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《含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第16卷第4期水科学进展Vol116,No142005年7月ADVANCESINWATERSCIENCEJul.,2005含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响陈彦,吴吉春(南京大学地球科学系,江苏南京210093)摘要:地下水数值模拟是目前定量研究地下水水量和水质的重要手段。使用基于随机理论的MonteCarlo方法来进行地下水数值模拟。这种方法能较好地考虑水文地质参数的空间变异性。主要将MonteCarlo方法和确定性模型模拟方法的模拟结果在渗透系数场、水头场、速度场和浓度场等方面进行了比较。结果表明:在模拟三维非均质含水层中的溶质运移问题时,充分考虑了含水层渗透系数空间变异性
2、的MonteCarlo法比确定性方法更为有效,模拟精度提高了很多,且对模拟误差及误差来源有合理的数学解释。关键词:随机理论;MonteCarlo模拟方法;空间变异性;地下水数值模拟;含水层;渗透系数中图分类号:P641文献标识码:A文章编号:100126791(2005)0420482206目前地下水数值模拟已成为评价人类活动对地下水水质及水量的影响、合理开发利用地下水以及预测地下[1,2]水污染发展趋势的最主要的方法和手段。由于地下水污染问题在工农业快速发展的今天已经相当严重,因此,建立正确合理的数学模型来预测污染物的运移范围,进而采取有效的治理手段就成为必然的要求。目前构建地下水数学模
3、型面临的最大困难是模型参数的选择,例如含水层渗透系数的确定。野外实际条件下的含水介质表现出强烈的空间变异性。含水介质复杂的变异性迫使我们必须把含水介质作为一种随机变量处理。但由于含水介质的一些客观性质又表明它们并非只具有随机性,而是同时也具有一定程度上的结构性。例如,含水介质是在特定的历史时期特定的地质条件下沉积形成的,具有一定的成层性。含水介质的上述特性使得在考虑它的各种参数性质时,必须充分认识到它的随机性以及结构性,也就是含水介质的空间变异性。地下水数值模拟常用的方法包括有限单元法和有限差分法。这两种方法的共同点是在进行模拟计算时都要将复杂的研究区离散为很多小的单元或者网格,并根据实际
4、的水文地质条件在这些单元和网格的基础上进行参数分区。对于在同一参数分区内的单元认为其水文地质参数是相同的常数值。当研究区面积不大或参数分区较多时,这种方法是有一定精度的。但通常实际研究区的面积很大,即使参数分区已经很多,每个分区的面积相对来说还是比较大。把这样一个较大面积区域的水文地质参数设定为一个相同的数值就很难反映出实际含水介质的空间变异性。在地下水数值模拟中通常使用模型校正的手段来确定水文地质参数,这种方法需要具备足够的实际观测资料。但在实际工作中获得足够的观测资料是比较困难的,因此通过模型校正得到的参数只能被认为是曲线拟合参数。大量的野外大尺度溶质运移试验的研究成果表明,渗透介质的
5、空间变异性是影响溶质运动的决定性因[3][4～12]素。为了解决水文地质参数的这一特性,Dagan等提出了随机理论的研究方法。目前随机方法已成为研究非均质含水层中地下水流和溶质运移问题的重要手段。地下水随机模拟方法主要有矩方程法和MonteCarlo[13,14]法。矩方程方法通过求解有关均值和协方差的随机偏微分方程获得随机问题的解,而MonteCarlo法则是通过平均一系列反映含水层实际性质的确定性问题来模拟随机过程的一种计算机模拟方法。收稿日期:2004204201;修订日期:2004206230基金项目:国家自然科学基金资助项目(40272106);博士点基金资助项目(2003028
6、4027)作者简介:陈彦(1980-),女,江苏南京人,南京大学博士研究生,主要从事地下水数值模拟研究。E2mail:jcwu@nju1edu1cn;chenyan1997@nju1org1cn第4期陈彦、吴吉春:含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响483本文采用MonteCarlo法来研究含水介质渗透系数的空间变异性对地下水流和溶质运移数值模拟结果造成的影响。本次研究以加拿大安大略州的Borden试验场局部含水层的实测钻孔数据为基础,对当地含水层的渗透系数采用3种不同的处理方法。方法1:根据实测钻孔资料在研究区范围内进行顺序高斯模拟,得到整个研究区的渗透系数分布,近似作为所模拟
7、含水层的实际渗透系数场。方法2:由于研究区面积不大,且含水介质相对比较均匀,故按照传统做法,将整个研究区的渗透系数取为同一数值。方法3:使用基于随机理论的MonteCarlo方法的思想利用直接Fourier变换法对含水层的渗透系数进行模拟。通过3种不同的处理方法所得结果的对比分析,来说明含水介质渗透系数的空间变异性对地下水数值模拟结果的影响。1研究方法MonteCarlo法是一种基于随机数的计算方法。其最特别的性质就是用
