基于Modflow的地面沉降与地下水流耦合模型程序实现

发布时间：2019-09-17 06:50

【摘要】：在总结前人地下水流模型与地面沉降模型基础上,考虑孔隙率与渗透系数变化之间的相关性,建立了地下水流与地面沉降耦合模型.通过改进国际上通用的Modflow源程序,实现两者之间耦合作用,并模拟这一过程.通过典型算例对改进的程序进行验证,结果表明:考虑参数变化的沉降速率变化较快,其主要原因在于,抽取地下水引起水位下降,造成土体压缩、孔隙度和渗透率降低.渗透率降低使得含水层产生了水力梯度和渗透力,可能会导致地面沉降加速下沉.因此,非线性水力特性是流固耦合的交互作用基础,不应该被忽视.该结果进一步验证了改进的程序可以模拟耦合过程,研究成果可为地面沉降与地下水流动耦合模拟研究提供技术支持.
【图文】：

模型图,模拟过程,步骤,应力

场和沉降值，达到部分耦合的目的．2.1程序设计Modflow是模块化三维有限差分地下水流动模型的简称．这套计算机程序由USGS(美国地质调查局)的McDonald和Harbaugh于80年代开发．它是一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件．自问世以来，Modflow已经在全世界范围内，在科研、生产、工业、司法、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业得到了广泛的应用．目前已经成为世界上最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序．Modflow包括一个主程序和一系列相对独立的子程序包．每个子程序包又包括有多个模块和子程序．图1中列出了Modflow的基本程序结构，以及各个主要部分的功能．整个模拟过程可分为一系列应力期(stressperiods)．在每一个应力期内，所有的外应力(stress)，如抽水量、蒸发量等保持不变．每个应力期又可再分为若干个时间段(timesteps)．通过对有限差分方程组的迭代求解，可以得到每个时间段结束时的水头值．所以每个模拟应包括3大循环:应力期循环、时间段循环以及迭代求解循环．图1程序框Fig．1FlowChart在进入应力期循环之前，程序要首先完成3项与整个模拟过程有关的步骤．在“模型定义”步骤中，确定模型的大小，类型(稳定流或非稳定流)，应力期数目，子程序包的选择，以及求解方法的选择等．在“存贮分配”步骤中，程序按所选用的子程序包，以及各个数组的大小，按一定的顺序进行内存的分配．在“输入处理”步骤中，程序读入所有不随时间变化的输入数据并且按要求进行适当的处理．这些数据包括:边界条件，初始水头，导水系数，渗透系数，给水度和贮水系数，顶底板标高以及用于控制迭代运算的有关参数等．在应力期循环过程中，Modflow计算各个时间段的长度．在“输入处理”步骤中，程序将读入前期数据，，如抽水量、补给量?

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改进渗透系数，此后，程序执行“近似求解”步骤，即对有限差分方程组进行一次迭代计算，第一次迭代时给定孔隙比为1．迭代求解循环将持续进行直到达到收敛或达到预定的最大循环次数．如果迭代次数达到最大循环次数时仍未收敛，程序将自动停止运算．如果在达到最大迭代次数之前已经收敛，Modflow将执行SWT模块，进行地面沉降的计算，同时输出改进的孔隙比参数，并将变化的孔隙比与渗透系数作为初始值进入下一次循环．最后输出步骤和水均衡步骤:将计算得到的水头值以及计算单元之间的流量以及总沉降量和单层沉降量．程序还将计算出水均衡各项和相对误差．2.2数据格式输入、输出文件数据格式与Modflow软件一致，如表1所示．表1程序数据格式Table1Programdataformat输入格式输出格式中文名称Moflow名称中文名称Moflow名称命名文件．nam计算过程信息output．dat离散文件discret．dat水头数据文件heads．dat基本文件bas．dat降深数据文件ddown．dat输出控制文件oc．dat水均衡数据文件budget．dat单元间流动文件bcf．dat总沉降数据文件subsidence．dat降雨文件rch．dat单层压缩文件compaction．dat井文件wel．dat层间应力文件srs．dat沉降模块swt．dat总应力文件gst．dat计算方法pcg．dat孔隙率文件void．dat2.3程序适用性验证为验证模型的适用性，建立了3层理想模型，由图2所示，由上到下分别是潜水含水层、弱透水层、承压含水层，垂向厚度分别为20、10、60m．水平范围1000m×1000m，共剖分成25×25个网格，模型模拟参数如表2［15-17］所示．图2耦合数值计算理想模型示意图Fig．2IdealmodeldiagramforcouplingnumericalcalculationNo．2杨勇等:基于Modflow的地面沉降与地下水流耦合模型程序实现257
【作者单位】：北京市水科学技术研究院;北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心;中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室;
【基金】：北京市优秀人才项目(2014765000432G190) 北京市科委课题(Z141100003614060)
【分类号】：P642.26;P641.2

【参考文献】