将地质结构整合到区域规模的地下水模型中

复杂地质结构的3D知识及其整合到水文地质模型中是研究不同尺度下液压过程动力学的先决条件。这篇博客文章描述了从3D地质建模软件集成到ComsolMultiphysics®软件中数值地下水流模型的过程中的不同挑战。

使用COMSOLMULTICHYSICS®的地下水建模

对于地下水建模，市场上有大量的专业软件包。他们中的许多人采用结构化的网格，要求地质是从固定数量的层中建造z整个地质模型中存在方向。但是，在复杂的地质结构中，在公里范围内，断层区可能以任意角度存在。使用Comsol®软件的主要动机，尽管它仍然没有被广泛用于地下水问题，但它的能力是进口更复杂的几何形状，与非结构化的网格一起工作并将断层区域视为液压裂缝。

地质3D建模越来越多地用于更好地理解空间结构关系。图1显示了瑞士朱拉山区区域尺度（约4 km x 4 km）的地质模型。该项目的主要目的是研究（计划中的）隧道对地下水循环的影响，在该区域频繁的硬石石轴承水平方面，以及在赤铁矿转化为石膏时肿胀的可能问题。

图1：延伸4 km x 4 km的复杂地质3D模型（在GOCAD®软件中）。将该模型导入COMSOL多物理学后，它会产生37个域和386个表面。

将地质结构导入comsol®

Comsol®地下水模型的起点是在GoCad®地质建模软件中制备的区域规模结构地质3D模型。然后将不同的地质表面转移到comsol多物理学。我们首次尝试基于DXF™或STL文件之间两个软件之间的几何形状转移导致了以后的处理步骤的并发症。因此，我们采用了一种特定策略，使我们能够进口复杂的地质模型：

1. 不同的地质表面首先出口为xyz来自GOCAD®的ASCII文件，并在具有插值功能的ComsolMultiphysics®中导入。必须找到解决方案的权衡，因为很少有要点会导致信息丢失，而太多的积分会造成过多的文件。
2. 然后，插值函数在几何特征的参数表面中使用。只需以这两个步骤进口简单的几何形状，但是对于更复杂的几何形状，需要第三步。
3. 插值函数始终定义在矩形底座上方，但并非所有的层边界或故障在现实中都表现出来。因此，必须通过布尔操作来修剪相交的表面。由于插值和布尔操作可能会改变原始几何形状，因此我们始终在视觉上将处理后的表面与Gocad®中的原始几何形状进行比较。此外，我们系统地分析了点和表面之间的距离，并调整设置，直到达到足够的精度（单位仪表范围）。

解决方案

图2：由插值点文件创建的参数表面。

图3：重新创建的表面必须逐步切割。左：添加一个边界框。右：红色表面已经与地形（蓝色）相交。绿色表面仍然必须通过地形和红色表面修剪。

在创建模型几何形状后，将由三个隧道管以及连接轴组成的隧道系统纳入COMSOL模型中。在图4中，隧道和局部模型周长（研究特定的隧道部分）以蓝色突出显示。

图4：由集成的隧道和局部模型周边（以蓝色突出显示），所得的模型几何形状（然后可以沿着地形脊切割，以更好地定义边界条件）。

数值模型的设置

大规模区域中的含水层和含水层几何形状的序列控制着由重力驱动的地下水循环。液压电位的大规模分布直接取决于地形。图5说明了如何将各自的地层信息组合成液压相似的单元。

图5：将地质信息整合到液压单元中（请参阅地质命名法）。右下：位于区域尺度模型中的隧道衬里和局部规模模型（蓝色）。

仿真结果

含水层，aquitard和隧道几何形状的进展的影响通过流动箭头的变化可视化（图6）。通过将地质单位分组为区域和局部含水层以及含水层来简化地质模型，需要专注于不同岩性单元的主要液压方面。但是，可以从区域模型中获取有价值的基本信息，将来可以通过监视数据改进数据基础。将复杂的地质信息集成到数值地下水流量模型中，使我们能够在隧道的局部规模上可视化和计算3D的地下水循环。使用本地水文地质模型的场景计算用于比较不同的隧道设计（例如，排水系统），这可以为不同项目阶段的决策利益相关者做出贡献。

图6：区域尺度地下水建模的结果。颜色显示帕斯卡尔的液压分布；箭头代表流动方向。左图显示了没有隧道的模型，右图像显示了在大气压下隧道的模型。（1）由于隧道中的大气边界条件引起的压力降低；地下水流动方向变化并指向隧道。（2）此外，遥远的区域（在区域含水层中）与大量压力损失反应。（3）在较深的区域，压力条件甚至地下水流动方向也发生了变化，因为该区域是水上线；但是，流速度（图中未显示）极低。

图7：左：隧道周围带有挖掘障碍区的详细本地模型（蓝色显示隧道管和红色显示通风轴和连接漂移）。右：定义方案的本地模型的结果。颜色显示液压头和箭头的分布显示主要的地下水流量（对数尺度的达西速度）。

参考

1. S. Scheidler，B。
2. S. Scheidler，P。Huggenberger，C。Butscher，H。Dresmann，“模拟受隧道发掘影响的复杂地质环境中液压流系统变化的工具，”B Eng Geol Environ78，969–980（2019）。
3. C. Butscher，S。Scheidler，H。Farhadian，H。Dresmann，P。Huggenberger，“在复杂的地质环境中，粘土硫酸盐岩石在隧道中的膨胀潜力以及通过3D地下水建模评估的液压措施的影响，”英格盖尔221，143–153（2017）。

关于作者

外交HYD。Stefan Scheidler在德国Breisgau的Freiburg大学学习水文学，自2006年以来，他一直是研究小组的科学家巴塞尔大学的应用和环境地质学（AUG）。他的工作的一个重点是地下系统的3D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的重要依据，包括地下水资源的管理。

参见Dipl提出的相关研究。HYD。Scheidler在2018年Co乐动滚球app下载msol会议上的洛桑（Lausanne）：“”区域地下水建模 - 将地质结构整合到数值模型中“。

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