参数随机模拟在地下水溶质运移数值模拟中的应用

第23卷第6期2012年12月

水资源与水工程学报

JournalofWaterResources＆WaterEngineering

Vol．23No．6Dec．，2012

参数随机模拟在地下水溶质运移数值模拟中的应用

吴晓艳，熊正为，彭小勇，邹晓亮，杨博豪

（南华大学城市建设学院，湖南衡阳421001）

摘要：从水文地质参数的随机性出发，以我国南方某大型铀尾矿库为例，采用GMS软件（地下水模拟系统）建立了参数随机模拟的数值模型，分析了渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移的影响。结果表明：渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移结果有较大的影响。在其它条件都相同的情况下，随着渗透系数标准差的增大，污染物运移的范围扩大，污染物浓度标准差等值线图变得越来越不规则，污染物质心位置偏离面源中心。关键词：随机模拟；GMS软件；渗透系数；空间变异性；溶质运移；地下水中图分类号：P641．8；X523

文献标识码：A

文章编号：1672-643X（2012）06-0058-04

Applicationofstochasticparametersimulationtogroundwater

numericalsimulationofsolutetransport

WUXiaoyan，XIONGZhengwei，PENGXiaoyong，ZOUXiaoliang，YANGBohao

（CollegeofUrbanConstruction，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China）

Abstract：Inconsiderationofthestochasticpropertyofhydrogeologyparameter，thegroundwatermodelingsystemGMSsoftwarewasadoptedtodevelopanumericalmodelforstochasticparametersimulationofalargeuraniumtailingsimpoundmentinSouthChina．Theeffectofthespatialvariabilityofpemeabilitycoef-ficientonsolutetransportingroundwaterwasanalyzed．Resultsshowthatthespatialvariabilityofpeme-abilitycoefficientexertsgreateffectsontheresultsofsolutetransportingroundwater．Atthesamecondi-tions，alongwiththeincreaseofthestandarddeviationofhydraulicconductivitystochasticfield，therangecontourmapsofthestandarddeviationforpollutantconcentrationbecomeofcontaminantmigrationexpand，

moreandmoreirregular．Meanwhile，thecentroidpositionofcontaminantdeviatesthecenterofnon－pointsource．

Keywords：stochasticsimulation；GMS；pemeabilitycoefficient；spatialvariability；solutetransport；groundwater

地下水数值模拟是目前分析地下水资源和地下

水环境变化的重要手段。以往的数值模型多采用确定性方法建立，但是，地下水含水层的几何条件复杂多变，各种水文地质参数都呈现一定的空间变异性，致使污染物在地下水中的运移具有较大的不确定性。为此，人们提出了随机理论方法，随机理论方法可以从宏观和统计的角度描述地下在有限的数据条件下，

水溶质运移的空间变异规律。自20世纪80年代以来，随机理论方法已被广泛的应用于渗透系数的空间

［1］

变异性和地下水运动及溶质迁移问题的研究中。Freeze［2］通过统计大量饱和带渗透系数和孔隙度的空间变异特征，认为多孔介质渗透系数的空间变异性可以用对数正态分布来描述，这一结论被后来的研究进

收稿日期：2012-07-23；修回日期：2012-09-11

基金项目：国家自然科学基金项目（11075072）作者简介：吴晓艳（1988-），女，湖南湘潭人，硕士研究生，研究方向为水处理理论与技术。通讯作者：熊正为（1963-），男，湖南沅江人，教授，硕士生导师，主要从事水处理理论与技术研究。

一步证实并获得广泛的应用

［3］

。

水文地质参数的空间变异性是影响地下水运动

和溶质迁移过程不确定性的主要因素。其中，渗透系数的空间变异性最大，其最大值与最小值相差可达13个数量级［1］。与渗透系数相比，孔隙率、给水度及其它水文地质参数的空间变异性可忽略不计，因此本文仅考虑渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移的影响。

GMS（地下水模拟系统，GroundwaterModelingSystem）是目前国际上较流行的综合性地下水软件包，它是由多模块组成的，可进行地下水流模拟、溶质运移模拟、反应运移模拟、随机模拟等。

1水文地质参数的随机性

积物孔隙含水层和红层孔隙裂隙水含水层，它们相互

联系，有着完整的地下水补给、径流、排泄条件，构成一个相对独立的地下水系统

。

一方面，水文地质参数如含水层的渗透系数、孔

给水度等，大都是通过有限的勘探试验获得的，隙率、

这些参数的真实性和代表性受勘探试验在时空分布上的局限，难以代表任意尺度下地质参数的真实特征或性质。另外，由于人的主观认知问题以及对各种资料的处理都存在近似和舍入误差，必然会给模拟模型带来随机误差。另一方面，在地下水数值模拟中通常

这种方法使用模型校正的方法来确定水文地质参数，需要足够多的实际观测资料，但是在实际工作中获得

足够多的观测资料是比较困难的，通过模型校正得到的参数只是曲线拟合结果，拟合结果也具有一定的随

［4］

机性。

图1研究区平面及差分剖分网格图

3．2模型概化

2参数随机模拟模型

根据研究区水文地质条件，地下水流可概化为单层均质各向异性潜水平面二维流。将河流设为定水头边界，水头为48m，研究区东侧以地表水分水岭为界，设为隔水边界，模拟区的南北两侧以流线为边界，亦设为隔水边界，整个模拟区地表设为降雨入渗边

并且界。考虑到研究区的水平尺度远大于垂直尺度，库区底部建有人工黏土垫层，污染物运移模型同样概［8］

化为平面二维稳定流模型，不做垂向浓度模拟。以整个尾矿库作为一个核素迁移的面源，以迁移能力强，半衰期长的放射性核素铀（U）作为模拟对象，应力期设为120d。以废水中铀浓度的平均值ρ0（0．705mg/L）作为初始入渗浓度。3．3

随机模型的建立及运行

本次研究主要针对含水层渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移的影响，其它水文地质参数、降水补给和边界条件等仍作为确定性参数输入。利用研究区实测水头对水流模型进行参数校正

、、5．6、后，最终得到分区ⅠⅡⅢ的渗透系数分别为40、

4．39m/d，以此作为随机变量渗透系数的均值（表1）。

表1分区

ⅠⅡⅢ

渗透系数标准差为0．2时的随机参数均值405．64．39

最小值324．483．512

最大值486．725．268

m/d

渗透系数标准差

81．120．878

参数随机模拟模型的建立是以已知的信息为基础，以随机函数为理论，应用随机模拟方法，产生等概高精度的地质参数分布模型率、

［5］

。

随机模型作为预测地下水多孔介质中水流和溶

［6］

质运移的有利工具，最早始于Warren和Price（1965）的Monte－Carlo（蒙特卡罗）模型研究，此模型假定随机变量的概率分布函数和随机变量之间的协

用伪随机数的生成技术生成多组输入方差函数已知，

变量，然后对每组随机变量进行数值模拟，得到相应

的若干模型计算结果，并获得所有解的统计估计。在GMS中，参数随机化的实现主要采用蒙特

［7］

卡罗法。在GMS中的参数随机模拟中，首先要以量

参数随机场的统计特征（平均值、标准差）作为输入。设定随机场实现的次数，对随机参数做抽样试验。然后，根据生成的参数随机场，运行对应条件下的水流模型（MODFLOW）和溶 …… 此处隐藏：5254字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……