使用 COMSOL Multiphysics^® 模拟地下水

市场上有大量模拟地下水的专用软件包，其中有很多采用结构化网格，并要求从整个地质模型的 z 方向上固定层数构建地质。但是，在千米尺度的复杂地质结构中，断层带可能会以任意角度出现。尽管 COMSOL^® 软件尚未广泛应用于地下水模拟问题，但它允许导入更复杂的几何、使用非结构化网格以及将断层带视为水力裂缝，因此可以在地下水模拟中使用。

地质三维模拟越来越多地被用来更好地理解空间结构关系。图1显示了瑞士汝拉山脉区域尺度（约 4km x 4km）的地质模型。该项目的主要研究目的是（拟建）隧道对该地区频繁出现的含硬石膏层位对地下水循环的影响，以及在硬石膏转换成石膏的过程中可能出现的膨胀问题。

图1 放大 4km x 4km 后的复杂地质三维模型（在 GOCAD^® 软件中模拟）。将此模型导入 COMSOL Multiphysics 后，将得到 37 个域和 386 个面。

将地质结构导入 COMSOL^®

将在 GOCAD^® 地质建模软件中准备的区域尺度的结构地质三维模型作为 COMSOL^® 地下水模型的起点，然后将不同的地质表面转移到 COMSOL Multiphysics 中。刚开始，我们尝试基于 DXF 或 STL 文件在两个软件之间进行几何传输，结果导致后续处理步骤非常复杂。因此，我们采用了一种特定的策略来导入复杂的地质模型：

1. 首先，从 GOCAD^® 将不同的地质表面导出为 xyz ASCII 文件，然后使用插值函数将其导入 COMSOL Multiphysics^®。我们必须找到一个合适的分辨率，因为太少的点会导致信息丢失，而太多的点会导致文件过大。
2. 然后，在几何特征的参数化面中使用插值函数。仅通过这两个步骤就可以导入简单的几何，但是对于更复杂的几何，则需要第三步。
3. 插值函数总是定义在一个矩形的基础上，但实际上并非所有层边界或断层都是这样。因此，必须使用布尔操作修剪相交曲面。由于插值和布尔操作可能会更改原始几何图形，因此我们总是在视觉上将经过处理的面与 GOCAD^® 中的原始几何图形进行比较。此外，我们系统地分析了点与面之间的距离并调整了设置，直到达到足够的精度（米量级）为止。

分辨率

图2 从插值点文件创建的参数化面。

图3 必须逐步切割重新创建的面。左：添加边界框。右：红色面已经与地形相交（蓝色）。绿色面仍必须被地形和红色面修剪。

创建模型几何形状后，将由三个隧道管以及连接轴和通风井组成的隧道系统整合到COMSOL模型中。在图4中，隧道和局部模型的周长（用于研究特定隧道截面）用蓝色突出显示。

图4 具有集成隧道和局部模型周长（以蓝色突出显示）的模型几何结果（可以沿着地形脊切割模型，以更好地定义边界条件）。

设置数值模型

受重力驱动的地下水循环由大尺度区域中的弱透水层和含水层几何序列控制。水力势能的大尺度分布直接取决于地形。图5示出了如何将各个地层信息组合成水力相似的单元。
 

图5 将地质信息整合到水力单元中（点击此处，参考地质术语）。右下：隧道衬砌和位于区域尺度模型中的局部尺度模型（蓝色）。

仿真结果

由流动方向箭头的变化，我们可以直观地看出含水层、弱透水层和隧道几何形状的影响（图6）。通过将地质单元划分为区域和局部含水层以及含水层来简化地质模型，同时需要关注不同岩性单元的主要水力。但是，我们仍然可以从区域模型中获得有价值的基本信息，将来可以在监测数据的修正数据的基础上对这些信息进行调整。将复杂的地质信息整合到数值地下水流模型中，使我们能够在隧道局部尺度以三维视图的形式计算地下水循环。利用当地正在进行的水文地质模型计算，可以比较不同的隧道设计（例如排水系统），这有助于在不同的项目阶段为利益相关者做出决策。
 

图6 区域尺度地下水模拟结果。颜色显示了以帕斯卡为单位的水力压力分布。箭头表示流动方向。左图显示了没有隧道的模型，右图显示的是大气压力下有隧道的模型。（1）隧道内大气边界条件引起的压力降低；地下水流向改变并指向隧道。（2）而且，较远的区域（在区域含水层中）会产生很大的压力损失。（3）在较深的区域，由于该区域为弱透水层，压力条件甚至地下水的流动方向也会发生变化；但是，流速（图中未示出）极低。
 

图7 左图：隧道周围开挖扰动区域的详细局部模型（蓝色表示隧道管，红色表示通风井和连接管）。右图：给定情境下局部模型的结果。颜色表示压力水头的分布，箭头表示主要的地下水流（达西速度以对数刻度表示）。

参考文献

1. S. Scheidler, B. Anders, C. Regli, S. Bolay, P. Huggenberger, “Geothermal use of an Alpine aquifer – Davos pilot study,” Grundwasser (2019) DOI: 10.1007/s00767-019-00433-y.
2. S. Scheidler, P. Huggenberger, C. Butscher, H. Dresmann, “Tools to simulate changes in hydraulic flow systems in complex geological settings affected by tunnel excavation,” B Eng Geol Environ 78, 969–980 (2019).
3. C. Butscher, S. Scheidler, H. Farhadian, H. Dresmann, P. Huggenberger, “Swelling potential of clay-sulfate rocks in tunneling in complex geological settings and impact of hydraulic measures assessed by 3D groundwater modeling,” Eng Geol 221, 143–153 (2017).

关于作者

Dipl. Hyd. Stefan Scheidler，在德国布雷斯高的弗赖堡大学研究水文学，自2006年以来，他一直是巴塞尔大学应用与环境地质学（Applied and Environmental Geology ，AUG）研究组的科学家。他的工作重点之一是地下系统的三维地质和水文地质建模。AUG 开发的工具是讨论可持续地下规划（包括地下水资源管理）的重要基础。
 

 
更多详细内容，请参见 Dipl. Hyd. Scheidler 在 2018 年洛桑 COMSOL 用户年会上的相关研究：“区域地下水建模- 将地质结构整合到数值模型中”。

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