Cálculo del modelo de recursos de aguas subterráneas
Primero, establecer un modelo conceptual hidrogeológico
Basado en un análisis exhaustivo y en profundidad del sistema de aguas subterráneas en la cuenca del río Heihe, y en base al propósito de la investigación, se Análisis razonable de los componentes e interrelaciones del sistema de agua subterránea. Las simplificaciones y supuestos se utilizan para reproducir el sistema en forma de texto, diagramas de bloques, planos y secciones, es decir, un modelo conceptual del sistema de agua subterránea.
(1) Generalización de la estructura espacial del sistema de aguas subterráneas y determinación de los límites
1. El diagrama representa la estructura espacial del sistema de aguas subterráneas.
A partir del mapa hidrogeológico y el perfil hidrogeológico de la cuenca del río Heihe, se organizaron y dividieron los principales acuíferos, acuíferos y capas débilmente permeables, y se determinó su ocurrencia, rango de distribución y espesor. Se determinaron fallas como la permeabilidad al agua y la resistencia al agua. Se analizaron varios contornos del sistema de agua subterránea, incluidos los contornos de profundidad del basamento cuaternario, los contornos de la cabecera del agua subterránea, los contornos de elevación del techo y del piso del acuífero, los contornos del acuífero y del espesor del acuífero, etc.
2. Determinar los límites del sistema de aguas subterráneas
Los límites del sistema de aguas subterráneas incluyen límites naturales (límites fijos) y límites hidráulicos (límites activos). Los límites naturales incluyen formaciones rocosas impermeables, fallas o zonas de fallas impermeables y grandes masas de agua superficial. Los límites hidráulicos incluyen divisorias de aguas subterráneas y líneas de flujo de aguas subterráneas.
En estudios de simulación de modelos numéricos, el límite inferior del objeto es generalmente roca impermeable. Los límites transversales pueden ser límites naturales, límites hidráulicos o límites infinitos (las alturas o flujos de los límites no se ven afectados por las condiciones de entrada). El límite superior de la simulación es generalmente el límite impermeable o límite de desbordamiento para sistemas de agua presurizada y el límite atmosférico (evaporación e infiltración) para sistemas sumergibles. Los límites internos de los sistemas de agua subterránea incluyen límites de flujo cero (masas rocosas impermeables) y límites de flujo (zonas vadosas de ríos, lagos o embalses).
3. Parámetros hidrogeológicos
Los parámetros hidrogeológicos son el alma de la investigación de simulación de modelos numéricos, y generalmente incluyen el coeficiente de permeabilidad, la conductividad hidráulica, el suministro de agua, la tasa de almacenamiento de agua, etc. grupo coeficiente de almacenamiento de agua, porosidad, coeficiente de permeabilidad vertical y coeficiente de desbordamiento, así como coeficiente de infiltración de precipitación en la zona vadosa, coeficiente de fuga de río, coeficiente de regresión de riego de pozos, coeficiente de fuga de campo y canal, coeficiente de evaporación freática y coeficiente de evaporación terrestre.
Los métodos para determinar el coeficiente de recarga de infiltración por precipitación, el coeficiente de fuga de riego y el coeficiente de evaporación incluyen análisis hidrológicos (precipitación, curva de escurrimiento de ríos, curva dinámica de cabeza freática, etc.), pruebas directas (medidor de infiltración, tensiómetro, Trazador de isótopos, etc.), cálculo (método de balance de masa de cloro, método de modelo insaturado, etc.), método de fórmula empírica y método de medición de superficie de flujo cero ZFP.
(2) Generalización del sistema de flujo de agua subterránea
El sistema de flujo de agua subterránea es amplio e incluye la determinación de la dirección básica del flujo de agua subterránea, la composición de los elementos de suministro de agua subterránea, la descarga método, relación de transformación de aguas subterráneas y superficiales, relación hidráulica entre acuíferos en diferentes niveles. La base principal es el mapa de contorno de la cabecera del agua subterránea, información sobre la química del agua, información de isótopos, información sobre la temperatura del agua subterránea y la curva dinámica del nivel del agua.
De acuerdo con el estado y características del flujo de agua subterránea, determinar las propiedades específicas del sistema de flujo de agua subterránea en estudio, como flujo estable o flujo inestable, flujo unidimensional, flujo bidimensional, flujo cuasi-tridimensional. -flujo dimensional o flujo tridimensional.
(3) Cálculo de los datos de entrada del modelo
Infiltración de precipitaciones, infiltración de aguas superficiales (canales de ríos), entrada lateral de aguas subterráneas, infiltración de riego, evapotranspiración, descarga de manantiales, flujo base Drenaje, salida lateral de aguas subterráneas, minería, etc.
En segundo lugar, establecer un modelo matemático
Elegir un modelo matemático apropiado basado en el modelo conceptual hidrogeológico establecido.
Generalmente se compone de ecuaciones diferenciales parciales que describen las leyes de movimiento del agua subterránea y condiciones de solución definidas que reflejan las condiciones de contorno y las condiciones iniciales del sistema de agua subterránea.
La ecuación diferencial parcial del flujo inestable tridimensional en aguas confinadas heterogéneas es
El modelo de evolución de la circulación del agua y la formación de aguas subterráneas en la cuenca del río Heihe
Flujo inestable tridimensional freático heterogéneo La ecuación diferencial parcial de flujo constante tiene las siguientes situaciones: La primera condición de contorno (límite de Dirichlet) es
El modelo de evolución de la circulación del agua y la formación de aguas subterráneas en la cuenca del río Heihe
La segunda condición de contorno (límite de Newman) es
El modelo de evolución de la circulación del agua y la formación de aguas subterráneas en la cuenca del río Heihe
La condición inicial es
El modelo de evolución de la circulación del agua y la formación de aguas subterráneas en la cuenca del río Heihe
3. Programa de cálculo, diseño e identificación del modelo
(1) Programa de cálculo y diseño del modelo
p>El programa de cálculo se divide en modelos de flujo unidimensional, flujo bidimensional, flujo cuasi tridimensional o flujo tridimensional, y la capacidad de manejar entradas homogéneas, heterogéneas, isotrópicas o anisotrópicas y diferentes. . El software disponible actualmente incluye MODFLOW, FEWFLOW, PM, GMS, GWVISTA, MODME, PM, etc. La mayoría de ellos son el método de diferencias finitas y el método de elementos finitos. Diseño del modelo, incluida la división de la cuadrícula (división regular o división irregular, división triangular o división rectangular), selección de paso de tiempo (algoritmo de prueba), configuración de límites del modelo, configuración de condiciones iniciales, entrada de datos (tasa de infiltración de precipitación, entrada de riego de campo Tasa de filtración, evaporación velocidad, ubicación del pozo e intensidad de extracción o recarga, distribución espaciotemporal de la interacción del agua subterránea y superficial, distribución espaciotemporal del agua de manantial, nivel o flujo del agua límite, ubicación del pozo de observación y nivel del agua de observación, etc.).
(2) Identificación y prueba del modelo
1. Identificación del modelo
La identificación del modelo también se denomina problema de inversión, es decir, utiliza datos dinámicos medidos del agua subterránea y datos de prueba de bombeo para obtener datos hidrogeológicos de manera inversa. parámetros O elementos de fuente y sumidero y condiciones de juicio. El propósito de la identificación del modelo es resolver el problema de si la ecuación diferencial parcial seleccionada es apropiada, determinar los parámetros hidrogeológicos, los términos de fuente y sumidero y las condiciones de solución definidas en el modelo, y establecer un modelo de simulación que pueda reproducir la función real (cabezal). o concentración) del sistema de aguas subterráneas. La identificación del modelo generalmente adopta el método de prueba y error. Significa seleccionar un período de tiempo adecuado, estimar un conjunto de modelos de entrada de parámetros hidrogeológicos basados en condiciones hidrogeológicas y datos empíricos, y utilizar los datos de entrada y salida del período de tiempo seleccionado para resolver el modelo. Luego, los resultados calculados del modelo se comparan con los resultados medidos. Si los resultados del ajuste no cumplen con los requisitos de precisión, ajuste los parámetros adecuadamente y repita el proceso anterior hasta que se cumplan los requisitos de precisión. También se puede utilizar un método que combine el método de estimación-corrección de prueba con el método de optimización. Primero use el método de estimación-corrección de prueba para un ajuste aproximado y luego use el método de optimización para un ajuste fino. Es decir, se obtiene un conjunto de valores de parámetros óptimos a través del método de optimización para minimizar la diferencia entre el valor de cabeza hidráulica calculado y. el valor observado bajo restricciones dadas.
Los resultados de la identificación del modelo tienen múltiples soluciones. El número de parámetros a identificar debe ser menor que el número total de datos. Es decir, debe haber una cantidad conocida. Cuanto más conocidas sean las cantidades, más precisos serán los parámetros y mejor será la aplicabilidad del modelo. Precisamente debido a la naturaleza de múltiples soluciones de los resultados de la identificación del modelo, diferentes personas obtienen diferentes combinaciones de parámetros para el mismo problema, e incluso la misma persona obtiene diferentes parámetros en diferentes momentos. Obviamente, los parámetros determinados por el modelo no son necesariamente intrínsecos al acuífero. Por lo tanto, algunas personas llaman a los parámetros identificados por el modelo "parámetros del modelo" para mostrar la diferencia. Aunque los parámetros del modelo no pueden reflejar completamente los parámetros del sistema real, los parámetros del modelo tienen una función especial que permite que el modelo matemático reemplace el sistema de agua subterránea real en comportamiento y función y se convierta en una "réplica" del sistema de agua subterránea.
2. Verificación del modelo
Para probar la confiabilidad del modelo identificado, es necesario utilizar el modelo de entrada de datos del mismo sistema en otro período de tiempo para la prueba. Si los resultados del cálculo son consistentes con los datos reales, se puede decir que el modelo puede reflejar verdaderamente el sistema real. Cabe señalar que los dos conjuntos de datos utilizados en las etapas de identificación y verificación del modelo deben ser datos relativamente independientes en diferentes períodos de tiempo.
El propósito del análisis de sensibilidad del modelo es comprender el impacto de los cambios de parámetros en los resultados del cálculo e identificar parámetros importantes. El análisis de sensibilidad generalmente se realiza antes o después de la identificación del modelo.
Seleccione un parámetro (θ) para el análisis y luego corrija otros parámetros para cambiar el análisis numérico y los resultados del cálculo de θ. La altura hidráulica calculada (g) en este momento es función de θ, es decir, g=f(θ). Se define de la siguiente manera: cerca de θ=θ0, la relación entre la tasa de cambio de la variable principal g(θ) en relación con el valor inicial g*(θ) y la tasa de cambio del parámetro θ en relación con θ0 se llama la sensibilidad del cabezal al parámetro θ, expresada mediante la siguiente fórmula:
Modelo del ciclo del agua y de formación y evolución de las aguas subterráneas de la cuenca del río Heihe
Generalización de las condiciones hidrogeológicas en el Heihe. Área de simulación de cuenca fluvial
Investigación sobre la transformación del volumen de agua subterránea El área de simulación del modelo numérico seleccionó la cuenca de Zhangye y la cuenca oriental de Jiuquan, incluidas todas las áreas de riego de Zhangye, Linze y Gaotai, las áreas de riego individuales de Minle y Shandan y el distrito de Minghua del condado de Sunan, con una superficie de casi 9.000 km2.
El área de simulación numérica es una cuenca de falla entre montañas con solo entrada lateral y sin salida lateral. Está llena de sedimentos sueltos extremadamente espesos, formando un lugar natural para el agua subterránea y un sistema cuaternario continuo y unificado. sistema rocoso portador, las montañas circundantes son límites geológicos naturales. En la cuenca de Zhangye, el agua subterránea se mueve de sureste a noroeste, se fusiona con la corriente principal del río Heihe y sale del área. En la cuenca este de Jiuquan, en el oeste, el agua subterránea se mueve de suroeste a noreste, y la línea desde la montaña Yumu hasta el condado de Gaotai es la línea de captación natural de las dos cuencas.
Las principales fuentes de suministro de agua subterránea en el área de simulación numérica son el agua de río (incluida el agua de lluvia), la desviación de agua de canales y la infiltración vertical de agua de riego de campos. Los principales métodos de descarga son el desbordamiento de manantiales, la evaporación y la minería artificial.
Según los resultados del cálculo del saldo, el monto de recarga en el área de 11,94 × 108 m3 es 14,09 × 108 m3 y la diferencia del saldo es -2,15 × 65438.
La periferia del área de simulación numérica es el límite de flujo secundario. El límite de la montaña se distribuye a lo largo de la falla de piedemonte, y la afluencia es principalmente la afluencia lateral de agua de fisuras del lecho rocoso y corrientes subterráneas de barrancos. Las secciones transversales de Minle en el este, Shandan y Minghua en el oeste son las entradas de salida del área y se obtienen mediante el método de la sección transversal. La falla oculta Xinba-Hongyazi en el sur hace que el flujo de agua subterránea sea discontinuo. Como límite de esta sección, el modelo hidrogeológico generalizado se muestra en la Figura 5-1.
Promoción del modelo matemático del verbo (abreviatura del verbo)
La parte sur del área de simulación numérica es buceo y la parte norte es agua presurizada. Es apropiado utilizar el modelo matemático. de buceo en agua a presión. Sin embargo, el grado de extracción de agua subterránea varía entre los distritos de riego. En algunas áreas, el buceo se ha relacionado con aguas confinadas, y los cambios dinámicos de la cabeza de agua confinada y el nivel freático son consistentes. Por lo tanto, el modelo se generaliza como un modelo de flujo de agua bidimensional heterogéneo e isotrópico. Dada la gran superficie del nivel freático y la pequeña variación anual, despreciable en comparación con el espesor del acuífero, el producto del coeficiente de permeabilidad (k) por el espesor del acuífero (h) es aproximadamente reemplazada por la conductividad hidráulica (t).
El modelo matemático y las condiciones de solución definitiva son las siguientes:
Figura 5-1 Descripción general del modelo hidrogeológico del área de simulación de la cuenca del río Heihe
El agua modelo de ciclo y formación y evolución de las aguas subterráneas de la cuenca del río Heihe
En la fórmula: T——El coeficiente de permeabilidad del acuífero (m2/d);
μ——El agua suministro del acuífero (adimensional);
Wb——La suma de la intensidad de varios elementos de suministro (m3/km2·d);
Wp——La suma de la intensidad de diversas excretas (m3/km2·d);
Q——El caudal por unidad de ancho del límite de flujo (m3/km2·d);
γ2-Límite de flujo code;
N——La dirección de la línea normal interna en el límite.
Utilice la interpolación lineal y el método de elementos finitos de Galerkin para resolver la ecuación anterior, como se muestra en el diagrama de bloques del programa (Figura 5-2).
Figura 5-2 El proceso de solución del programa de simulación del modelo numérico de la cuenca del río Heihe
6 Método de solución del artículo
(1) Inicial. condiciones
Basado en los resultados unificados de la medición del nivel del agua en 1999 y combinados con datos de observación a largo plazo de la dinámica del agua subterránea, se dibujó un mapa de contorno en enero como el campo de flujo inicial. El método de triangulación se utiliza para dividir el área de cálculo en 1421 unidades y 799 nodos. Hay 624 nodos internos y 175 puntos límite. Existen 33 puntos de observación del nivel del agua, todos distribuidos en nodos (Figura 5-3). Al mismo tiempo, intente colocar los nodos en el límite del área de riego generalizado.
(2) Período de cálculo
El número real de días en cada mes natural desde principios de enero de 1999 hasta finales de febrero de 65438 es la duración del ciclo, y el año completo es dividido en 12 ciclos.
(3) Parámetros hidrogeológicos
Según los resultados de la investigación del informe de inspección de Heihe, el rango de valores de los parámetros en el área de simulación numérica es de 100 ~ 6500 m2/d, y el El valor μ es 0,1 ~ 0,25. La zonificación de parámetros se basa en el área de riego y se divide según diferentes profundidades de enterramiento.
(4) Proyecto de fuente y sumidero
El agua subterránea en el área de cálculo depende principalmente de la infiltración de agua de río, la desviación de agua de canales, el agua de riego, el condensado de precipitación y el agua límite. Es consumido por la evapotranspiración, los desbordamientos de los manantiales y la minería artificial. La selección de parámetros relevantes se basa principalmente en el informe Heihe y los resultados de la investigación de varios departamentos de conservación del agua del condado. La recarga y descarga se calculan mediante el método del balance hídrico.
Debido a que el área de simulación numérica es grande, se desarrolla la agricultura, los canales secundarios principales están densamente cubiertos y hay muchas tomas de agua a lo largo del río principal (río Heihe), los datos hidrológicos e hidráulicos que se pueden recopilar es limitado y la subdivisión no debe ser demasiado detallada. La infiltración y extracción artificial de agua de río (incluida el agua de lluvia), agua de canal, agua de riego y agua depresiva se pueden considerar como cantidades superficiales. Los resultados del cálculo del equilibrio de diferentes profundidades de enterramiento en cada área de riego se pueden ingresar en el modelo como cantidades superficiales unitarias. , con partidas positivas de Oferta. La cantidad de infiltración y la intensidad de la extracción artificial del agua del canal y el agua de riego durante el período sin riego (enero a marzo, octubre a febrero) son cero, y la cantidad de infiltración anual se divide en períodos de riego (de abril a septiembre).
Figura 5-3 Mapa de división regional de cálculo numérico de la cuenca del río Heihe
En 1999, la cantidad de infiltración de agua del río representó el 32% de la escorrentía del río Heihe (Yingluoxia ) ese año, y el escurrimiento mensual representó el escurrimiento anual. La proporción del tráfico se asigna a 12 períodos. La intensidad de las precipitaciones y la evaporación se distribuyen en 12 períodos según la proporción de cada mes con respecto al año completo. La precipitación de enero a marzo y de octubre a diciembre es 0, de abril a junio es 30 y de julio a septiembre es 70. La cantidad de evaporación se calcula en función de las diferentes profundidades del nivel freático, de las cuales el 13% es de enero a marzo, el 41% es de abril a junio, el 35% es de julio a septiembre y el 11% es de octubre al 11.
Los cinturones difusos de manantiales están distribuidos en llanuras de suelo fino y la profundidad del agua subterránea es inferior a 3,5 m. Los niveles de agua subterránea en cada zanja de manantial y el lecho del río Heihe son más altos que la elevación del lecho del río. es en realidad una relación lineal. Sin embargo, dado que la unidad de subdivisión es grande y no se puede describir con precisión, la cantidad lineal se trata como una cantidad plana. Supongamos que el área donde el nivel del agua subterránea es inferior a 3,5 m es la zona de desbordamiento del manantial. El método específico es restar 3,5 m de la elevación del suelo de todos los nodos, entonces el nivel del agua subterránea en esta área será negativo. Divida el volumen de desbordamiento del manantial en 1999 por el área del área y luego divídalo por la diferencia de carga promedio de 1,5 m para obtener la intensidad de desbordamiento del manantial en condiciones de diferencia de carga unitaria e introdúzcala en el modelo. Luego, con base en los cambios de carga de agua en cada período, se obtiene el volumen de desbordamiento del manantial en diferentes períodos.
El límite del área de simulación numérica es el límite permeable o el límite débilmente permeable. Ambos dan un caudal de ancho único, que es constante durante todo el año y ya no se divide por período de tiempo.
7. Varios modelos dan sus frutos
A partir de los elementos de drenaje suplementarios antes mencionados y sus parámetros, se ajusta el nivel freático en el punto de observación para determinar el modelo de implantación para el año 1999.
Hay 33 puntos de observación en el área, concentrados en el cinturón de llanuras de suelo fino de Zhangye, Linze y Gaotai. Durante el proceso de ajuste de parámetros, el error del punto de ajuste continúa disminuyendo, el campo de flujo inicial es consistente con el campo de flujo calculado y la desviación del nivel de agua en cada nodo no debe ser demasiado grande. Debido al ajuste de parámetros, el área de simulación numérica * * * tiene 60 particiones de parámetros, como se muestra en la Figura 5-4 y la Tabla 5-2. Los resultados del ajuste de los puntos de observación se muestran en la Figura 5-5 y la Figura 5-6, y los resultados del ajuste del campo de flujo de agua subterránea se muestran en la Figura 5-7.
Figura 5-4 Mapa de zonificación de parámetros de simulación numérica de la cuenca del río Heihe
Tabla 5-2 Parámetros hidrogeológicos relevantes utilizados en el modelo de la cuenca del río Heihe