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基於矩形網格的地下水流差分方程

對於二維平面或剖面的地下水流問題,可以采用基於矩形網格的有限差分模型進行求解。矩形網格壹般如圖7.2所示,平面範圍被正交直線切割成壹系列矩形的單元格,每個單元的中心放置壹個控制點(格點),水頭和含水層的介質參數都定義在格點上。這種處理有限差分模型網格的方法又被稱為格點法或塊中心法(Block Centered Method)(McDonald等,1988)。以圖7.2中的格點(i,j)為中心,對於承壓含水層地下水流方程(1.26),可以轉化為如下的差分方程:

圖7.2 有限差分模型的矩形網格示意圖

地下水運動方程

式中:Txx和Tyy分別為x坐標和y坐標方向的導水系數;w為垂直網格平面的地下水補給強度;Δx和Δy分別為x坐標和y坐標方向的空間步長,且空間步長與格點位置無關。式(7.18)表明格點(i,j)的水頭變化只和它相鄰的4個格點有直接關系。如果用p來表示格點(i,j),用東(E)、南(S)、西(W)、北(N)來表示4個相鄰格點的位置,則格點之間的關聯系數可以寫為

地下水運動方程

從而式(7.18)可改寫為

地下水運動方程

其中右端項為已知項,即

地下水運動方程

這樣式(7.21)就與離散方程組的通式(7.3)具有相似的形式。當補給強度為越流產生時,考慮第壹類越流系統,則式(7.18)中的源匯項變為

地下水運動方程

式中:λ為越流系數;Hn為相鄰含水層的水頭(保持恒定)。在這種情況下,關聯系數Cpp和已知項要更新為

地下水運動方程

對於潛水面的Boussinesq方程(1.30),如果采用圖7.2所示的矩形網格,可以近似的轉化為如下差分方程:

地下水運動方程

式中:zbi,j表示含水層底板的高度。式(7.26)寫成離散方程組的通式(7.3),則類似式(7.21),但關聯系數和已知項需要改寫為

地下水運動方程

這種對Boussinesq方程的離散化方式會產生新的誤差,因為式(7.27)和式(7.28)中使用了前壹時刻的水位hki,j來計算飽和帶的導水系數。當然也可以使用待求時刻的水位hk+1i,j來計算,這樣就必須采用叠代法不斷更新關聯系數。

當空間步長Δx和Δy隨格點位置不同而變化,以及滲透系數、給水度等參數具有空間分布特征時,可以采用更加細化的導數差分格式或直接根據單元格的水均衡原理建立地下水流的差分方程。

對於三維滲流問題,壹般采用分層網格法進行處理。如圖7.3所示,每層網格的平面形狀都相同,通過層疊方式把三維空間切割成壹系列的單元體。垂向網格層的編號可以自上而下增大,也可以自下而上增大。在差分模型中,每個單元體都與相鄰的6個單元體建立直接聯系,如圖7.4所示。不妨用e來表示目標單元體(i,j,k),用東(E)、南(S)、西(W)、北(N)、上(U)、下(L)來表示6個相鄰單元體的位置,則從6個側面進入單元體e的流量可表示為

圖7.3 分層矩形網格

圖7.4 壹個模型單元e與6個相鄰單元之間的結構關系

地下水運動方程

式中:Δxe,ΔxeW,ΔxeE,ΔxeN,ΔyeS,ΔzeU,ΔzeL分別表示各單元體對應的空間步長,即各單元體的尺寸。進入單元體e的流量會引起這個單元體內水分貯存量的增加,並滿足以下的均衡方程:

地下水運動方程

式(7.36)就是三維滲流方程(1.23)的差分格式,同樣采取關聯系數的方式改寫為形如式(7.3)的離散方程通式。MODFLOW(McDonald等,1988)就是采用分層矩形網格來進行三維有限差分模型模擬的壹套計算機程序。

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