[发明专利]一种地下水环境的建模及数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数值模拟方法，特别是关于一种地下水环境的建模及数值模拟方法。

背景技术

地下水环境突发污染事故需要快速掌握污染物在地下水环境中的迁移转化规律，确定污染物扩散范围，进而迅速实施有针对性的治理与防范。由此要求地下水环境数值模型具有快速高效的建模与计算能力。

目前，地下水环境的数值模拟方法主要有欧拉法、拉格朗日法、混合欧拉-拉格朗日法等。基于这些方法构建了MT3D、HST3D、WORM、SWIFT、USGS2D-MOC等地下水环境数值模拟软件。这些软件各有其优缺点，但它们或因局限于饱和带或非饱和带单一含水层污染物迁移模拟；或因构建模型程序复杂，难以适应快速建模的需要；或因计算单元较多，计算效率低，难以应用于地下水环境突发污染事故应急数值模拟等，因此，不能对地下水环境突发污染事故进行全面、高效、准确的模拟计算。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种地下水环境的建模及数值模拟方法，该方法可对地下水环境的突发污染事故进行全面、高效、准确的模拟计算。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种地下水环境的建模及数值模拟方法，其包括以下步骤：1)前处理：设置两个属性文件，一是模拟区土壤属性文件，包括研究区边界、X与Y方向网格间距、区域土壤渗透系数、土壤有效孔隙度、污染物在此种土壤中的纵向和横向的弥散度、土壤非饱和带扩散系数和溶质吸附系数；二是地表高程与地下水水位属性文件；应用IDL软件的空间插值函数KRIG2D()或TRI_SURF()对地表高程、地下水位进行空间网格插值，同时划分空间有限差分数值模拟网格，得到两个相同的差分网格矩阵：地表高程矩阵matrix1和地下水位矩阵matrix2；应用SIZE()函数确定研究区网格属性，包括单元网格数、单元网格行列数；应用随机数值生成函数FINDGEN()生成随机数，然后将网格计算单元的节点坐标生成序列数组；2)二维水流模型计算二维水流模型计算包括：溶质非饱和带迁移模拟的地下水埋深矩阵计算以及饱和带二维地下水流场计算部分；利用前处理得到的地表高程矩阵与地下水位矩阵相减得非饱和带厚度h₀，即地下水位埋深矩阵matrixh0：

h₀：matrixh0＝matrix1-matrix2

该矩阵直接用于非饱和带溶质迁移模拟计算；饱和带二维溶质迁移模型的水动力条件是地下水流场的分布，该流场由二维水流模型计算得到，应用二维水流模型计算地下水流场：①计算单元节点流速：利用达西定律：

v=KIne]]>

其中，v为流速；K为渗透系数；I为水力坡度；n_e为有效孔隙度；②计算单元边界面流速：求得节点流速，根据网格中相邻两个节点的流速，取两个节点流速的平均值，计算得到网格单元边界面上流速分量的IDL矩阵；3)建立非饱和带一维溶质运移模型；

t1=ΔHvz---(1)]]>

其中，t₁为溶质在非饱和带中的运移总时间；ΔH为非饱和带厚度，ΔH＝h₀；v_z＝D/Δz表示假设非饱和带厚度为Δz＝1m时，污染物垂向扩散速度，D为垂向扩散系数，量纲为L²/T；4)建立饱和带溶质迁移二维数值模型：