【摘要】：在總結(jié)前人地下水流模型與地面沉降模型基礎(chǔ)上,考慮孔隙率與滲透系數(shù)變化之間的相關(guān)性,建立了地下水流與地面沉降耦合模型.通過改進國際上通用的Modflow源程序,實現(xiàn)兩者之間耦合作用,并模擬這一過程.通過典型算例對改進的程序進行驗證,結(jié)果表明:考慮參數(shù)變化的沉降速率變化較快,其主要原因在于,抽取地下水引起水位下降,造成土體壓縮、孔隙度和滲透率降低.滲透率降低使得含水層產(chǎn)生了水力梯度和滲透力,可能會導致地面沉降加速下沉.因此,非線性水力特性是流固耦合的交互作用基礎(chǔ),不應該被忽視.該結(jié)果進一步驗證了改進的程序可以模擬耦合過程,研究成果可為地面沉降與地下水流動耦合模擬研究提供技術(shù)支持.
【圖文】：

場和沉降值，達到部分耦合的目的．2.1程序設(shè)計Modflow是模塊化三維有限差分地下水流動模型的簡稱．這套計算機程序由USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)的McDonald和Harbaugh于80年代開發(fā)．它是一套用于孔隙介質(zhì)中地下水流動數(shù)值模擬的軟件．自問世以來，Modflow已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)，在科研、生產(chǎn)、工業(yè)、司法、環(huán)境保護、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃、水資源利用等許多行業(yè)得到了廣泛的應用．目前已經(jīng)成為世界上最為普及的地下水運動數(shù)值模擬的計算機程序．Modflow包括一個主程序和一系列相對獨立的子程序包．每個子程序包又包括有多個模塊和子程序．圖1中列出了Modflow的基本程序結(jié)構(gòu)，以及各個主要部分的功能．整個模擬過程可分為一系列應力期(stressperiods)．在每一個應力期內(nèi)，所有的外應力(stress)，如抽水量、蒸發(fā)量等保持不變．每個應力期又可再分為若干個時間段(timesteps)．通過對有限差分方程組的迭代求解，可以得到每個時間段結(jié)束時的水頭值．所以每個模擬應包括3大循環(huán):應力期循環(huán)、時間段循環(huán)以及迭代求解循環(huán)．圖1程序框Fig．1FlowChart在進入應力期循環(huán)之前，程序要首先完成3項與整個模擬過程有關(guān)的步驟．在“模型定義”步驟中，確定模型的大小，類型(穩(wěn)定流或非穩(wěn)定流)，應力期數(shù)目，子程序包的選擇，以及求解方法的選擇等．在“存貯分配”步驟中，程序按所選用的子程序包，以及各個數(shù)組的大小，按一定的順序進行內(nèi)存的分配．在“輸入處理”步驟中，程序讀入所有不隨時間變化的輸入數(shù)據(jù)并且按要求進行適當?shù)奶幚恚@些數(shù)據(jù)包括:邊界條件，初始水頭，導水系數(shù)，滲透系數(shù)，給水度和貯水系數(shù)，頂?shù)装鍢烁咭约坝糜诳刂频\算的有關(guān)參數(shù)等．在應力期循環(huán)過程中，Modflow計算各個時間段的長度．在“輸入處理”步驟中，程序?qū)⒆x入前期數(shù)據(jù)，，如抽水量、補給量?

改進滲透系數(shù)，此后，程序執(zhí)行“近似求解”步驟，即對有限差分方程組進行一次迭代計算，第一次迭代時給定孔隙比為1．迭代求解循環(huán)將持續(xù)進行直到達到收斂或達到預定的最大循環(huán)次數(shù)．如果迭代次數(shù)達到最大循環(huán)次數(shù)時仍未收斂，程序?qū)⒆詣油Ｖ惯\算．如果在達到最大迭代次數(shù)之前已經(jīng)收斂，Modflow將執(zhí)行SWT模塊，進行地面沉降的計算，同時輸出改進的孔隙比參數(shù)，并將變化的孔隙比與滲透系數(shù)作為初始值進入下一次循環(huán)．最后輸出步驟和水均衡步驟:將計算得到的水頭值以及計算單元之間的流量以及總沉降量和單層沉降量．程序還將計算出水均衡各項和相對誤差．2.2數(shù)據(jù)格式輸入、輸出文件數(shù)據(jù)格式與Modflow軟件一致，如表1所示．表1程序數(shù)據(jù)格式Table1Programdataformat輸入格式輸出格式中文名稱Moflow名稱中文名稱Moflow名稱命名文件．nam計算過程信息output．dat離散文件discret．dat水頭數(shù)據(jù)文件heads．dat基本文件bas．dat降深數(shù)據(jù)文件ddown．dat輸出控制文件oc．dat水均衡數(shù)據(jù)文件budget．dat單元間流動文件bcf．dat總沉降數(shù)據(jù)文件subsidence．dat降雨文件rch．dat單層壓縮文件compaction．dat井文件wel．dat層間應力文件srs．dat沉降模塊swt．dat總應力文件gst．dat計算方法pcg．dat孔隙率文件void．dat2.3程序適用性驗證為驗證模型的適用性，建立了3層理想模型，由圖2所示，由上到下分別是潛水含水層、弱透水層、承壓含水層，垂向厚度分別為20、10、60m．水平范圍1000m×1000m，共剖分成25×25個網(wǎng)格，模型模擬參數(shù)如表2［15-17］所示．圖2耦合數(shù)值計算理想模型示意圖Fig．2IdealmodeldiagramforcouplingnumericalcalculationNo．2楊勇等:基于Modflow的地面沉降與地下水流耦合模型程序?qū)崿F(xiàn)257
【作者單位】： 北京市水科學技術(shù)研究院;北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心;中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室;
【基金】：北京市優(yōu)秀人才項目(2014765000432G190) 北京市科委課題(Z141100003614060)
【分類號】：P642.26;P641.2

【參考文獻】

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本文編號：2536712