模型自动控制,严格控制每次迭代的误差。
识别时根据实际水文地质条件将各水文地质参数分为若干个区,并以抽水试验成果为基本依据为每个分区赋值,最后根据实测资料给定地下水初始流场。在模型计算模拟过程中再对各项参数分区范围及其参数值进行调整,最终得出优化结果。图2是模型识别期岩溶水计算、实测流场拟合结果。由图可见,计算与实测数据拟合程度较高。经优化后,全区大气降水入渗系数口的取值范围为0.22～0.35,并将储水系数S (给水度μ)分为14个区,孔隙含水层与岩溶含水层渗透系数K1、K3分别分为16个区和11个区,弱透水层垂向渗透系数K2分为12个区。从识别期地下水系统水量均衡情况看,大气降水是研究区最主要的补给来源,侧向流出则是识别期整个地下水系统主要的排泄途径。对于岩溶水来说,侧向流出主要发生在兖西岩溶水系统南部(对整个计算区而言系东南部)边界处,该排泄量将来开采状态下可转化为开采资源,成为增加开采资源的一个途径。
6.2 验证
为了检验模型识别结果的准确性,选用长期观测资料对其进行验证,验证期为2003年6月初到2004年5月初,划分为13个应力期,计326天,基本构成一个完整的水文年。在验证期内,将经识别后的各项水文地质参数代入验证模型,进行计算、实测水位与流场拟合,如果拟合效果良好,则说明识别参数可代表模拟区实际水文地质条件。否则,则需要重新回到识别模型继续调试,直到达到要求为止。图3为模型验证期岩溶水计算与实测水位曲线拟合图,由图可见,计算、实测水位曲线拟合程度较高。从验证期地下水量均衡表(表1)看,2003年6月下旬至2004年5月上旬,孔隙水系统与岩溶水系统均为正均衡,地下水位上升,与实测情况一致,说明计算结果可靠。
7 水源地岩溶地下水允许开采量及水位预报
7.1 预报模型
将识别与验证模型稍加调整即得预报模型。根据勘察结果,选择邵庄、东刘庄及双庙较强富水地段为模拟开采水源地,采用1983～2004年连续22年的降水资料,并以2004年底水位标高为基本依据为模型赋水位初值。给定开采约束条件,输入拟定的开采方案,预测在拟定方案开采状态下地下水位动态和流场变化过程,满足约束条件则说明方案可行,否则需重新调整方案。
7.2 开采约束条件
预报开采资源量应以符合目前开采技术条件、不影响农业用水和已有水源地正常运行为基本原则。根据该原则限定预报开采约束条件为:
(1)根据现有开采技术和本区水文地质条件,参考长沟水源地以水源地水位埋深40m进行设计安装,故本模型预报计算时设定开采主孔附近观测孔水位最大埋深不应超过40m,岩溶含水层正常年份平均水位埋深应不大于20m;
(2)根据现有农田灌溉井的成井深度和实际取水能力,由岩溶水开采引起的孔隙水水位降深应不大于2.0m;
(3)预报水源地开采总量不能超过区域岩溶水开采资源总量。
(4)开采状态下各类型地下水水位不应出现持续下降趋势。
7.3 预报方案的确定
根据本区地下水开发利用现状和实际水文地质条件,拟定以下2种预报方案:
方案1:维持嘉祥、长沟岩溶水现有实际开采量5.0×104 m3/d,增加红运水源地岩溶水4.5×104m3/d与南旺水源地孔隙水1.8×104m3/d规划开采量,计算与评价本次详查水源地岩溶水允许开采量;
方案2:在方案1基础上,进一步增加早期规划但至今仍未使用的河里水源地孔隙水3.0×104m3/d和长沟水源地规划新增岩溶水1.0×104m3/d的开采量,计算与评价该水源地岩溶水允许开采量。
7.4 允许开采量及水位预报
给模型分别输入以上2个方案的开采量值,通过反复计算,其结果是:在符合开采约束条件下,采用方案1,即只考虑增加红运、南旺水源地未来规划开采量时,邵庄、东刘庄及双庙水源地岩溶水允许开采量分别为6.0×104m3/d、2.96×104m3/d和1.2×104m3/d;采用方案2,即进一步扣除长沟、河里水源地未来规划开采量后,邵庄、东刘庄及双庙水源地岩溶水允许开采量分别为4.2×104m3/d、1.6×104m3/d和1.2×104m3/d。相应水位埋深及流场变化情况分别见表2和图4、图5。
7.5 预报开采量评价
从地下水流场预报图(图4、图5)看,开采22年后岩溶水降落漏斗范围较小,且第四系孔隙水并未在岩溶水源地附近形成降落漏斗,说明越流补给是面状的,岩溶水开采一般不会对孔隙水产生明显的局部降落漏斗。事实上,孔隙地下水目前还有相当一部分量是通过侧流、蒸发及补给地表河流等方式排泄的,将来开采状态下可最大限度的袭夺该部分排泄量而补尝地下水系统的开采量。故在允许的范围内合理开采,一般不会对孔隙水产生不良影响。
另外,京杭运河为南水北调东线工程的输水主干河道,工程实施后,本工作区段京杭运河将长年保持35m以上的高水位,对附近孔隙水具有长期补给作用。这不但有利于增加孔隙水的补给量,同时,也保证了孔隙水对岩溶含水层的越流补给。
本次数值模拟计算采用连续22年的降水资料;其中包括极枯年份与极丰年份,尤其包含了罕见的连续4个枯水年(1986～1989年),22年平均降水量602mm,低于多年平均(1956～2004年)降水量623.55mm,采用的降水量偏保守,故计算结果的保障程度是较高的。同时,本次数值模拟经过了历时40天的大型群孔抽水试验资料的识别和一个完整水文年长测资料的验证,计算结果的精度也应该是较高的;为合理开发和利用该地下水资源提供了科学依据。
摘要：蜀山背斜—双庙地垒岩溶地下水是近年来鲁西南地区勘探开发的一项重要水资源,对鲁西南地区工农业的发展具有重要意义。为此,本文对蜀山背斜—双庙地垒岩溶地下水资源进行了深入研究,并对邵庄、东刘庄、双庙3个拟建水源地在不同开采方案下的允许开采量及其水位进行了预报,为合理开发和利用该地下水资源提供了科学依据。
关键词：蜀山背斜—双庙地垒,岩溶地下水资源,数值模拟,预报
参考文献
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[2]薛禹群,朱学愚.地下水动力学[M].北京:地质出版社, 1979.
地下水数值模拟 篇5
粘土岩非饱和渗流模型在地下水运移过程中的数值模拟
根据实验室粘土岩非饱和渗流实验的结果,将考虑塑性应变硬化、Hoek-Brown和Mohr-Coulomb 3种非饱和渗流应力耦合模型应用于模拟某粘土岩竖井,研究了粘土岩在开挖、通风、衬砌支护及长期运营期,围岩内渗流从初始饱和→非饱和→近饱和的过程以及地应力和水力学参数(Biot系数、饱和度与毛细孔隙水压力关系、水相的相对渗透系数与饱和度关系)对围岩内的非饱和流动区域大小的影响.计算结果表明,水力学参数对非饱和渗流的影响区域非常显著,尤其是对水相的.相对渗透系数与饱和度的关系的影响.
作 者： 作者单位： 刊 名：岩石力学与工程学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 年，卷(期)：2003 22(z1) 分类号：O357.3 关键词：数值分析 非饱和渗流 耦合 本构模型 通风
地下水数值模拟 篇6
1 单辆车燃烧热释放速率分析
随着汽车工业发展,聚合材料使用增多,导致汽车单位质量可燃物热量增加,热释放速率增大。国内外26次全尺寸汽车燃烧试验显示,燃烧持续时间约60min,热释放速率峰值范围为1.50~9.85 MW,众值为4 MW,8MW峰值保证率达95%。法国进行了9次试验,提出单辆车燃烧的工程设计热释放速率参考曲线,见图1所示,其峰值为8 MW,并适用于车库内多车蔓延的扩展研究。
CIBW14和陈阵等经调查研究得到车库火灾荷载密度为200MJ/m2和209MJ/m2。图1中参考曲线积分得火灾荷载6 222 MJ,单车平均占地面积约为30m2,其火灾荷载密度为207 MJ/m2,该曲线与实际相符。笔者以单辆车燃烧的HRR参考曲线为基础开展车库火灾模拟研究。
2 火灾场景及工况设置
2.1 物理模型及火源设置
1975-1985年,德国地下车库火灾统计数据显示,无自喷系统时,平均每次烧毁车辆1.9 辆,有自喷系统时,平均每次烧毁车辆1.0辆。1986-1988年,美国404起车库火灾调查发现车辆间火灾蔓延不易发生,通常仅1辆车燃烧导致事故,见表1。
火灾在3辆车间蔓延的保证率可达99.5%,笔者对地下车库一个存车单元3个车位的火灾场景进行模拟,车库布置图见图2所示。
模型网格尺寸为0.2m×0.2m×0.2m,地下车库为8.4m×6.0m×3.4m,布置如图2(a)所示,8.4m柱网间设置3个车位,车辆尺寸为5.0m×1.8m×1.6m,车间距0.6m,中间车辆设为火源车辆。车库顶部和底部为钢筋混凝土,四周为开放边界。模拟中喷头高度为2.9m,动作温度68 ℃,RTI值为150 (m·s)1/2,喷射角度0°~88°,液滴直径1 000μm,喷头喷水孔径0.012 7m,保护面积8.4m2。
在各车上方、内部和车之间共设置5组温度测点T1~T20,每组4个,分别位于2.8、2.5、2.0、1.0m处。火源车辆车1中心、车1与车2之间、车1与车3之间设置温度切片,监测温度变化。辐射热测点R1~R4、R5~R8设置于车2和车3靠近火源车辆的一侧,位于0.8m处,测点间隔1.0m,如图2(b)所示。
2.2 工况设置
各国规范对车库自喷设计要求及可靠性不尽相同,见表2。GB 50084-2001(2005年版)《自动喷水灭火系统设计规范》考虑安全因素,定义汽车库危险等级为中危险 Ⅱ 级,喷水强度8.0L/(min·m2)。根据各国规范采用的喷水强度,设置模拟工况,见表3。
3 模拟结果
3.1 辐射热
现代汽车表面涂层含有聚氨酯类塑料材料,超过临界热流量16kW/m2,即可认为汽车被引燃。无自喷时,辐射热测点R1~R4的平均值随时间的变化规律,见图3(a)所示,最大辐射热值35kW/m2,持续500s左右,大于临界热流值16kW/m2,足以引燃车2和车3。
不同喷水强度下辐射热测点R1~R4的平均值变化曲线,见图3(b)所示。
工况2~工况6的峰值都小于临界热流值,不能引燃车2和车3,未造成蔓延,其喷头启动情况见表4。因各工况中喷头RTI值相同,首个启动喷头均为火源车辆正上方的喷头3,随着喷水强度和喷头流量的增大,喷头的启动数量减少。自喷头3启动后,不同喷水强度下的辐射热值均开始呈下降趋势,且喷水强度越大,辐射热峰值越小。喷水强度6.1、6.5、8.0L/(min·m2)的辐射热峰值均为0.7kW/m2左右,差异很小,且喷头启动个数均为2个。因此,根据辐射热模拟结果,车库喷水强度为6.1~8.0L/(min· m2)时可有效控灭火。
3.2 热释放速率
图4(a)为无喷淋时总热释放速率曲线,因辐射热大于临界值16kW/m2,车2和车3于650s后被引燃,蔓延燃烧至1 897s时达到热释放速率峰值17 454kW,其总火灾荷载为22 097 MJ。
虽然车辆燃烧时铝制的外壳为非可燃物,相当于灭遮挡火,但模拟显示不同喷水强度都可以成功控火,见图4(b)所示。
工况2~工况6中,自喷系统启动后,喷头3能够快速有效控制第一辆车的燃烧,阻止蔓延,各喷水强度的热释放速率曲线300s左右开始下降。因喷头RTI值相同,喷头3启动时间相近,总热释放速率峰值相近,见表5所示。控火时间作为判定控火效率的主要参数标准,与喷水强度密切相关,喷水强度越大控火时间越短,尽管喷水强度4.1L/(min·m2)启动喷头数量最多,但其所需控火时间却最长,是8.0L/(min·m2)的1.67倍。火场中,较短的控火时间能够减少损失和伤亡,可认为喷水强度5.0~8.0L/(min·m2)优于4.1L/(min·m2)。
3.3 温度
模拟环境温度为20 ℃,无自喷时测点T9~T12的温度变化,见图5(a)所示,约1 390s各测点达到最高温度,峰值温度依次为880、894、909、1 030 ℃,车库顶部至车1顶部间测点T9~T11温差微小,车内测点T12温度最高。当喷水强度为5.0L/(min·m2)的自喷系统启动后测点T9~T12 逐渐产生温差,见图5(b)所示。测点T9~T11约在300s达到峰值后温度开始下降,与无自喷时相比,测点T9~T11峰值温度依次下降了715、733、797 ℃,车上方各测点随着位置的降低温度降幅增大;位于车内的测点T12在267s时温度峰值约为680℃,虽然比车上方测点T9~T11峰值大,但较无自喷时峰值降低了350 ℃,持续至548s时温度已下降至100 ℃,说明水滴对车内降温冷却效果较好。其余工况测点T9~T12的温度变化趋势类似于图5(b)。
位于车1上方2.5 m处的测点T10,不同喷水强度下的温度变化趋势相近。无自喷时测点T10峰值温度高达894 ℃,不同喷水强度下的最高温度明显下降至160℃左右,见图6所示。不同喷水强度造成的差异主要体现在峰值过后,600s时工况2 与工况3 的温度均在44℃左右,而工况4与工况5的温度已降至34 ℃,工况6的温度低至27 ℃。显然喷水强度6.1~8.0L/(min·m2)能够更快达到降温效果,降低复燃的可能性。其余测点虽降温幅度不同,但趋势类似于图6,总体而言喷水强度越大降温效果越好,控火时间越短。
对比500s时工况1、2、4、6的温度切片,发现有无自喷时车之间切片的温度都低于火源车辆中心切片的温度。自喷能有效降低车上方、车内和车之间的温度,且喷水强度越大同一位置温度越低。喷水强度工况2时,车内温度260 ℃,高于工况4时的173 ℃与工况6时的140℃,工况4与工况6温差仅为33 ℃。可见,自工况4之后继续增大喷水强度,对降低车内温度的效果已不明显。
4 经济性比较
中国中Ⅰ危险等级是安全可靠又经济合理的车库自喷系统设计参数,计算结果见表6。
自喷系统中管网水泵等占总投资的60%~70%,系统管网的经济比较是设计计算的主要目的之一。在管网内经济流速为2.5~5.0m/s的前提下,采用折算流量系数法,对各工况最不利作用面积内喷头进行长方形布置和管网水力计算。经济性比较主要考虑表征供水设备投资的设计压力、设计流量,和表征管道施工和投资费用的单位面积管道长度和质量等影响因子,各工况的影响因子比值之和越大经济性越差,其均值为4.01,建议值(中国中Ⅰ危险等级)为3.91最接近平均值。
5 结论
利用FDS数值模拟方法研究了各国规定的自喷强度对车库火灾的控火效果:
(1)总结国内外汽车燃烧试验,结合现代车辆可燃材料使用量增多燃烧热增大的特点,单辆汽车燃烧的热释放速率峰值为8 MW更符合实际发展趋势。
(2)模拟结果显示无自喷时辐射热峰值超过临界热流值可导致车库火灾蔓延。有自喷时,可阻止车辆间火灾蔓延,且随着喷水强度增大,辐射热峰值降低,喷头启动数量减少,控火时间缩短,车内、车上方及车辆间温度也随之降低。发现喷水强度为6.1~8.0L/(min·m2)较4.1~5.0L/(min·m2)时辐射热降幅更大,控火时间更短,降温效果更好。
(3)在安全可靠性的基础上,选择经济合理的车库自喷设计参数,即喷水强度6.0L/(min·m2),作用面积160m2。
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地下工程安全性数值模拟分析 篇7
关键词：地下工程,安全,危险源,数值分析,围岩支护
0 引言
地下工程在21世纪发展是大趋势所在。然而,由于技术的限制、经济效益、各种人为以及自然因素的影响,地下工程的开发运用依然事故不断。地下结构中,由围岩支护这一结构体系决定地下结构的稳定性。围岩是天然的,取决于当地实际情况,支护的设计需根据围岩的情况来选择设计施工方法,以期使两者相互作用达到稳定。
本文的主要内容是基于重庆某人防工程实例为基础对某地下人防工程进行安全性的数值分析。采用有限元法,使用MidasGTS这个软件来进行分析,分析施工过程中的应力及位移变化,观察其是否处于正常稳定状态,借此为施工设计提供必要的依据。而在施工时必须借由实际检测数据以及现场情况来判定具体的施工方法。
1 安全性数值分析
此分析以重庆某人防工程实例为基础,利用Midas-GTS软件进而得出结果,分析此人防工程的围岩情况及其安全性。
图1即是根据现场地形、围岩分布情况而制作生成的地下工程项目的工程立体图。此人防工程项目建立区域纵向分为3个围岩层,其中主通道的直径为11 m,应急通道的直径为6 m,模型几何尺寸为80 m×60 m×60 m。
我们将整个模型的施工步骤分为了36步。整个模型按照几何尺寸要求并结合实际围岩情况建立,分析施工过程中施工工序,并分析施工过程中可能产生的最大应力值以及最大位移,对可能产生最大值的区域进行相对严格的监控,从应力及位移变化来分析其稳定安全性。分析结构是否符合设计的需要、使用需要。
2 应力分析
从图2我们可以很直观的看出,除了上层的软弱覆盖图层稳定性差而造成的应力大之外,就是主通道的地面部分应力大,由此证明了开挖造成围岩稳定性变差的理论。
从图3主通道在X方向上的应力等值线,可以看出主通道的侧壁受力大,证明采用适当衬砌的必要。
从图4可以明显的看出,整个通道的受力,应急通道基本是稳定的,主通道应力在衬砌顶部,而最大应力基本集中在主通道与应急通道的连接部分,数值达到1.1 MPa,而反向则达到3.9 MPa,如果是各向最大值则会更大。我们可以理解为由于这部分形成了夹角,造成了整个通道体系的应力集中,属于易遭破坏区域。因此,在进行衬砌施工时,必须对连接部分进行严格的监控,并需要对这部分加强衬砌支护。同时我们也可以看到在主通道口有一部分很小的区域应力值要明显大于旁边的部分,这是由于断层应力的不连续,各向应力集中到一个面上而造成的,因此有必要对洞口的边坡进行整治。
整体上,左侧位移、应力一般要大于右侧,原因是模型中洞室位置偏右,以及右侧有应急通道的洞室;就整体承载的应力而言,左侧要大于右侧,这主要是由于地应力很大一部分主要源自于自重应力。
3 现场检测
3.1 工程概况
该人防工程所在地区属于红土层区,构造剥蚀丘陵地貌。地形起伏较大,山脊与沟槽相间排列,地形总体为南高北低,地面高程375.00 m～415.00 m,相对高差约为40.00 m。总体地形坡度倾斜角约20°～30°。由于人类工程活动,场地北侧形成了高约2 m～17 m的岩质边坡,边坡总体倾向北东,坡角30°～65°,基岩裸露;在勘察区的东侧,形成了高为9 m～33.5 m的岩质边坡,坡角为15°～20°,坡面植被比较发育。场地主要底层为第四系人工填土、第四系全新统粉质及侏罗系中统沙溪庙组泥岩和砂岩互层组成。
3.2 监测工作计划
根据要求,主要监测内容包括:场地内高边坡地表变形,主坑道影响范围内地表变形。高边坡段监测重点包括水平与垂直位移测量,主坑道范围内监测重点是地表沉降。根据实际情况在已有的监测项目上增加了以下监测措施:
1)主坑道以上覆盖层地表沉降;2)高边坡地表位移;3)裂缝监测。
测点现场照片见图5。
本隧道洞口段,地质条件较差,属于重点监测地段,本监测组将断面间距定为8 m～12 m(见图6)。
3.3 监测数据
1号断面拱顶下沉情况见图7。
4 总结
本文利用数值分析软件Midas-GTS针对实际工程进行理论上的稳定分析。通过分析,我们发现,此人防工程的工程危险点基本可以概括为:拱顶、拱底仰拱部位及洞室连接部位,并且小洞径的应急通道稳定性要大于主通道,也许是模型的不全面性及应急通道的影响,主洞右侧壁稳定性稍大于左侧壁。所有稳定危险点需加大监测监控力度,并像对于通道连接处这些区域应当加大支护力度。而像仰拱部位的位移变化,由于仰拱的修建会阻止位移的进一步变化,所以仰拱的修建应当尽早进行。
1)根据本监测数据得出,隧道围岩收敛较小,在安全范围内,未出现异常现象。
2)隧道地质条件较差,有软弱夹层和水存在,围岩属于三级围岩,该隧道埋深较浅,建议施工方严格控制炸药用量,尽可能减少人为施工因素对围岩的扰动和损伤,以便于充分利用围岩自承力和支护结构作用来保持整个围岩支护结构体系的稳定。
3)隧道内泥水较多,给施工和监测带来不便,拱脚处泥岩遇水易软化,岩体强度降低,易发生坍塌事故,存在较大的安全隐患,建议施工单位做好排水工作。
4)建议在初次支护中,增加拱架的架设。
现场的监测监控是针对地下工程稳定管理的主要方式。通过分析监测数据了解工程是否处于稳定安全的状态,并且在发现数据异常的情况下必须及时针对实际情况尽快采取相应的治理措施。否则一旦发生意外则将导致事故甚至整个工程的垮塌。所以,现场监测监控必须是实时监控、及时治理。
地下水数值模拟 篇8
Visual MODFLOW (可视化三维有限差分地下水流模型) 由加拿大Waterloo水文地质公司在美国地质调查局20世纪80年代开发的MODFLOW软件的基础上开发研制的, 并于1994年8月首次在国际上公开发行[1]。这个软件包主要包括Modflow (水流评价) 、Modpath (平面和剖面流线示踪分析) 、MT3D (溶质运移评价) 和Zone Budget (水量均衡计算) 四大模块[2]。与其他数值模拟软件相比, 其突出特点是:1) 系统化。在数值模拟过程中, 把各个步骤紧密地连接起来, 从开始建模、输入和修改各类水文地质参数与几何参数、运行模型、反演校正参数一直到现实输出结果, 使整个过程从头到尾系统化、规范化[3];2) 可视化。可视化技术是展示分析数值模拟过程和最终结果的强有力的工具, Visual MOD-FLOW很好地体现了这项技术在地下水数值模拟评价过程中的应用效果[4]。
1 研究区概况
北京地铁大红门站位于北京地铁十号线二期最东端。北京地铁十号线二期是一条位于城市西南部的线路, 线路连同海淀、丰台、朝阳三个行政区。
北京平原区位于华北平原, 北依燕山山脉, 西接太行山山脉, 平原区地理坐标为东经115°25′～117°21′, 北纬39°27′～40°30′, 面积约6 400 km2。平原区地势为西北高、东南低。本合同段工作范围在北京市丰台区内, 该处的地貌类型为山前一级阶地, 沿线地形大致平坦, 略有起伏, 向东南倾斜。自然地面标高范围约在37.00 m～45.00 m之间, 整体地势为由北向南、由西向东逐渐降低。
场区第四系地层一般由西北向东南逐渐加厚, 大致为35 m～65 m, 并有粉粘颗粒夹层和透镜体。场区内潜水埋深大于20 m。场区所属线路铺设在第四系底层内。本勘察区地下水天然动态类型属渗入—径流型, 补给来源主要有大气降水、凉水河及其支流、引水渠及管沟渗漏、绿化地灌溉渗漏等垂直补给, 地表水与地下水之间存在水力联系, 同时有侧向径流补给。
2 数学模拟模型
根据上述水文地质条件, 可建立地下水的水文地质厂区的地下水流模型:
其中, Ψ为渗流区域;h为含水体的水位标高, m;h1为含水体的一类边界值;hr为混合边界的水位标高, m;Kx, Ky, Kz分别为x, y, z方向的渗透系数, m/d;Kn为边界面法向方向的渗透系数, m/d;S为自由面以下含水体储水系数, 1/m;μ为重力给水度;σ为河流底部弱透水层的阻力系数, σ=L/Ks, L为底部弱透水层的厚度, Ks为河流底部弱透水层垂向渗透系数, m/d;ε为源汇项, L/d;p为潜水面的蒸发和降水等, L/d;h0为含水体的初始水位分布, m;Γ0为渗流区域的上边界, 即地下水的自由表面;Γ1为含水体的一类边界;Γ2为渗流区域的侧向边界;Γ3为含水体的混合边界条件;Γ4为渗流区域的下边界, 即承压含水体底部的隔水边界;n为边界面的法线方向;q (x, y, z, t) 定义为二类边界的单宽流量, 流入为正, 流出为负。
3 研究区剖分和资料处理
对研究区域采用VMOD进行手动矩形网格剖分, 共剖分矩形网格单位7 755个。模拟期为2008年1月4日～2008年12月26日。根据地下水动态观测及降水特征将模拟期以月为时间步长划分为12个应力期。其中第一组6个应力期 (2008.07, 2008.08, 2008.09, 2008.10, 2008.11, 2008.12) , 地下水位总体较高;另外第二组6个应力期 (2008.01, 2008.02, 2008.03, 2008.04, 2008.05, 2008.06) , 地下水位总体较低。
根据含水层的埋藏条件及降水入渗能力, 将模拟区含水层分为四个参数区, 各参数区渗透系数及给水度初始值主要根据区内抽水试验资料确定 (见表1) 。
研究区的主要补给包括大气降水入渗补给、地下水侧向径流补给和河流入渗补给。
大气降水入渗补给:降水入渗补给是研究区补给的重要手段, 其入渗量与降水量、潜水水位埋深和研究区地层渗透系数有关。
地下水侧向径流补给:地下水侧向径流补给量主要计算了研究区东侧、南侧和西侧的侧向径流量。根据达西定律, 按下式计算:
其中, Qc为地下水侧向径流量, 104 m3/年;K为含水层渗透系数, m/d;I为水力坡度;B为断面宽度, m;M为含水层厚度, m;ΔT为计算时间, d。
根据上式, 依据动态观测数据确定边界流量随时间的变化趋势, 不同时期流场选取各段的水力梯度, 给定的水文地质参数初始值, 计算给定随时间变化的侧向补给量。
河流入渗补给量:研究区北侧为凉水河。利用模型中的河流模块自动计算地表水与地下水的水力联系。
4 模型的预报应用
据已掌握的地下水动态观测资料, 选择了距本次模拟计算时间较近的2008年1月2日的地下水位作为预测时的初始水位。利用第二组应力周期的长期观测地下水位动态观测数据对数学模型进行识别。由于对场区地层的水文地质条件认识较为清楚, 各水文地质参数值选择比较客观, 通过不断的调参拟合, 模型识别取得了比较理想的结果, 水位拟合最大误差绝对值为1.50 m, 平均值为0.22 m。模拟流场与实际流场也基本相同 (见图1) 。
通过对地下水水位、流场的计算与实测水位、流场的拟合统计分析说明所建立的水文地质概化模型和数学模型是合理的, 所建立的数学模型较真实, 可以用于地下水流系统的预测。
利用验证后的地下水流模型对场区2010年地下水系统进行预测。2010年大气降水, 根据实验场区所在北京市多年平均降雨量进行预测。
根据设定的预测条件, 利用识别好的模型进行场区地下水流场模拟, 预测结果为:地下水位在预测期内变化, 地下水水位标高最高出现于9月, 地下水水位埋深为20.22 m。
5 结语
通过对北京地铁十号线大红门站水文实验场地下水数值模拟的应用研究, 表明Visual MODFLOW操作方便、功能完善、预报准确性强, 具有广泛的应用和推广潜力。
在综合考虑数值模拟的预报结果以及水文实验场场区的水文地质条件的基础上, 利用Visual MODFLOW建立预警模型, 针对场区地下水位进行监测, 为工程项目的施工提供更多的依据, 保证工程项目的顺利进行。
摘要：结合Visual MODFLOW软件系统化和可视化的突出特点, 应用该软件建立地下水系统的数学模型, 对北京地铁十号线大红门站的水流情况进行了模拟和预测, 从而保证工程项目的顺利进行。
关键词：MODFLOW,数值模拟,地下水,预测
参考文献
[1]丁继红, 周德亮, 马生忠.国外地下水模拟软件的发展现状与趋势[J].勘察科学技术, 2002 (9) :41-42.
[2]武强, 董东林, 武钢, 等.水资源评价的可视化专业软件 (Visual MODFLOW) 与应用潜力[J].水文地质工程地质, 1999 (7) :35-36.
[3]王宏, 娄华君, 邹立芝.Modflow在华北平原区地下水库模拟中的应用[J].世界地质, 2006 (5) :21-22.
地下水数值模拟 篇9
模拟退火法是一种有别于常规最优化方法的算法。该方法可以克服目标函数局部极小的限制, 从而使反演获得全局最优解, 提高反演精度和效率。本文将研究区域进行网格化划分, 并结合模拟退火法对研究区域进行三维密度界面的数值模拟。通过分析, 取得了较好的反演结果。
1 方法原理及模型构建
1. 1 方法原理
模拟退火法源于统计热力物理学, 它模拟熔融状态下物体缓慢冷却达到结晶状态的物理过程. 模拟退火反演算法的基本思想是: 生成一系列参数向量模拟粒子的热运动, 通过缓慢地减小一个模拟温度的控制参数, 使模拟的系统最终冷却结晶达到系统能量最小值的过程。模拟退火法与传统寻优方法在迭代过程中对模型的接收上有所不同。模拟退火法不但接收误差能量减小的模型, 同时也以某种概率接收误差能量增加的模型。正是这种接收模式避免了迭代搜索过程陷入局部最优解的局面。这一突破点使该方法能够收敛到全局最优解。提高反演的精度和效率, 使反演结果更理想。
1. 1. 1 模拟退火算法
据王山山等［4］, 任义庆等［5］对算法的研究: 设反演的目标函数为E ( ml) , m ∈ Ω, m为模型, Ω 为反演的解空间 ( 模型空间) 。
假定有待反演的N个模型参数表示为:m=m1, m2, …, mN, 其中每一个mi有一个对应的模型空间[mimin, mimax]。其算法步骤为:
1) 随机产生一个初始模型m0, 设定系统的初始温度T0, 模型反演空间, 最大迭代次数, 拟合误差阀值 ε 等参数。令l = 0;
2) 对第l次迭代的模型参数值ml, 计算其目标函数E ( ml) , 计算温度Tl, 在模型空间里随机地修改模型参数值为ml +1。按下式计算修改的接收概率:
式 ( 1) 中: ΔE = E ( ml +1) - E ( ml) 为目标函数的差值。
若 ΔE < 0, 表明系统朝着能量减小的方向移动, 新模型ml +1可以概率1 接收。若 ΔE > 0, 计算概率p ( ΔE) 。显然, 0 < p ( ΔE) < 1。然后在[0, 1]中产生一个随机数R。若p ( ΔE) < R。则接收新模型ml +1。否则拒绝修改模型。
3) 计算目标函数E ( ml) , 若E ( ml +1) < ε 则退出, 否则l = l + 1, 转到第二步。
对于退火过程, 要求温度T随着迭代次数的增加而缓慢降低。本文采用双曲线下降型。
式 ( 2) 中: Tl为第l次迭代的温度, T0为初始温度, l为迭代次数。
初始温度T0不能太高, 否则增加计算时间, T0也不能太低, 否则模型选取不能覆盖整个模型空间, 只是在初始模型附近选取, 不能进行全局寻优。T0只能通过实验计算得到。
对于从模型参数值ml到ml +1的修改, 我们才有对ml的每个元素进行随机扰动从而得到ml +1。即
1. 2 模型构建
设定的研究区域为400 km × 60 km × 60 km。如图1 所示, 将研究区域划分为长方体。为了减小边界条件的影响, 我们在研究区域内的最外层将单元格的大小设定为: 10 km ×10 km ×10 km。将次外层设置为5 km ×5 km ×5 km。剩下的设置为2 km ×2 km × 2 km。相同大小的单元体的密度值相同, 如图1 所示。据明圆圆［6］等对模型构造的划分: 将图1 中的任意一个单元体置于图2 中。据陈胜早［7］对单元块重力异常的计算: 设其长宽高分别为a, b, c。取每个单元体的几何中心 ( ε, η, ζ) 为该单元的坐标。ρ为该单元体的剩余密度。则该单元体对其外一点p ( x, y, z) 产生的重力异常为
式 ( 4) 中:
由重力的可加性可得所有长方体在p ( x, y, z) 处产生的总的重力异常为
2 数值模拟
设置单元体大小为10 km × 10 km × 10 km的密度为: 2 600 kg/m3, 5 km ×5 km ×5 km的密度为:2 700 kg / m3, 2 km × 2 km × 2 km的密度为: 2 800kg / m3。为了编写程序的方便, 我们将这些密度按从左上角的单元格为起点, 顺时针旋转存储为一维的数组。并且先存储10 km × 10 km × 10 km, 继而是5 km ×5 km ×5 km, 最后存储2 km ×2 km ×2 km的密度。在平行于x方向, z = 0 分别布设三条测线, 即: y = 10, y = 30, y = 50。每条测线上设置100个观测点, 观测点之间的间距为4 km。这样, 把以上这些参数带入到编写的模拟退火法程序中。可以得出以下结果。
由于反演出来的密度数值的个数较多。我们在三种不同规模的单元格中各选取一定比例的密度数值对比。如图3 ~ 图5。图3 中: 红色表示反演的密度, 上层的绿色表示的是原始模型的密度。从数值上分析, 可知: 他们的误差很小。从图4 可以更进一步地分析, 他们差值的最大值不到0. 2 g/cm3。其反演精度很高。从图5 可以更进一步地看出, 其误差百分比最大不超过6%。以此说明, MSA方法的反演精度较高。
从图6 可以看出, 此图6 中包含了三条侧线的异常曲线对比。其中, 横坐标 ( 0 ~100) 表示第一条侧线, 后面依次为第二, 三条测线。反演出的重力异常与理论异常曲线吻合得非常好。从图7 中的反演异常与理论异常的相对误差来看, 其中最大的误差为2. 4%, 其他大部分误差都在0. 2% ~1. 4% 之间, 说明反演的精度很高。
从以上的对比可以看出:
1) 从这次选用的迭代算法模拟退火法 ( MSA) 可以看出。其精度和误差精度都很高, 这主要是MSA具有一定的概率跳出局部极小值的特性。尽可能搜索全区的极小值。
2) 从设置的模型可以看出, 这次的模型考虑到边界效应。特意设置了为了减小边界效应的边界模型。其反演的精度和误差都有很大的提高。
3 结论
通过重力异常反演地球内部横向的密度结构, 对于了解地球内部的精细的地质结构有着重要的意义。对于进一步对地下资源的勘察也有着重要的意义。本文通过构建一种利于减小边界效应的网格化的地质模型, 并结合模拟退火法。通过以上数值模拟可以看出该模型的构建对减少边界效应有很好的效果。为密度反演提供了一种高效率的密度反演方法。
参考文献
[1] 肖鹏飞, 陈生昌, 杨长福, 等.油气藏潮汐重力的初步研究.石油物探, 2007;46 (2) :202—206
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[3] 张凤旭, 孟令顺, 张凤琴, 等.重力位谱分析及重力异常导数换算新方法—余弦变换.地球物理学报, 2006;49 (1) :244—248
[4] 王山山, 聂勋碧.基于波场计算的最优化速度反演.石油物探, 1994;33 (1) :81—95
[5] 任义庆, 徐仲达, 马在田.应用模拟退火法反演横波速度.石油地球物理勘探, 1996;31 (5) :677—684
[6] 明圆圆, 范美宁.鱼群算法的重力密度异常反演方法.物探化探计算技术, 2012;34 (6) :666—671
地下建筑柴油火灾数值模拟与分析 篇10
1 数值模拟
1.1 建模
采用FDS进行数值模拟。假设一小型的地下商业区域, 由三个独立房间与一个“L”型走廊组成, 房间1为厨房, 房间2为仓库, 房间3为餐厅。实验区域总尺寸为11.8m×11.3m×3.5m。FDS模型网格精度为0.20m×0.19m×0.20m, 单元大小为0.007 6m3, 网格单元的数量为72 000个。按照先前设计的模拟基本参数及假设条件, 利用FDS+Pyrosim软件, 构建计算机模型。
1.2 火源的设置
设房间1为餐厅柴油起火的火源位置, 如图1所示。
2 模拟结果
模拟时间600s, 测量了烟气层高度、上层烟气层平均温度、过火源中心截面的温度与能见度分布。模型中没有设置机械排烟, 三个房间的门均为向走廊方向开启, 走廊的一端设有一道门, 其余部分为全封闭式的, 没有其他的进气口, 只有走廊端头有空气进入。
2.1 烟气层高度
房间1烟气层高度曲线图, 如图2所示。从模拟结果看出, 从点火开始后10s左右烟气层高度开始急剧变化;在10~25s的时间内从最初的大于3.5m近乎于直线型降至1m左右;在100s时烟气层的高度到达稳定, 直至计算机模拟结束基本保持在0.75m左右。变化曲线后半部分呈直线分布。
2.2 上层烟气层平均温度
房间1上层烟气层平均温度曲线图, 如图3所示。从模拟结果看出, 点火开始后10s左右房间1的上层烟气层平均温度开始急剧变化;在10~25s的时间范围内温度上升曲线非常陡, 从最初的室温20℃迅速达到了100℃左右。在25s时有个短暂的稳定的状态, 然后在25~100s这个阶段温度又迅速上升, 达到175℃左右。从图3可以看出, 两个温度上升的阶段进行对比, 前25s的温度上升更加剧烈。在100s时上层烟气层平均温度到达稳定, 直至计算机模拟结束基本保持在175℃左右。变化曲线后半部分呈直线分布。
2.3 火源竖直截面温度分布
火源竖直截面温度变化与上层烟气层平均温度变化比较相似, 点火开始后20s左右房间1的火源竖直截面温度开始急剧变化, 在20~50s的时间范围内温度上升曲线非常陡;在50~100s这个阶段温度又快速上升;100s时火源竖直截面温度分布到达稳定, 直至计算机模拟结束。20s时, 只有火焰中部温度达到340℃以上, 房间上部温度达到100℃以上, 房间下部温度还维持在20~50℃;50s时, 火焰上部达到300℃以上, 房间中上部温度也达到100℃以上, 房间下部温度还维持在20~50℃;100s时, 火焰已经烧到房间顶部, 房间上部温度达到200℃以上, 房间中下部温度也达到100℃以上, 房间下部温度还维持在40~50℃;100~600s, 火焰形态基本维持不变, 只是房间内温度在不断升高, 中上部温度基本维持在300℃以上。
2.4 火源竖直截面能见度分布
火源竖直截面能见度变化与火源竖直截面温度变化相似。点火开始后20s左右, 房间1的火源竖直截面能见度急剧变化, 在20~50s的时间范围内下降曲线非常陡。在50~100s, 火源竖直截面能见度快速下降。而在100~300s, 火源竖直截面能见度分布到达稳定, 且直至计算机模拟结束。20s时, 只有火焰周围能见度在8 m以下, 房间上部能见度在16m以上, 房间下部能见度还维持在20m以上;50s时, 火焰周围能见度在6m以下, 房间中上部能见度在8m以下, 房间下部能见度还维持在20m以上;100s时, 火焰周围能见度在2m以下, 房间上部能见度在6m以下, 房间中部能见度为8~16m, 房间底部能见度还维持在20m以上;300~600s, 火焰周围能见度在2m以下, 房间中上部能见度在4m以下, 房间底部能见度在12m左右。
综上所述, 在模拟的600s中, 房间中的燃烧基本在100s进入稳定燃烧状态。此时, 房间1中的烟气层高度为1.3m, 上层烟气层平均温度为173.4℃。
3 结果分析
3.1 火灾危险性大
烟气量大、蔓延速度快、排烟困难、温度高、散热困难。地下空间相对封闭, 烟气的排放受到了阻碍。从模拟结果可以看出, 在没有机械排烟的情况下, 烟气会随着通往地面的通道流动。因为排放缓慢, 大量的烟气集中在房间和走道里, 在充满房间后从房门流出, 向楼梯间方向蔓延。火灾形成的大量烟气主要由完全燃烧产物和不完全燃烧产物组成。火灾所产生的气相物质主要有二氧化碳、水蒸气、高分子裂解生成的烃类物质 (如甲烷) 、一氧化碳、二氧化硫、氰化氢、氮氧化物、二噁英类、多环芳香烃类等。还有部分液相物质和固相物质也存在于火灾烟气中, 这些在燃烧过程中产生的可见固体和液体的悬浮物就是烟。这些可见物颗粒是一些粒径为0.01~10μm的含碳物质, 具体组成根据其化学组成及温度、空气供给情况而不同。而地下建筑近似于密封环境, 空气流通相对较差, 氧气供应不足, 燃烧后产生的物质多是不完全燃烧的产物, 如CO, 烟气更容易引起人员的窒息死亡。同样, 燃烧所产出的热量不能得到有效扩散, 使着火房间内温度迅速升高, 一旦超过人体呼吸道所能承受的最高温度, 意味着房间达到了危险值。
3.2 人员疏散困难
地下建筑的疏散只能靠疏散楼梯将人员疏散到地面上, 而地下建筑的火灾烟气会向开口的方向蔓延, 即烟气会沿着疏散通道、安全出口的方向蔓延, 会影响人员的疏散逃生。FDS模拟中在楼梯口处设置一个观测点, 模拟结果显示该点的烟气层能见度从10s后开始下降, 即10s开始对人员的疏散造成阻碍。
4 地下餐厅火灾的防护对策
4.1 人员安全疏散的评估
地下建筑中, 一旦发生火灾, 人员是否能安全疏散是最大的难题。通常通过对人员疏散状态和烟气流动状态进行定量分析来评估人员疏散的安全性, 而定量分析主要是通过分析ASET和RSET的结果得到的。
在模拟环境中设置机械排烟, 排烟量按最大防烟分区120m3/ (m2·h) 选取, 计算出ASET为462s。RSET由探测报警、人员反应、运动三部分时间组成。在计算中探测报警时间取为180s。模拟的场景为地下商业建筑, 假设现场设有语音广播, 人员反应时间取2min。人员疏散运动时间是指人员开始疏散至完全疏散到安全区域的时间, 由到达出口的时间和通过楼梯、出口等时间组成, 模拟总疏散人数为30人。以所有人全部疏散至室外为结束, 计算所得人员疏散运动时间为53s。经计算RSET为353s。当模拟场景加入机械排烟等消防设施后, 通过计算得到RSET
4.2 控制餐厅厨房灶具燃料的使用与存放
应尽量减少地下餐厅的数量, 如在地下建筑中设置餐饮部分, 应首先考虑无明火的灶具。当必须使用明火灶具时, 厨房和其他部分应分开独立设置。特别要注意燃料的存放。当燃料存放量较大时应独立设置存放间, 不应与其他部位混合使用。发生火灾时, 这样能有效阻止火灾的快速蔓延, 为人员的疏散争取到宝贵的时间。
4.3 严格控制装修材料的使用
模拟是在考虑整个场景无可燃材料装饰的情况下进行的, 一旦在该场景内存在大量的可燃物, 会使结果产生很大的差异。特别是疏散通道和安全出口的部位应采用不燃材料进行装修, 这样可以减缓火灾的蔓延, 减少火灾产生有毒气体的量。
4.4 加强日常消防安全监管的力度
很多火灾的发生都是在放松管理的情况下发生的。合理的消防设施布局与设置, 安全体系的正常运行, 都要靠良好的管理来支撑。在地下建筑中, 如果不能保证消防安全体系的正常运转, 会给人员疏散带来巨大的阻碍。所以, 应加大日常消防安全监管的力度, 保证消防设施的完好性、安全出口的畅通性等。
摘要：以某小型地下商业区为例, 通过数值模拟的方式对地下柴油火灾的情况进行描述, 对温度分布、能见度分布以及烟气层的变化进行分析, 总结地下商业建筑火灾特点。人员疏散安全性评估表明, 机械排烟系统有效的情况下该商业建筑内人员可以安全疏散至室外。从燃料使用及存放、装修材料选择、消防安全管理方面提出消防安全对策。
关键词：地下柴油火灾,数值模拟,烟气层高度,温度分布
参考文献