地下水溶質運移軟件介紹.ppt

污染物可以在含水層介質中以各種形式存在 從水文地質的角度來說 地下水中的污染物運移就是指污染物在各種因素綜合影響作用下隨著地下水流的運動和遷移歸宿 包括對流 彌散和化學反應等過程 目前 常見的用于地下水系統(tǒng)中溶質運移的模擬軟件包括MOC3D MT3DMS RT3D FEMWATER TOUGH HST3D FRAC3DVS FEFLOW等十幾種 其中MT3D MT3DMS是應用比較廣泛的三維溶質運移數(shù)值模擬軟件 第六章地下水溶質運移軟件介紹 一 MT3D MT3D是英文Modular3 DimensionalTransportmodel 模塊化的三維運移模型 的簡稱 MT3D采用了對流 彌散方程來描述污染物在三維地下水流中的運移 即 1 式中 C是溶解于水中的污染物的濃度 ML 3 R是阻滯因子 無量綱 t是時間 T xi是空間坐標 L Dij是水動力彌散系數(shù)張量 L2T 1 Vi是地下水滲流速度 LT 1 qs是源 正值 或匯 負值 的單位流量 T 1 Cs是源或匯的濃度 ML 3 是孔隙度 無量綱 是一階反應速率常數(shù) T 1 是多孔介質的比重 ML 3 是吸附在介質上的污染物濃度 MM 1 式 1 的等號右端從左至右依次為彌散項 對流項 源匯項和化學反應項 求解式 1 中的對流 彌散方程首先需要確定地下水滲透流速 MT3D中實際上并沒有包括求解地下水流方程的子程序 而是利用MODFLOW的輸出結果來獲得地下水位資料 MT3D可以用來模擬可溶性污染物在地下水中的對流 彌散 擴散作用和一些基本的化學反應過程 能夠有效處理各種邊界條件和外部源匯項 模型中的化學反應主要是一些比較簡單的單組分反應 包括平衡或非平衡狀態(tài)的線性或非線性吸附作用 一階不可逆反應 如生物降解等 和可逆的動態(tài)反應等 MT3D能夠適用于各種水文地質條件 包括 1 承壓 無壓或承壓 無壓含水層 2 傾斜或厚度變化的含水層 3 指定濃度或通量邊界條件 降水 蒸發(fā) 抽水井 河流等多種外部源匯項 MT3D的求解方法 MT3D采用塊中心的有限差分網(wǎng)格來對研究區(qū)進行離散 其節(jié)點位于每個網(wǎng)格的中心 在計算時 首先采用某種地下水流數(shù)值模型 如MODFLOW 確定研究區(qū)各節(jié)點上的水頭 然后將水頭作為MT3D的輸人數(shù)據(jù) 通過求解對流一彌散方程即可得到污染物濃度在這些節(jié)點上隨時間的變化規(guī)律 用于求解對流 彌散方程的數(shù)值方法通?？梢苑譃槿惾缦?MT3D中采用了混合Euler Lagrange方法來求解對流彌散方程 MT3D的求解方法 MT3D中共有三種特征線方法可供選擇 如下 在程序中包含了多種對流 彌散方程的求解方法使得MT3D程序能夠使用于不同的地下水流場條件 這是MT3D的一個最主要的特色 同時也是它被廣泛認可的一個很重要的原因 圖1中是對一個均勻流場中連續(xù)點源問題的模擬結果 Zheng 1990 其中地下水滲透流速為0 33m d 縱向彌散度為10m 橫向彌散度為3m 孔隙度為0 3 連續(xù)點源的注人流量為1m d 注入濃度為1000 10 6 對流彌散方程的求解采用HMOC方法 圖1是模擬時間為365d時地下水中污染物濃度的等值線與解析解的對比 可以看出 MT3D的模擬結果與解析解十分吻合 MT3D的輸入和輸出 MT3D需要的輸人數(shù)據(jù)是通過不同的數(shù)據(jù)文件來讀取的 這些文件的數(shù)據(jù)輸人格式有嚴格的要求 在研究一個實際問題時 需要特別注意輸入數(shù)據(jù)的格式是否符合MT3D的要求 這是一個十分煩瑣的過程 MT3D輸出計算濃度的格式和頻率由用戶給定 為了節(jié)省存貯空間 不同時刻污染物的濃度作為一個二進制文件保存在磁盤上 因此 無法用字處理軟件直接讀取和處理 MT3D程序包中有一個實用程序 PM 可以用來讀取指定時刻的濃度并保存為文本文件 便于制圖和輸出 近些年來 已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)軟件專門用于MT3D的數(shù)據(jù)輸入和模擬結果的處理 比較著名的有加拿大Wa terloo水文地質公司的VisualModlfow 美國BOSS公司的GroundwaterModelingSystem以及ProcessingMODFLOW軟件等 這些軟件都具有可視化的操作環(huán)境 有些還具有地理信息系統(tǒng)的接口 使用這些軟件可以完成從數(shù)據(jù)輸入 模型運算到結果圖形輸出的全過程 極大地提高了污染物運移模擬工作的效率 2 MT3DMS 一 MT3DMS的開發(fā)歷史1990年代以前 雖然已經(jīng)有很多有關地下水中污染物運移的研究 但是 還很少見到一個完全公開的用于地下水中污染物運移的模擬軟件 而地下水中污染物的運移過程要比地下水流本身的運動要復雜得多 再加上數(shù)值模擬污染物運移過程中存在的數(shù)值彌散和人工振蕩 因此 開發(fā)一套能夠有效應用于實際區(qū)域地下水中污染物運移的模塊化軟件成為一種必需 正是為了適應這一要求 C Zheng 鄭春苗 在S S Papadopulos Associates公司工作期間 由美國環(huán)境保護署 U S EnvironmentalProtectionAgency USEPA 資助開發(fā)并于1990年發(fā)布了一個用于地下水中污染物運移的一個實際應用模擬軟件 MT3D MT3D軟件一經(jīng)發(fā)布 其源代碼即由USEPA完全公開 1998年 在美國國防部 U S DepartmentofDefense USDoD 下屬陸軍工程師兵團研究開發(fā)中心 U S ArmyEngineerResearchandDevelopmentCenter 項目的資助下 C Zheng和P Wang開發(fā)出來了基于MT3D的第二代模擬軟件 MT3DMS MT3DMS增加和豐富了MT3D軟件中原有的求解子程序包 能夠在保證質量守恒的基礎上盡可能減小數(shù)值彌散和人工振蕩引起的誤差 MT3DMS不但可以同時模擬地下水中多種污染物組份的物理遷移過程 包括對流 彌散 吸附等 而且可以 或結合其它軟件如RT3D 模擬組份在運移過程中發(fā)生的簡單 或復雜 生物和化學反應 MT3DMS本身不包括地下水流模擬程序 需要與中心網(wǎng)格的有限差分水流計算程序聯(lián)合使用 正式發(fā)布的MT3D MT3DMS源程序考慮的水流模擬軟件是MODFLOW 經(jīng)過一些簡單的修改 MT3D MT3DMS也可以與其它類似的水流模擬軟件相結合 1998年發(fā)布的基于MT3D升級的第一個MT3DMS軟件稱為MT3DMSv3 00 A版本 為了適應2000年發(fā)布的MODFLOW2000程序 MT3DMS于2001年升級為MT3DMSv4 00版 2005年剛剛升級到MT3DMSv5 00版 MT3DMS易于使用 求解精確 快速便捷等諸多優(yōu)點使得它很快獲得了政府有關部門 地下水研究咨詢公司以及眾多用戶的認可 成為目前世界范圍內最為廣泛的三維溶質運移模擬通用軟件 二 MT3DMS的結構組成 與MODFLOW的結構類似 MT3DMS的程序設計也是采用模塊化結構 ModularStructure 即由一個主程序 MainProgram 和若干個相對獨立的子程序包 Package 組成 各個子程序包又由不同的模塊 Module 組成 供主程序隨時調用 目前 MT3DMS中有基本運移 Basictransportpackage BTN 對流 Advectionpackage ADV 彌散 Dispersionpackage DSP 源匯混合 Sink sourcemixingpackage SSM 化學反應 Chemicalreactionpackage RCT 廣義共軛梯度求解 Generalizedconjugate gradientsolverpackage GCG 運移過程觀測 Transportobservationpackage TOB 水流模型接口 Flowmodelinterfacepackage FMI 和公共實用 Utilitypackage UTL 等9個子程序包 其中對于每個運移模型BTN FTL和UTL等3個子程序包都是必需的 絕大多數(shù)情況下ADV子程序包也是必需的 用戶可以根據(jù)研究區(qū)的實際情況選擇相應的子程序包來模擬地下水中的溶質運移過程 而TOB是MT3DMSv5 00版中最新增加的可選子程序包 三 MT3DMS的特點 1 程序結構的模塊化2 程序代碼的公開化3 離散方法的簡單化4 求解方法的多樣化 四 MT3DMS軟件的應用現(xiàn)狀 運用MT3DMS軟件不但能模擬地下水中污染物的對流 彌散 而且能夠同時模擬多種污染物組分在地下水中的運移過程以及它們各自的變化反應過程 不包括各種組分之間的化學反應 包括平衡控制的等溫吸附過程 非平衡吸附過程 放射性衰變或簡單生物降解過程 同時 利用雙重區(qū)域介質理論 MT3DMS還可以用來模擬高度非均質裂隙介質中的污染物運移 利用MT3DMS的以上幾個特點 用戶還可以根據(jù)自己的需要 與其它擴充功能模塊結合 從而應用到很多目前MT3DMS所不能模擬的過程或現(xiàn)象 1 如Guo等以MT3DMS為核心 開發(fā)出來考慮地下水密度變化的SEAWAT軟件 可用于海水入侵過程的實際模擬 Labgevin等對SEAWAT進行了升級 2 Prommer等將MT3DMS與PGREEQC 2結合 開發(fā)了PHT3D軟件 可以模擬許多地球化學反應對污染物 溶質 運移的影響 3 Zheng和Wang將MT3DMS與優(yōu)化方法相結合 用于污染物治理方案的最優(yōu)設計 并開發(fā)了用于地下水污染治理和含水層修復方案設計的模擬優(yōu)化軟件 4 而最近Wu等將MT3DMS與優(yōu)化方法相結合 成功地應用于確定條件下污染物長期監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設計 3 軟件應用 本節(jié)內容以ProcessingMODFLOW為例 介紹如何利用軟件解決地下水溶質運移問題首先我們來熟悉一下ProcessingMODFLOW的界面 建立溶質運移模型前 需要首先建立水流模型 簡單步驟如下 Step1 CreateaNewModelStep2 AssignModelDataStep3 PerformtheFlowSimulationStep4 CheckSimulationResultsStep5 CalculatesubregionalwaterbudgetStep6 ProduceOutput當水流模型建立好之后 就可以輸入溶質運移模型所需的參數(shù) 進行模擬計算 Step1 定義觀測孔 Step2 設置邊界條件Grid BoundaryConditions ICBUND MT3D MT3DMS 在這個模型中需要設置所有的網(wǎng)格均為有效單元 即設置所有的網(wǎng)格值為1 同水流模型一樣 1為有效單元 0為無效單元 1為定濃度 流量 單元 Step3 設置初始濃度Models MT3D InitialConcentration設置所有單元初始濃度值為0Step4 輸入污染速率Models MT3D Sink SourceConcentration Recharge設置污染區(qū)域內補給速率為12500 Step5 設置對流項Models MT3D Advection Step6 設置彌散項Models MT3D Dispersion對話框中的數(shù)值設置好后 本例不需做改動 將所有單元內的數(shù)值設置為10 Step7 設置