基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法.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赵敬波,刘健,周志超,等.基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):5 5-6 4.Z h a o J i n g b o,L i u J i a n,Z h o u Z h i c h a o,e t a l.P a r a l l e l g r o u n d w
2、a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n a d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k m o d e lJ.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):5 5-6 4.基金项目:核设施退役及放射性废物治理专项项目(科工二司2 0 2 27 3 6号)作者简介:赵敬波(1 9 8 8),男,高级工程师,主要从事水文地质与
3、高放废物地质处置相关研究工作。E-m a i l:z h a o j i n g b o b r i u go u t l o o k.c o m E d i t o 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.基于离散裂隙网络模型的地下水流并
4、行模拟方法赵敬波,刘 健,周志超,季瑞利,张 明,付馨雨(核工业北京地质研究院国家原子能机构高放废物地质处置创新中心,北京 1 0 0 0 2 9)摘 要:裂隙水表现为强烈的非均匀性和各向异性,而离散裂隙网络模拟方法是目前国际上公认描述裂隙水流动规律最为合理、有效的方法之一。以我国高放废物地质处置地下实验室花岗岩场址为研究对象,借助高性能数值计算服务器集群及并行程序,提出了场址岩体离散裂隙网络渗流并行模拟方法。结果表明,该方法可实现千万级别模型网络单元离散裂隙网络渗流精细化模拟,提升了程序处理复杂问题的计算效率及能力;建立了离散裂隙网络模型结构优化与实际情景条件下边界参数赋值方法,保障了场址水
5、文地质评价过程中不同尺度模型水位信息的有效传递;模拟区域地下水位沿着裂隙呈网状结构分布,呈现从南向北流动的趋势,连通裂隙间的水位呈现从高到低的连续变化,非连通裂隙的水位是非连续的;地下水是沿着导水裂隙流动,裂隙网络的连通性及渗透性对地下水流动特性影响明显。离散裂隙网络渗流并行数值模拟可以更为精细反映裂隙地下水动力场特征,进一步提升裂隙介质渗流模拟预测能力,这对深化裂隙水流动规律的认识具有重要意义。关键词:裂隙岩体;离散裂隙网络;并行模拟;高放废物地质处置2 0 2 3-0 2-1 5收稿;2 0 2 3-0 4-2 0修回;2 0 2 3-0 4-2 0接受中图分类号:T L 9 4 2+.2
6、 1 1;P 6 4 1.2 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 5 5-1 0d 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 0 7 8 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):P a r a l l e l g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n a d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k m o d e lZ h a o J i
7、 n g b o,L i u J i a n,Z h o u Z h i c h a o,J i R u i l i,Z h a n g M i n g,F u X i n y u(C A E A I n n o v a t i o n C e n t e r f o r G e o l o g i c a l D i s p o s a l o f H i g h-L e v e l R a d i o a c t i v e W a s t e,B e i j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f U r a n i u m G e o l
8、 o g y,B e i j i n g 1 0 0 0 2 9,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eG r o u n d w a t e r f l o w i n f r a c t u r e d r o c k s h a s s t r o n g h e t e r o g e n e i t y a n d a n i s o t r o p y.T h e d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k(D F N)m e t h o d h a s b e e n i n t e
9、r n a t i o n a l l y c o n s i d e r e d a s o n e o f t h e m o s t r e a s o n a b l e a n d e f f e c t i v e m e t h o d s t o d e s c r i b e t h e f r a c t u r e w a t e r t r a n s p o r t.M e t h o d sI n t h i s w o r k,w e f o c u s e d o n g r a n i t e r o c k f r o m a n u n d e r g r
10、 o u n d r e s e a r c h l a b o r a t o r y s i t e f o r t h e g e o l o g i c a l d i s p o s a l o f h i g h-l e v e l r a d i o a c-t i v e w a s t e.I n a d d i t i o n,a h i g h-p e r f o r m a n c e n u m e r i c a l c o m p u t i n g s y s t e m a n d p a r a l l e l c o d e s w e r e e m p
11、 l o y e d t o d e v e l o p a g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h o d i n f r a c t u r e d r o c k s b a s e d o n t h e D F N m o d e l.R e s u l t sT h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d c o u l d c o n d u c t t h e g r o u n d w a
12、t e r f l o w s i m u l a t i o n o f D F N w i t h t h o u s a n d s o f m e s h e l e m e n t s.T h i s i m p r o v e d t h e c o m p u t a t i o n a l e f f i c i e n c y a n d a b i l i t y o f t h e p a r a l l e l c o d e s t o d e a l w i t h c o m p l e x m o d e l s.W e e s t a b l i s h e
13、d t h e D F N m o d e l s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n a n d p a r a m e t e r s e t t i n g m e t h o d s o f b o u n d a r y c o n d i t i o n s i n a c o m p l e x c o n d i t i o n.T h i s c o u l d e n s u r e t h a t t h e h y d r a u l i c h e a d s h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d
14、 u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 w e r e c o n t i n u o u s a t d i f f e r e n t s c a l e m o d e l s.F u r t h e r m o r e,i n t h e m o d e l a r e a,t h e h y d r a u l i c h e a d i s d i s t r i b u-t e d a s a n e t w o r k s t r u c t u r e a l o n g f r a c t u r e s.F o r t h e c o n n e c t e d f
15、 r a c t u r e s,t h e w a t e r l e v e l w a s c o n t i n u o u s a n d c h a n g e d f r o m h i g h t o l o w.H o w e v e r,t h e w a t e r l e v e l i n t h e n o n c o n n e c t e d f r a c t u r e s w a s d i s c o n t i n u o u s.G r o u n d w a t e r f l o w s a l o n g t h e f r a c t u r
16、 e f r o m t h e h i g h w a t e r l e v e l a r e a t o t h e l o w w a t e r l e v e l a r e a.T h e c o n-n e c t i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y o f t h e f r a c t u r e n e t w o r k h a v e a n o b v i o u s i n f l u e n c e o n t h e g r o u n d w a t e r f l o w c h a r-a c t e r i
17、 s t i c s.C o n c l u s i o nT h e r e f o r e,w e c o u l d c o n c l u d e t h a t t h e p a r a l l e l g r o u n d w a t e r f l o w s i m u l a t i o n m e t h-o d b a s e d o n t h e D F N m o d e l c o u l d m o r e r e a s o n a b l y r e f l e c t t h e g r o u n d w a t e r f l o w i n a
18、f r a c t u r e d r o c k m a s s.I t w a s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o f u r t h e r i m p r o v e t h e s i m u l a t e d p r e d i c t i o n a b i l i t y a n d d e e p e n t h e u n d e r s t a n d-i n g o f g r o u n d w a t e r f l o w c h a r a c t e r i s t i c s i n a f r a c
19、t u r e d m e d i u m.K e y w o r d s:f r a c t u r e d r o c k m a s s;d i s c r e t e f r a c t u r e n e t w o r k;p a r a l l e l s i m u l a t i o n;g e o l o g i c a l d i s p o s a l o f h i g h-l e v e l n u c l e a r w a s t e sR e c e i v e d:2 0 2 3-0 2-1 5;R e v i s e d:2 0 2 3-0 4-2 0;A
20、 c c e p t e d:2 0 2 3-0 4-2 0 放射性废物是核工业发展的必然产物,其中高放废物具有毒性大、放射性强、半衰期长、释热率高等特点,能否对其进行安全处置已成为关系到我国核工业可持续发展和环境保护的战略性课题。目前,国际上公认的高放废物处置方式为深地质处置,选择低渗透性岩体作为处置库,使其与人类环境永久隔离。但是,在复杂地质环境的长期作用下,放射性核素从处置设施中缓慢释放,伴随着围岩中地下水迁 移 到 生 物 圈,从 而 引 起 重 大 的 生 态 环 境 问题1-2。因此,合理表征围岩裂隙介质渗透性的空间结构,掌握裂隙岩体地下水场的演化规律,对高放废物的最终安全处置具有
21、极其重要的现实意义和战略意义。目前包括我国在内的许多国家都将花岗岩作为高放废物处置库的候选围岩,而花岗岩不可避免地分布有不同尺度的天然裂隙。不同方向、不同规模裂隙相互交切连通构成的网状结构控制着地下水赋存、运移和富集,地下水流动表现出强烈的不均匀性和各向异性3-4。目前国内外研究裂隙介质渗透结构数值方法主要分为等效多孔介质模型和离散裂隙网络模型两大类5-6。等效多孔介质数值方法相对较为成熟、应用广泛,常采用地质统计方法描述裂隙岩体渗透空间的结构性与随机性,主要方法包括克里金插值方法、P i l o t P o i n t调参方法、条件随机模拟方法、转移 概率-马 尔可夫链方 法、水力层析 法等
22、7-1 4。这类方法基于实测水文地质参数的数理统计规律,结合地下水动态、电磁信号、热示踪等响应数据,采用正演或者反演的方式表征裂隙岩体渗透结构的空间变异性特征。但是由于其忽略裂隙空间几何特征,必然在刻画随机裂隙产状信息与连通性方面存在着不足,在小尺度范围内模型结果更侧重于地下水流宏观模拟,无法实现裂隙间渗流特性精细化表征。离散裂隙网络渗流数值方法最早开始于2 0世纪8 0年代,是目前国际上公认描述裂隙水运移规律最为 合 理、有 效 的 方 法 之 一6,1 5-1 7。C a c a s等1 8、N o r d q v i s t等1 9最早采用离散裂隙网络统计模型,对比试验数据并验证小尺度范
23、围渗流模拟结果及方法的可靠性。宋晓晨等2 0-2 1采用边界元-管流数值方法求解裂隙网络中的渗流问题,并编制了裂隙岩体渗流模拟程序F r a c F l o w。d e D r e u z y等2 2建立了一系列裂隙密度由小到大,裂隙尺寸由长到短的三维裂隙网络模型,提出了一个针对三维随机裂隙网络渗流模拟的基准。黄宇等2 3基于变异函数方法,研究了个旧高松矿田莲花山断裂和五指山背斜裂隙网络的空间变异性。L a n g等2 4、胡成等2 5提出了一种可同时考虑岩体基质渗透特性的三维裂隙网络等效渗透张量的计算方法。但是整体上这些学者的研究侧重于数值建模算法的研究,模型的尺度相对较小,对数值计算能力要
24、求较低。考虑到裂隙间的相互交叉、裂隙闭合等因素,部分学者提出了自适应能力较高的网络自动剖分算法并优化网格质量以满足渗流模拟的需求2 6-2 9。伴随着离散裂隙网络建模、网格剖分及渗流模拟算法的逐渐完善,模型尺寸逐步增大,网格单元会呈几何倍数快速增长,网格数量可达百万级别甚至千万级别。基于此,一系列并行数值软件或者程序得到了研发和推广,例如:商业软件F r a c M a n和C o n n e c t F l o w,开 源 程 序d f n-W o r k s、S I D NUR、D u M u x 3、G e o F l o w等3 0-3 5。其中商业软件F r a c M a n和C
25、o n n e c t F l o w是现阶段应用较为广泛、商业程度较高的裂隙网络数值模拟软件,并在瑞典、芬兰及英国放射性废物处置领域得到了广泛应用,这两款软件数值建模较强,但并行计算能力 较 弱。而 上 述 开 源 软 件,尤 其 是 程 序d f n-W o r k s,并行计算能力较强,可借助于高性能数值计算服务器,实现大尺度的复杂离散裂隙网络渗流模拟研究,但是其处理复杂边界条件、巷道开挖等实际工程问题的能力较弱3 6-3 7。同时对于离散裂隙网络65 第4期赵敬波等:基于离散裂隙网络模型的地下水流并行模拟方法渗流数值模拟方法,由于仅考虑了裂隙中的地下水与溶质运移过程,忽略了裂隙网络与基
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