地下水模擬技術(shù)及應(yīng)用培訓(xùn)

1、地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)與應(yīng)用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)與應(yīng)用第四講第四講 地下水流模型地下水流模型MODFLOW簡介簡介中科院計(jì)算所培訓(xùn)中科院計(jì)算所培訓(xùn)主要內(nèi)容3.1 主要功能和主要模塊3.2目前國內(nèi)外主要地下水模擬軟件簡介3.3 Visual Modflow簡介（簡單操作）3.4 GMS簡介3.5地下水?dāng)?shù)值模擬發(fā)展趨勢(shì)3.6一點(diǎn)體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)4.1 主要功能和模塊MODFLOW（Modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model）是由美國地質(zhì)調(diào)查局上世紀(jì)80年代開發(fā)的基于有限差分法的孔隙介質(zhì)中三維地下水流模擬程序，現(xiàn)已推出M

2、ODFLOW88、96、2000和2005四個(gè)版本，已成為功能完善、擴(kuò)展性強(qiáng)、應(yīng)用最為廣泛的地下水流模擬程序。主要功能模擬穩(wěn)定、非穩(wěn)定地下水流非均質(zhì)含水層，簡單的各項(xiàng)異性含水層二維、三維地下水流模擬承壓、潛水、承壓-無壓含水層地下水流模擬適用條件飽和空隙介質(zhì)地下水流，地下水流動(dòng)滿足達(dá)西定律。4主要特點(diǎn)：采用FORTRAN語言編程，可下載源程序，可根據(jù)需要對(duì)程序改編；采用模塊化結(jié)構(gòu)，MODFLOW程序可分為一個(gè)主程序和若干個(gè)高度獨(dú)立的子程序（模塊，modules），若干相關(guān)的子程序整合形成具有特定功能的子程序包（pakages）。使程序易于理解和修改，便于二次開發(fā)和增加新的模塊和子程序包，對(duì)其功

3、能進(jìn)行擴(kuò)展；離散單元的簡單化。采用矩形不等距網(wǎng)格離散，便于用戶對(duì)模擬區(qū)剖分和準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)，輸出的計(jì)算結(jié)果也比較規(guī)范化。Upscale技術(shù)；在時(shí)間離散上，引入應(yīng)力期的概念，便于模擬期內(nèi)時(shí)間段的劃分和時(shí)間步長的設(shè)定；求解方法多樣化；輸出格式的標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化；資源豐富，可在有關(guān)網(wǎng)站上下載源程序、參考手冊(cè)、操作手冊(cè)等；有較多的軟件產(chǎn)品，廣大的用戶。子程序包名稱子程序包名稱英文英文縮寫縮寫功能功能基本子程序包基本子程序包BASBAS指定邊界條件、時(shí)間段長度、初始條件以及輸出指定邊界條件、時(shí)間段長度、初始條件以及輸出計(jì)算單元間滲流子程序包計(jì)算單元間滲流子程序包BCFBCF計(jì)算有限差分方程組各項(xiàng)的值，即網(wǎng)格

4、間流量和儲(chǔ)計(jì)算有限差分方程組各項(xiàng)的值，即網(wǎng)格間流量和儲(chǔ)存變化量存變化量外應(yīng)外應(yīng)力子力子程序程序包包水井子程序包水井子程序包WELWEL定義點(diǎn)井的濾水管位置和井流量定義點(diǎn)井的濾水管位置和井流量補(bǔ)給子程序包補(bǔ)給子程序包RCHRCH定義含水層的面狀補(bǔ)排強(qiáng)度定義含水層的面狀補(bǔ)排強(qiáng)度河流子程序包河流子程序包RIVRIV將河流處理為三類邊界將河流處理為三類邊界排水溝子程序包排水溝子程序包DRNDRN如果地下水位高于排水溝底板，則定義為一類邊界，如果地下水位高于排水溝底板，則定義為一類邊界，如果低于底板，則無補(bǔ)排量。如果低于底板，則無補(bǔ)排量。蒸發(fā)蒸騰子程序包蒸發(fā)蒸騰子程序包EVTEVT按阿維楊諾夫公式處理地

5、下水的蒸發(fā)蒸騰量按阿維楊諾夫公式處理地下水的蒸發(fā)蒸騰量通用水頭子程序包通用水頭子程序包GHBGHB將邊界定義為三類邊界條件將邊界定義為三類邊界條件求解求解子程子程序包序包SIPSIP子程序包子程序包SIPSIP強(qiáng)隱式法求解線性方程組強(qiáng)隱式法求解線性方程組SSORSSOR子程序包子程序包SSORSSOR超松弛迭代法求解線性方程組超松弛迭代法求解線性方程組PCGPCG子程序包子程序包PCGPCG預(yù)調(diào)共軛梯度法求解線性方程組預(yù)調(diào)共軛梯度法求解線性方程組MODFLOW主要子程序包功能表主要子程序包功能表名稱名稱功能功能備注備注ETSETS蒸散發(fā)子程序包，允許用戶定于蒸散發(fā)蒸散發(fā)子程序包，允許用戶定于蒸

6、散發(fā)-地下水位關(guān)系。地下水位關(guān)系。已整合到已整合到MODFLOW-2000和和MODFLOW-2005中。中。STRSTR河流河流-含水層交換量子程序包，河流量計(jì)算考慮了沿河流路徑與地下水交換。含水層交換量子程序包，河流量計(jì)算考慮了沿河流路徑與地下水交換。同上同上SFR2SFR2河流入滲子程序包，可模擬河流非飽和入滲補(bǔ)給含水層。河流入滲子程序包，可模擬河流非飽和入滲補(bǔ)給含水層。同上同上HUF2HUF2計(jì)算水文地質(zhì)單元滲流子程序包，可將實(shí)際介質(zhì)的水文地質(zhì)屬性（滲透性）賦到計(jì)算水文地質(zhì)單元滲流子程序包，可將實(shí)際介質(zhì)的水文地質(zhì)屬性（滲透性）賦到個(gè)網(wǎng)格上。個(gè)網(wǎng)格上。同上同上IBS1/2IBS1/2基于

7、基于MODFLOW開發(fā)的有粘土夾層的含水層形變子程序包，可計(jì)算由于地下水開發(fā)的有粘土夾層的含水層形變子程序包，可計(jì)算由于地下水儲(chǔ)存量變化引起的含水層形變量。儲(chǔ)存量變化引起的含水層形變量。同上同上SUBSUB在在IBS1/2基礎(chǔ)上改進(jìn)的地面沉降和含水層壓縮子程序包，可單獨(dú)計(jì)算出粘性土索基礎(chǔ)上改進(jìn)的地面沉降和含水層壓縮子程序包，可單獨(dú)計(jì)算出粘性土索性壓縮和含水層彈性壓縮量。性壓縮和含水層彈性壓縮量。同上同上UZFUZF模擬非飽和帶模擬非飽和帶-飽和帶垂向水流子程序包。飽和帶垂向水流子程序包。源程序已整合到源程序已整合到MODFLOW-2005中。中。LGRLGR局部網(wǎng)格加密（局部網(wǎng)格加密（LGR）

8、功能，允許用戶在網(wǎng)格更大更粗糙的母模型中模擬更高）功能，允許用戶在網(wǎng)格更大更粗糙的母模型中模擬更高精度的局部網(wǎng)格（稱為子模型）中的水流。精度的局部網(wǎng)格（稱為子模型）中的水流。源程序已整合到源程序已整合到MODFLOW-2005中。中。MODPATHMODPATH地下水中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑的三維質(zhì)點(diǎn)示蹤模型，可進(jìn)行正向示蹤和反向示蹤。地下水中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑的三維質(zhì)點(diǎn)示蹤模型，可進(jìn)行正向示蹤和反向示蹤。/softwar/software/MODPATH/e/MODPATH/MT3DMSMT3DMS基于基于MODFLOW開發(fā)的考

9、慮對(duì)流、彌散、源匯項(xiàng)、化學(xué)作用的多組分地下水溶開發(fā)的考慮對(duì)流、彌散、源匯項(xiàng)、化學(xué)作用的多組分地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型質(zhì)運(yùn)移模型/mt3d//mt3d/RT3DRT3D在在MT3D基礎(chǔ)上模擬地下水中多組分反應(yīng)，適合于模擬自然衰減和生物恢復(fù)?；A(chǔ)上模擬地下水中多組分反應(yīng)，適合于模擬自然衰減和生物恢復(fù)。/rt3/rt3d.htmd.htmSEAM3DSEAM3D在在MT3D模型基礎(chǔ)上開發(fā)的碳?xì)浠衔锝到饽Ｐ?，可模擬多達(dá)模型基

10、礎(chǔ)上開發(fā)的碳?xì)浠衔锝到饽Ｐ?，可模擬多達(dá)27種物質(zhì)的運(yùn)移和種物質(zhì)的運(yùn)移和相互作用。相互作用。MOC3DMOC3D基于特征值法的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型，可考慮對(duì)流、彌散、混合、線性吸附和放射基于特征值法的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型，可考慮對(duì)流、彌散、混合、線性吸附和放射性衰減等作用。性衰減等作用。MODFLOWMODFLOW- -SURFACTSURFACT飽和飽和-非飽和水流和污染質(zhì)運(yùn)移模型非飽和水流和污染質(zhì)運(yùn)移模型http:/www.scientificsoftwarehttp:/ 國內(nèi)外流行的地下水模型軟件名稱主要功能特點(diǎn)開發(fā)單位、下載或購買網(wǎng)址GMS(Groundwater Modeling Syste

11、m，windows)整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE、NUFT等模型和程序包，等可進(jìn)行水流、溶質(zhì)運(yùn)移、反應(yīng)運(yùn)移模擬；建立三維地層實(shí)體，進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)管理、二維(三維)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)，與ARCGIS有良好的接口。使用界面友好，前、后處理功能及三維可視化效果優(yōu)良，目前已成為國際上最受歡迎的地下水模擬軟件。適用于孔隙介質(zhì)三維地下水模擬，與GIS接口好，是目前國內(nèi)最常用的軟件地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件，但軟件較復(fù)雜，價(jià)格偏貴。由美國Brigham Young University的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，

12、網(wǎng)址：/gms.htm。分銷商為：http:/www.ems- Modflow（windows）綜合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST 等地下水模型而開發(fā)的可視化地下水模擬軟件，可進(jìn)行三維水流模擬、溶質(zhì)運(yùn)移模擬和反應(yīng)運(yùn)移模擬。合理的菜單結(jié)構(gòu)、友好的界面和功能強(qiáng)大的可視化特征和極好的軟件支撐使之成為許多地下水模擬專業(yè)人員選擇的對(duì)象。適用于孔隙介質(zhì)三維地下水模擬，簡單易學(xué)，價(jià)格相對(duì)便宜，是目前國內(nèi)最流行的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件之一。加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司開發(fā)研制http:/www.Waterloo

13、www. S 有多種理論模式進(jìn)行選擇。運(yùn)用達(dá)西、泊松以及manning-strickler理論的離散單元分析。與GIS接口好，剖分靈活，可進(jìn)行復(fù)雜的（各向異性）地下水流、溶質(zhì)和熱運(yùn)移模擬。專業(yè)性強(qiáng)，價(jià)格偏貴。是目前國內(nèi)常用的地下水模型軟件之一。Feflow是由德國Wasy水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所研制開發(fā)，網(wǎng)址：http:/ www.wasy.de/english/produkte/feflow/ index.html#。Groundwater Vistas（windows）基于MODFLOW開發(fā)的在功能上類似于GMS的地下水模型軟件，功能強(qiáng)大，用戶界面優(yōu)化，可視化程度高，可用蒙特卡洛方法結(jié)合mod

14、flow、MT3D進(jìn)行參數(shù)敏感性分析、地下水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等。結(jié)合么特卡羅方法的隨機(jī)地下水?dāng)?shù)值模擬美國Environmental Simulations, Inc.公司開發(fā)：http:/www.ground - .為漢字界面和幫助，有利于國內(nèi)專業(yè)人員學(xué)習(xí)和使用。中國水利水電研究院開發(fā)IGW（Interactive Ground Water， windows）交互式二維、三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬軟件，可設(shè)定確定性、蒙特卡洛和條件蒙特卡洛隨機(jī)條件，運(yùn)用網(wǎng)格逐步加密技術(shù)（upscale）進(jìn)行局部加密。網(wǎng)格局部加密可在區(qū)域模型中嵌套局部精細(xì)刻畫的地下水模型美國密西根州立大學(xué)土木工程和環(huán)境工程系開發(fā)：h

15、ttp:/www.egr. / igw/，可下載可執(zhí)行文件、使用手冊(cè)等。PMWIN基于MODFLOW開發(fā)的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型，軟件中整合了IBS模塊，可進(jìn)行含水介質(zhì)的彈性和塑性變形量計(jì)算。簡單易學(xué)，可進(jìn)行抽水引起的地面沉降計(jì)算。由臺(tái)灣人Wen-Hsing Chiang開發(fā)：http:/ GeoTrans公司開發(fā)：http:/www.geotran- (3D Heat&Solute Transport Model，DOS)基于有限差分法的三維熱及溶液運(yùn)移模型。可以模擬三維空間地下水流及有關(guān)的熱、溶液運(yùn)移，進(jìn)行地質(zhì)廢物處置、填埋物浸出、鹽水入侵、淡水回灌與開采、放射性廢物

16、處理、水中地?zé)嵯到y(tǒng)和能量儲(chǔ)藏等問題的分析。目前國內(nèi)常用于淺層地下水系統(tǒng)熱運(yùn)移模擬。美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)：/projects/GW_Solute/hst/，可下載可執(zhí)行程序和使用說明。TOUGH2（DOS）通用的中滲流、多組分溶質(zhì)運(yùn)移和熱運(yùn)移數(shù)值模擬程序，適用二維和三維、飽和及非飽和多孔介質(zhì)和裂隙介質(zhì)問題，主要用于地?zé)峁こ獭⒑藦U料處理、環(huán)境評(píng)價(jià)與治理等方面?；贔ortran77開發(fā)的，適于在任何平臺(tái)上運(yùn)行，目前國內(nèi)多用于地下熱水運(yùn)移模擬。由美國加州大學(xué)伯克利分校勞倫斯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，/TOUGH2/index.

17、htmlHYDRUS-2D/3D（windows）二維、三維飽和和非飽和帶水分、溶質(zhì)和能量運(yùn)移模型，可進(jìn)行剖面二維模擬，用戶界面優(yōu)化，輸出的可視化表達(dá)較好。特別適合有植被條件下的土壤水-地下水流和溶質(zhì)云以模擬。美國加州大學(xué)河濱分校、鹽湖研究所國際地下水模型中心和捷克PC-Progress公司聯(lián)合開發(fā)：http:/ www.pc- International Ltd開發(fā)：http:/www.geo-slope. com/products/，可從以上網(wǎng)址了解有關(guān)信息、下載學(xué)生版。MIKE SHE（windows）綜合的分布式流域模型，可完整地模擬陸地水循環(huán)中地表、非飽和帶和地下水的水量和溶質(zhì)運(yùn)移過

18、程。與AcrGIS和MODFLOW有良好的接口，界面友好，操作簡單，可視化功能強(qiáng)。可應(yīng)用于水環(huán)境影響評(píng)價(jià)、地下水地表水聯(lián)合使用、地下水和地表水管理等方面。特別適合地下水-地表水聯(lián)系密切條件下水資源系統(tǒng)的模擬。丹麥DHI國際咨詢和研究機(jī)構(gòu)開發(fā)：http:/ Visual Modflow介紹加拿大Waterloo大學(xué)水文地質(zhì)公司開發(fā)研制，http:/www.Waterloo Modflow演示3.4 GMS簡介IntroductionGMS Groundwater Modeling System is the most sophisticated and comprehensive groundw

19、ater modeling software available today. GMS is a comprehensive package that provides tools for every phase of a groundwater simulation including site characterization, model development, post-processing, calibration, and visualization.Developed by Brigham Young university4功能: 多個(gè)軟件的集成MODFLOW - 2D, 3D

20、 Groundwater flow modelMODPATH - a particle tracking model based on MODFLOWMT3DMS - 3D Mass Transport modelRT3D - alternate chemical reaction based on MT3DMSSEAM3D - biodegradation model based on MT3DMSFEMWATER 3D FE Flow and MT model. Un & saturatedNUFT - 3D multi-phase flow and MT model.UTCHEM

21、 - multi-phase flow and MT model. (DNAPL) SEEP2D - 2D finite element groundwater model. PEST - Parameter ESTimation utilityUCODE - parameter estimation utility4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介The backward tracking option in MODPATH can be used to delineate capture zones for wells for a given ti

22、me period4Development- GMS簡介MT3DMS is a modular three-dimensional transport model for the simulation of advection, dispersion, and chemical reactions of dissolved constituents in groundwater systems. MT3DMS uses a modular structure similar to the structure utilized by MODFLOW. MT3DMS is used in conj

23、unction with MODFLOW in a two-step flow and transport simulation. Heads and cell by cell flux terms are computed by MODFLOW during the flow simulation and are written to a specially formatted output file. This file is then read by MT3DMS and utilized as the flow field for the transport portion of th

24、e simulation.4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介RT3D is a modified version of MT3DMS that utilizes alternate chemical reaction packages. Numerous pre-defined reactions are available including instantaneous aerobic degradation, BTEX degradation with multiple electron acceptors, sequential anaerobi

25、c degradation of PCE/TCE, and combined aerobic/anaerobic degradation of PCE/TCE. For special cases, an option is provided for creating user-defined reactions. 4Development- GMS簡介SEAM3D is a reactive transport model used to simulate complex biodegradation problems involving multiple substrates and mu

26、ltiple electron acceptors. It is based on the MT3DMS code. In addition to the regular MT3DMS packages, SEAM3D includes a Biodegradation package and NAPL Dissolution package.4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介FEMWATER is a three-dimensional finite element ground water model. It can be used to simu

27、late flow and transport in both the saturated and unsaturated zone. Furthermore, the flow and transport simulation can be coupled to simulate density dependent problems such as salinity intrusion.4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介NUFT is a 3D multi-phase non-isothermal flow and transport model.

28、It is ideally suited for vadose zone problems. It can be used to simulate a wide variety of remediation strategies including stream injection, vapor extraction, and air sparging.4Development- GMS簡介UTCHEM is a multi-phase flow and transport model. UTCHEM is ideally suited for the simulation of surfac

29、tant-enhanced aquifer remediation (SEAR), and DNAPL transport. UTCHEM is a mature model that has been widely used. The UTCHEM solver is efficient and robust. Future versions of the GMS/UTCHEM interface will include the simulation of biodegradation. 動(dòng)畫演示4Development- GMS簡介SEEP2D is a 2D finite elemen

30、t groundwater model. SEEP2D is designed to be used on profile models (XZ models) such as cross-sections of earthen dams or levees. The output from SEEP2D can be used to plot complete flow nets.4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介4Development- GMS簡介優(yōu)點(diǎn)適用面廣，幾乎可用于

31、建立所有類型的地下水模型前處理程序好：源匯項(xiàng)、各類邊界均有單獨(dú)模塊處理有大量的參考手冊(cè)和源程序代碼，便于根據(jù)自己的需要修改技術(shù)支持好，軟件更新快對(duì)硬件要求不高價(jià)格合理缺點(diǎn)功能強(qiáng)大，但操作過于復(fù)雜。計(jì)算結(jié)果的輸出、可視化表達(dá)需進(jìn)一步完善。無法處理一些特殊條件，如：蒸發(fā)、排水溝、多和方向的各向異性、.4Development- GMS簡介3.5 地下水模型的發(fā)展趨勢(shì) 地下水模擬技術(shù)展望逐級(jí)加密技術(shù)（upscale）高精度并行算法最優(yōu)參數(shù)估計(jì)（不確定性理論和方法、人工智能算法）替代模型理論與方法（孫訥正等）飽和帶非飽和帶耦合模型地下水地表水耦合模型流域模型（大氣水、地表水、包氣帶水、地下水）多項(xiàng)流模

32、擬（核廢料、CO2儲(chǔ)存研究）地下水模擬與水資源管理系統(tǒng)整合研究地下水模擬軟件發(fā)展趨勢(shì)界面化(交互式圖形界面)圖形界面、下拉菜單、對(duì)話框通用化一維、二維、三維水流、水質(zhì)運(yùn)移、熱運(yùn)移、地面沉降飽和帶、非飽和帶地下水-地表水耦合模型前后處理的智能化自動(dòng)剖分離散點(diǎn)插值水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)識(shí)別錯(cuò)誤的自動(dòng)檢測(cè)均衡計(jì)算圖形、表格表示前后處理的智能化自動(dòng)剖分離散點(diǎn)插值水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)識(shí)別錯(cuò)誤的自動(dòng)檢測(cè)均衡計(jì)算圖形、表格表示基于GIS技術(shù)（概念模型）邊界、參數(shù)、源匯項(xiàng)、幾何參數(shù)12345678IIIIII面源（匯）分區(qū)點(diǎn)井分布鉆孔分布（各層標(biāo)高、水位標(biāo)高）參數(shù)分區(qū)底圖邊界及地表水體Conceptual models overlay with meshes to transform the properties of conceptual models3.6 一點(diǎn)體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)地下水流數(shù)值模型地下水溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模型地下水熱運(yùn)移數(shù)值模型53.6.1 地下水流數(shù)值模型要求的資料（水文地質(zhì)概念模型）水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)；邊界條件和邊界值；水文地質(zhì)參數(shù)；地下水流場(chǎng)，地下水長觀資料；地下水的補(bǔ)排項(xiàng)；準(zhǔn)三維流（多層）與三維流區(qū)域模型與局部地段（水源地模型）的差異及關(guān)