基于MARUN的海岸带地下水渗流及溶质运移过程研究进展.pdf
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1、第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3姚孟,于胜超,张可馨,等.基于MA RUN的海岸带地下水渗流及溶质运移过程研究进展J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1 7 0-1 8 2.Y a o M e n g,Y u S h e n g c h a o,Z h a n g K e x i n,e t a l.R e s e a r c h p r
2、 o g r e s s o n c o a s t a l g r o u n d w a t e r f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t p r o c e s s e s b a s e d o n MA R UNJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1 7 0-1 8 2.基于MA R U N的海岸带地下水渗流及基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 9 7 2 2 6 0;4 2
3、 1 3 0 7 0 3);深圳市科技创新委员会稳定支持项目(2 0 2 0 0 9 2 5 1 7 4 5 2 5 0 0 2)作者简介:姚 孟(1 9 9 6),男,现正攻读力 学专业硕士学位,主要 从 事 海 岸 带 地 下 水 数 值 模 拟 方 面 的 研 究 工 作。E-m a i l:y a o m 2 0 2 0m a i l.s u s t e c h.e d u.c n通信作者:李海龙(1 9 6 5),男,教授,主要从事海岸带水文水环境教学和科研工作。E-m a i l:l i h a i l o n g s u s t e c h.e d u.c n E d i t o
4、 r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.溶质运移过程研究进展姚 孟1 a,1 b,1 c,于胜超1 a,2,张可馨1 a,1 b,1 c,李海龙1 a,1 b,1 c(1.南方科技大学 a.环境科学与工程学院;b.广东省土壤与地下水污染控
5、制重点实验室;c.地表水-地下水污染综合治理国家环境保护重点实验室,广东 深圳 5 1 8 0 5 5;2.香港大学地球科学系,香港 9 9 9 0 7 7)摘 要:为定量研究海岸带众多非线性因素对含水层中地下水流-溶质运移过程的影响,MA RUN(M a r i n e U n-s a t u r a t e d)这款专门用于海岸带地下水数值模拟的软件被开发完成。从模型原理、算法特点、文献调研、案例分析等方面综述了MA RUN的研究和应用进展。该软件适用于海岸带二维垂直剖面的地下水流及溶质运移反应的数值模拟。MA RUN实现了变密度、变饱和度渗流与溶质运移的有限元算法,质量集中的隐式差分离散
6、,以及P i c a r d、N e w t o n、N e w t o n-P i c a r d数值解法,涵盖了海潮海浪、蒸发降雨和荷载效应等众多非线性因素,具有专业性强、灵活性好、容错率高等特点,但没有可视化界面。MA RUN已在原油污染的海滩生物修复、潮间带浅层含水层海水-地下水循环过程、区域地下水流系统的演化等场景中取得一批富有特色的研究成果。未来,MA RUN需要进一步拓展到三维空间,耦合具有随机特征的物理化学过程,以提高对滨海含水层中地下水流与溶质运移过程的模拟仿真水平。关键词:海岸带;地下水;数值模拟;MA RUN2 0 2 3-0 3-1 0收稿;2 0 2 3-0 4-1
7、2修回;2 0 2 3-0 4-1 3接受中图分类号:X 1 4 5 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 1 7 0-1 3d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 3 0 1 3 1 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):R e s e a r c h p r o g r e s s o n c o a s t a l g r o u n d w a t e r f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t p r o c e s s e s b a s
8、e d o n MA R U NY a o M e n g1 a,1 b,1 c,Y u S h e n g c h a o1 a,2,Z h a n g K e x i n1 a,1 b,1 c,L i H a i l o n g1 a,1 b,1 c(1 a.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g;1 b.G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f S o i l a n
9、d G r o u n d w a t e r P o l l u t i o n C o n t r o l;1 c.S t a t e E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n K e y L a b o r a t o r y o f I n t e g r a t e d S u r f a c e W a t e-G r o u n d w a t e r P o l l u t i o n C o n t r o l,S o u t h e r n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n
10、d T e c h n o l o g y,S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 5 5,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f E a r t h S c i e n c e s,T h e U n i v e r s i t y o f H o n g K o n g,H o n g K o n g 9 9 9 0 7 7,C h i n a)A b s t r a c t:S g n i f i c a n c eT o q u a n t i t a t i v e l y s t u d y t h e i
11、 m p a c t o f v a r i o u s n o n l i n e a r f a c t o r s i n t h e c o a s t a l z o n e o n g r o u n d w a t e r f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t p r o c e s s e s,MA RUN(M a r i n e U n s a t u r a t e d)s o f t w a r e f o r s i m u l a-t i n g g r o u n d w a t e r f l o w i n t
12、h e c o a s t a l z o n e w a s d e v e l o p e d.P r o g r e s sT h i s p a p e r r e v i e w s t h e r e s e a r c h a n d 第4期姚 孟等:基于MA RUN的海岸带地下水渗流及溶质运移过程研究进展a p p l i c a t i o n p r o g r e s s o f MA RUN f r o m t h e a s p e c t s o f m o d e l p r i n c i p l e s,a l g o r i t h m c h a r a
13、c t e r i s t i c s,l i t e r a t u r e r e v i e w,a n d c a s e a n a l y s e s.T h e s o f t w a r e i s s u i t a b l e f o r n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f t w o-d i m e n s i o n a l v e r t i c a l p r o f i l e s o f g r o u n d w a t e r f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o
14、r t r e a c t i o n s i n t h e c o a s t a l z o n e.MA RUN i m p l e m e n t s a f i-n i t e e l e m e n t a l g o r i t h m f o r v a r i a b l e s a t u r a t i o n a n d d e n s i t y f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t,m a s s-c o n s i s t e n t i m-p l i c i t d i f f e r e n c e d i
15、 s c r e t i z a t i o n,a n d P i c a r d,N e w t o n,a n d N e w t o n-P i c a r d n u m e r i c a l s o l u t i o n m e t h o d s,c o v-e r i n g m a n y n o n l i n e a r f a c t o r s s u c h a s t i d e s,w a v e s,e v a p o r a t i o n,r a i n f a l l,a n d l o a d e f f e c t s.I t i s c h a
16、 r a c t e r-i z e d b y i t s h i g h p r o f e s s i o n a l i s m,g o o d f l e x i b i l i t y,a n d h i g h f a u l t t o l e r a n c e,b u t i t d o e s n o t h a v e a g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e.MA RUN h a s a c h i e v e d a n u m b e r o f h i g h l i g h t e d r e s e a r
17、c h r e s u l t s i n s c e n a r i o s s u c h a s b i o r e-m e d i a t i o n o f c r u d e o i l p o l l u t i o n o n b e a c h e s,s e a w a t e r-g r o u n d w a t e r c i r c u l a t i o n p r o c e s s e s i n s h a l l o w a q u i f e r s i n i n t e r t i d a l z o n e s,a n d t h e e v o
18、l u t i o n o f r e g i o n a l g r o u n d w a t e r f l o w s y s t e m s.C o n c l u s i o n a n d P r o s p e c t sI n t h e f u t u r e,MA RUN n e e d s t o b e f u r t h e r e x p a n d e d i n t o t h r e e-d i m e n s i o n a l s p a c e a n d c o u p l e d w i t h p h y s i c o-c h e m i c
19、a l p r o c e s s e s w i t h r a n d o m c h a r a c t e r i s t i c s t o i m p r o v e i t s p e r f o r m a n c e l e v e l o f s i m u l a t i n g g r o u n d w a t e r f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t i n c o a s t a l a q u i f e r s.K e y w o r d s:c o a s t a l z o n e;g r o u n
20、d w a t e r;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;MA RUNR e c e i v e d:2 0 2 3-0 3-1 0;R e v i s e d:2 0 2 3-0 4-1 2;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 4-1 3 海岸带是全球资源最丰富、经济最发达的地区,聚集了世界上绝大部分人口,同时也承载着陆源地下水 与 海 水 交 互 的 整 个 过 程,其 重 要 性 不 言 而喻1-3。近2 0年来,随着沿海城市规模的不断扩大、人口的加速增长、工农业经济的迅速发展,诱发了一系列海岸带环境地质问题:地面沉降、海水入侵、
21、滨海湿地退化、滨海建筑失稳、近岸海水的环境恶化等4-1 0。为解决这些问题,必须对海岸带含水层中的地下水流系统有足够的认识,并能厘清其中的海水、地下水、各种陆源化学物质(如农药、有机肥料等)和各种海源化学物质(如溢油、盐分)之间相互作用的过程及机理。试验观测和理论计算是2种主要的研究手段:前者虽然可靠,但成本高、代价大且容易对原位过程造成破坏;后者需要求解由一组偏微分方程(含定解条件)组成的数学模型,但这只有极少情况下能获得其解析解,且形式复杂,常包含无穷级数、特殊函数或超越方程等。数值模拟技术是继试验观测和理论计算之后的研究地下水流系统的通用手段,主要借助于计算机建模求解1 1-1 3。目前
22、数值模拟技术已经相对成熟,被应用在一大批数值模拟软件中模拟地下水流和溶质运移过程,详细统计见表1。其中,MO D F L OW以三维有限差分法为基础,可以模拟和预测孔隙介质地下水流及溶质运移过程,广泛应用于地下水资源管理、地下水污染控制、水资源评价等方向1 4。MT 3 DM S与MO D F L OW配套,可以模拟地下水流系统中的溶质迁移和简单化学反应过程,支持吸附、解吸、挥发等多种作用1 5。P HT 3 D,耦合了P HR E E Q C和MT 3 DM S,进一步完善了MT 3 DM S的生物地球化学反应系统1 6。然而,MT 3 DM S和P HT 3 D通常需要与其他水流模拟软件耦
23、合使用,来提高其综合应用能力。例如,S E AWAT软件,耦合了MO D F-L OW和MT 3 DM S,可以模拟三维变密度地下水流动与多种溶质和热量的传输耦合,解决海底地下水排泄、海水 入侵、沿海湿 地水文和岛 屿水文等问题1 7。随着软件的功能不断增加,其计算效率低、计算误差大等问题又相继显现。近年来,GM S应运而生,以其成熟的技术和全面的功能备受关注。该软件支持多种离散格式,支持多种软件的耦合,支持多种地下水流过程;有便捷的图形界面,前后处理功能强大,自检查功能完善1 8。遗憾的是,GM S需要以MO D F L OW作为水流模拟的基础,受到MO D F-L OW本身局限的影响,在处
24、理滨海地下水流的变饱和度、海潮复杂边界问题时,仍面临着较大的挑战。F E F L OW和S UT R A是2款用于模拟变饱和-变密度 地下水流、溶质和热运移 过程的软件。F E F L OW采用有限元离散技术,可有效应对断层、裂隙、弱透水带等复杂地层条件,常用于解决煤矿开采区域的地下水流问题和近岸地下水超采诱发的海水入侵问题1 9-2 0。相比之下,S UT R A功能更广泛,还可以模拟湖泊的演化,区域地热资源的开发和利用等2 1。以及H y d r o G e o S p h e r e主要用于区域尺度的地表-地下水流系统的耦合模拟。这三款软件都擅长解决较大尺度且变化缓慢的地下水流问题,但对
25、海滩尺度快速变化的地下水流过程则刻画不足,比如缺少渗出面边界的处理算法。最近几年,C OM S O L在流体模拟方面也表现出显著的优势,它是一个多物理场仿真软件,可以模拟多种流体动力学问题,如湍流、多相流、边界层等,但在处理非线性渗流与溶质运移方面还面临着很大挑战。然而,海岸带含水层中的地下水流-溶质运移171h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 过程受众多非线性的复杂因素共同作用,比如海潮周期性的浸没和大小潮变化及其造成的土壤孔隙水饱和度变化、海潮荷载效应、毛细效应、生物扰动、低潮时潮间带地表可能产生的渗出面、海滩地形(
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