地下水?dāng)?shù)值模擬

地下水?dāng)?shù)值模擬簡介

二零一五年二月12021/5/9目錄GMS基本操作GMS各模塊功能介紹數(shù)值模擬的發(fā)展及建模步驟主要內(nèi)容22021/5/9數(shù)值模擬理論的發(fā)展

1956年斯圖爾曼(R·Wstallman)開始將數(shù)值法應(yīng)用于地下水計(jì)算,但是其發(fā)展受制于其所需的大量運(yùn)算,60年代華爾頓(WC·Walton)首次將電子計(jì)算機(jī)引入水文地質(zhì)數(shù)值模擬,使得數(shù)值法的應(yīng)用更加方便快捷,從而促進(jìn)了數(shù)值法在解決地下水問題的應(yīng)用發(fā)展。32021/5/9數(shù)值模擬理論的發(fā)展

模擬任務(wù)水流模擬主要模擬地下水的流向及地下水水頭與時(shí)間的關(guān)系。地下水運(yùn)移模擬

主要模擬地下水、熱和溶質(zhì)組分的運(yùn)移速率。反應(yīng)模擬模擬水中、氣-水界面、水-巖界面所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)。42021/5/9數(shù)值模擬理論的發(fā)展模擬任務(wù)反應(yīng)運(yùn)移模擬模擬地下水運(yùn)移過程中所發(fā)生的各種反應(yīng),如溶解與沉淀、吸附與解吸、氧化與還原、配合、中和、生物降解等。這種模擬將地球化學(xué)模擬(包括動(dòng)力學(xué)模擬)和溶質(zhì)運(yùn)移模擬(包括非飽和介質(zhì)二維、三維流)有機(jī)結(jié)合,是地下水模擬的發(fā)展方向。52021/5/9數(shù)值模擬理論的發(fā)展

常用軟件基于有限差分方法的VisualGroundwater、GMS、VisualMODFLOW、ProcessingModflow及VisualMODFLOWFlex

地下水?dāng)?shù)值模擬軟件。基于有限元方法的FEFLOW地下水?dāng)?shù)值模擬軟件。62021/5/9數(shù)值模擬理論的發(fā)展

常用軟件PHREEQC是用C語言編寫的進(jìn)行低溫水文地球化學(xué)計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序,可進(jìn)行正向模擬和反向模擬,幾乎能解決水、氣、巖土相互作用系統(tǒng)中所有平衡熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)問題,包括水溶物配合、吸附-解吸、離子交換、表面配合、溶解-沉淀、氧化-還原。72021/5/9數(shù)值模擬理論的發(fā)展

常用軟件HST3D是一個(gè)三維熱及溶液運(yùn)移模型(3DHeat&SoluteTrasportModel)?？梢阅M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、放射性廢物處理、水中地?zé)嵯到y(tǒng)和能量儲(chǔ)藏等問題的分析。82021/5/9地下水流數(shù)值模擬的一般步驟收集整理資料，水文地質(zhì)條件分析水文地質(zhì)概念模型地下水流模型模型應(yīng)用92021/5/9收集整理資料，水文地質(zhì)條件分析資料的收集（文檔）水文地質(zhì)條件分析基本條件的分析

水均衡分析

源匯項(xiàng)處理

定解條件處理102021/5/9水文地質(zhì)概念模型結(jié)構(gòu)模型含水層和邊界參數(shù)源匯項(xiàng)112021/5/9結(jié)構(gòu)模型頂?shù)装鍢?biāo)高含水層厚度水文地質(zhì)剖面圖鉆孔分布圖及柱狀圖水文地質(zhì)概念模型——結(jié)構(gòu)模型122021/5/9水文地質(zhì)概念模型——含水層和邊界含水層水力特征和介質(zhì)特征的概化側(cè)向邊界：根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地下水系統(tǒng)特征等確定

水頭邊界、流量邊界和混合邊界（通用水頭、河流、溝渠等）頂部邊界：潛水面、含水層頂板等底部邊界：基巖頂板或根據(jù)水循環(huán)深度、開采深度等確定132021/5/9參數(shù)潛水滲透系數(shù)和給水度承壓水滲透系數(shù)和貯水率前人資料抽水試驗(yàn)源匯項(xiàng)側(cè)向流入降雨入滲灌溉回滲人工開采蒸發(fā)側(cè)向流出湖淖排泄…………水文地質(zhì)概念模型142021/5/9模型應(yīng)用評(píng)價(jià)和預(yù)測

預(yù)測方案=>預(yù)測結(jié)果=>保證程度分析等152021/5/9GMS特點(diǎn)整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE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)適用于孔隙介質(zhì)三維地下水模擬，是目前國內(nèi)最常用的軟件地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件概念化方式建立水文地質(zhì)概念模型與GIS接口好，前、后處理功能更強(qiáng)軟件升級(jí)快162021/5/9GMS各模塊介紹172021/5/9GMS各模塊介紹TIN(TriangulatedIrregularNet-works），三角形不規(guī)則網(wǎng)格)：該模塊用來形成三角形不規(guī)則網(wǎng)格，用以表示空間曲面，通常用來表示相鄰地層的界面，多個(gè)TINs就可以被用來建立實(shí)體(Solid)模型或三維網(wǎng)格。Boreholes鉆孔數(shù)據(jù)：用來管理樣品和地層這兩種格式的鉆孔數(shù)據(jù)。樣品數(shù)據(jù)用來作等值面和等值線；地層數(shù)據(jù)用來建立TIN、solid實(shí)體和三維有限元網(wǎng)格。182021/5/9GMS各模塊介紹Solids實(shí)體模型：在不規(guī)則的三角形網(wǎng)絡(luò)(TIN)建立完成后，通過一系列操作產(chǎn)生的實(shí)際地層的三維立體模型。Scatter(散點(diǎn))：二維與三維Scatter主要功能是導(dǎo)入和管理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行插值，完成TIN、Grid間的數(shù)據(jù)傳輸。192021/5/9GMS各模塊介紹2DMesh：包括SEEP2D模塊，用來計(jì)算壩堤剖面滲漏的二維有限元穩(wěn)定流模型。可以用于模擬承壓和無壓流問題，也可以模擬飽和和非飽和帶的水流；對(duì)無壓流問題，模型可以只局限于飽和帶。根據(jù)SEEP2D的結(jié)果可以作出完整的流網(wǎng)202021/5/9GMS各模塊介紹

3DMesh，包括FEMWATER模塊，用來模擬飽和流和非飽和流環(huán)境下的水流和溶質(zhì)運(yùn)移的三維有限元耦合模型，還可用于模擬咸水入侵等密度變化的水流和運(yùn)移問題。212021/5/9GMS各模塊介紹

3DGrid，是計(jì)算模塊，網(wǎng)格建模法即在此模塊中實(shí)現(xiàn)。包括MODFLOW模塊，MODPATH模塊，MT3D模塊，UTCHEM模塊，ART3D模塊。2DGrid模塊：將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)插值后分配到二維網(wǎng)格222021/5/9

MODFLOW用來進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬；包括wells、recharge、river、drain、ET以及邊界等子程序包MODPATH是確定給定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定或非穩(wěn)定流中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑的三維示蹤模型。它和MODFLOW一起使用，用來描述給定時(shí)間內(nèi)的截獲區(qū)、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移路徑的長度和到達(dá)指定位置的時(shí)間。質(zhì)點(diǎn)追蹤包括正向追蹤和反向追蹤。MT3D是三維地下水溶質(zhì)運(yùn)移程序，能夠模擬地下水系統(tǒng)中的平流、擴(kuò)散、衰減、溶質(zhì)化學(xué)反應(yīng)、線性與非線性吸附作用等現(xiàn)象；UTCHEM是模擬多相流和運(yùn)移的模型，主要應(yīng)用于抽水和恢復(fù)。RT3D是模擬地下水中多組分反應(yīng)的三維運(yùn)移模型,適合于模擬自然衰減和生物恢復(fù)。例如自然降解、重金屬、炸藥、石油碳?xì)浠衔?、氯化組分等污染物治理的模擬。GMS各模塊介紹232021/5/9GIS(地理信息系統(tǒng)）：可以將shape文件導(dǎo)入模型，在mapping中通過shapestoFeatureObjects將文件和屬性導(dǎo)入map模塊。Map模塊：利用GIS導(dǎo)入的文件和屬性建立水文地質(zhì)概念模型，或者以TIFF、JEPG等圖件為底圖，在圖上確定表示源匯項(xiàng)、邊界、含水層不同參數(shù)區(qū)域的點(diǎn)、曲線、多邊形的空間位置，快速建立起概念模型。GMS各模塊介紹242021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)值模型模擬軟件（GMS,VM,Feflow，PMV等）空間離散

網(wǎng)格大小、活動(dòng)單元格數(shù)目時(shí)間離散

模擬期、應(yīng)力期和時(shí)間步長252021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備源匯項(xiàng)處理——與GIS相結(jié)合

recharge子程序包：降雨入滲、面狀農(nóng)業(yè)開采、灌溉回滲wells子程序包：開采、側(cè)向ET子程序包：蒸發(fā)Drain子程序包：排水溝、湖淖262021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備結(jié)構(gòu)模型

資料：鉆孔、剖面、高程等值線、厚度等值線等

軟件：線上提高程、mapgis、arcview和surfer

數(shù)據(jù)格式：x、y、z272021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備初、末刻水位

資料：流場圖，長觀孔、統(tǒng)測孔等原始水位數(shù)據(jù)

軟件：mapgis、arcview、surfer

數(shù)據(jù)格式：x、y、z282021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備觀測孔

資料：長觀孔、統(tǒng)測孔等原始水位數(shù)據(jù)

軟件：vba

數(shù)據(jù)格式：292021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備邊界條件

資料：水位、流量和相應(yīng)參數(shù)

軟件：arcview（arcgis）、vba

數(shù)據(jù)格式：

水頭邊界：

流量邊界：.well文件

三類邊界：.ghb文件

302021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備參數(shù)：資料：前人資料（參數(shù)分區(qū)圖等）、抽水試驗(yàn)資料

軟件：mapgis、arcview（arcgis）

數(shù)據(jù)格式：.shp文件312021/5/9地下水流模型——數(shù)據(jù)準(zhǔn)備源匯項(xiàng)

資料：源匯項(xiàng)對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)資料

軟件：mapgis、arcview（arcgis）、vba、access

數(shù)據(jù)格式：GMS子程序包對(duì)應(yīng)格式或井文件

322021/5/9地下水流模型——模型后處理長觀孔擬合資料：GMS導(dǎo)出的觀測孔數(shù)據(jù)（實(shí)測和計(jì)算）軟件：excel直接處理或vba

數(shù)據(jù)格式332021/5/9地下水流模型——模型后處理均衡分析資料：GMS6.0以上版本導(dǎo)出的均衡數(shù)據(jù)軟件：excel直接處理或vba數(shù)據(jù)格式：342021/5/9地下水流模型——模型后處理參數(shù)資料：GMS導(dǎo)出的參數(shù)分區(qū)和屬性、軟件：arcview、suefer、mapgis或arcgis淺層滲透系數(shù)分區(qū)圖352021/5/9地下水流模型——模型后處理流場擬合

資料：GMS導(dǎo)出流場數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)

軟件：arcview、suefer、mapgis或arcgis

數(shù)據(jù)格式03年12月淺層地下水流場擬合圖362021/5/9地下水流模型——模型后處理模型的識(shí)別檢驗(yàn)——流場的擬合和長觀孔的擬合均衡分析均衡項(xiàng)模擬量比例補(bǔ)給