地下水流數(shù)值模擬軟件介紹

1、GMS 地下水流數(shù)值模擬軟件地下水流數(shù)值模擬軟件GMS 地下水流數(shù)值模擬軟件地下水流數(shù)值模擬軟件1、什么是、什么是GMS？2、GMS模塊介紹模塊介紹3、GMS建模方法建模方法GMS軟件介紹軟件介紹 GMS是是Groundwater Modeling System的簡寫，是美國的簡寫，是美國Brigham Young University的的環(huán)境模型研究室和美國軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工環(huán)境模型研究室和美國軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工 作站開發(fā)的用于作站開發(fā)的用于地下水模擬地下水模擬的軟件包。的軟件包。GMS是具有功能強(qiáng)大的圖形界面、綜合化的地下水模型構(gòu)建和數(shù)值模擬環(huán)境的軟件包是具有功能強(qiáng)大的圖形界面、綜合化的地

2、下水模型構(gòu)建和數(shù)值模擬環(huán)境的軟件包 該軟件在該軟件在Windows平臺(tái)下開發(fā)，繼承了平臺(tái)下開發(fā)，繼承了Windows軟件直觀、便于學(xué)習(xí)和使用等軟件直觀、便于學(xué)習(xí)和使用等特點(diǎn)，特點(diǎn)，GMS不僅全面包容了模擬地下水流每一個(gè)階段所需的工具，如邊界概化、建模、后不僅全面包容了模擬地下水流每一個(gè)階段所需的工具，如邊界概化、建模、后處理、調(diào)參、可視化，同時(shí)，它也是目前唯一支持處理、調(diào)參、可視化，同時(shí)，它也是目前唯一支持TINs、Solids、鉆孔數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、2D與與3D等地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的地下水流模擬軟件。等地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的地下水流模擬軟件。 前后處理更強(qiáng) 結(jié)合結(jié)合GMSGMS眾多的輔助模塊，可方便的輸入一系列

3、文件，實(shí)現(xiàn)眾多的輔助模塊，可方便的輸入一系列文件，實(shí)現(xiàn)了可視化的輸入；同時(shí)計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果又可調(diào)入輔助模塊中進(jìn)行后處理，實(shí)了可視化的輸入；同時(shí)計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果又可調(diào)入輔助模塊中進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化。現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化。GMS界面界面menus菜單欄Tool Palette工具面板Project Explorer項(xiàng)目資源管理器Graphics Window圖形窗口Modules軟件模塊status bar狀態(tài)欄GMS軟件模塊GMS 它 包 MODFLOWFEMWATERMT3D RT3D SEAM3DMODPATH SEEP2D T -PROGS UTCHEM PEST和UC

4、ODE 等計(jì)算模塊 與MAP 、Boreholes 、TINs 、Solids 、Grid、Mesh 、Scatter Points 、Grid 和 GIS 等輔助模塊GMS計(jì)算模塊1.MODFLOW：由美國地質(zhì)勘探局的McDonald 和 Harbaugh在 1988開發(fā)， 2000年推出MODFLOW_2k版。MODFLOW用可變有限差分網(wǎng)格，單元中心算法，可求解飽和地下水的穩(wěn)定和非穩(wěn)定流動(dòng)問題三維數(shù)值模型?？煞治龅牡叵滤鲃?dòng)影響因素的水文地質(zhì)特性有（1）各類地理層滲透系數(shù)；（2）點(diǎn)源或匯（反映了潛水層及承壓層的井流特性）；（3）面源或匯（反映了地表入滲或蒸發(fā)特性）；（4）線及面元屬性（反

5、映河渠及水庫等滲透、水位）。 2、MODPATH：由美國地質(zhì)勘探局為MODFLOW開發(fā)的后處理軟件，其將MODFLOW的輸出生成質(zhì)點(diǎn)軌跡并將其顯示出來。該軟件可用于分析污染源的擴(kuò)散問題、演示污染影響區(qū)域。3、 FEMWATER：是由美國環(huán)境保護(hù)署的Athens實(shí)驗(yàn)室和美國軍工水道實(shí)驗(yàn)站在1990年分別開發(fā)后經(jīng)整合而成的三維有限元地下水?dāng)?shù)值模型。該模型可分析地下飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)下的地下水流動(dòng)和輸運(yùn)問題中的穩(wěn)定、非穩(wěn)定問題；還可模擬密度相關(guān)問題，這為分析海水入浸問題提供了有力的分析工具。GMS計(jì)算模塊4 SEEP2D：是二維有限元穩(wěn)定流動(dòng)模型。主要用以模擬土壩、防滲樁墻區(qū)域內(nèi)的二維滲流流場分析

6、。5 MT3DMS：是三維有限差分?jǐn)?shù)值模型，用于分析地下水中的溶質(zhì)間的對流、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的數(shù)值模擬。MT3DMS是在完成了MODFLOW模擬后進(jìn)行的，它需要MODFLOW提供網(wǎng)格水頭值和網(wǎng)格間通量值。6 RT3D：為多物種三維模型，用于模擬自然衰減和生物恢復(fù)過程。7 SEAM3D：用于模擬復(fù)雜的生物衰減問題中的反應(yīng)輸運(yùn)模型。由Virginia Tech University的Mark Widdowson開發(fā)。8 NUFT：用輸運(yùn)問題的3維有限差分模型。由德州大學(xué) Geosystems 工程和石油中心開發(fā)。10 ADH：是3維有限元流動(dòng)和輸運(yùn)模型。除能模擬地下水的流動(dòng)、輸運(yùn)外，它還可以模擬3維

7、 Navier-Stokes 表面流動(dòng)，且具有水文自適應(yīng)能力。11 ART3D ：是3維反應(yīng)輸運(yùn)問題的解析幕景模型。用戶可隨意設(shè)置觀測點(diǎn)， ART3D可準(zhǔn)確計(jì)算每一觀測點(diǎn)的每種物質(zhì)的集度。ART3D可進(jìn)行前進(jìn)計(jì)算，反向計(jì)算和隨機(jī)計(jì)算。GMS軟件模塊 Tins模塊即三角不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)(Triangulated Irregular Net-works)，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。TIN module點(diǎn)右鍵點(diǎn)右鍵修改修改DisplayDisplay選項(xiàng)選項(xiàng)GMS軟件模塊 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

8、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、實(shí)體和三維有限元網(wǎng)格。（例8）Borehole module雙擊雙擊Cross SectionGMS軟件模塊 Solids實(shí)體模型是在不規(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。GMS軟件模塊 2D Scatterer Point二維散點(diǎn)模塊，將地面及含水層頂?shù)装蹇刂泣c(diǎn)，水位控制點(diǎn)，溶質(zhì)濃度控制點(diǎn)等導(dǎo)入模型，通過插值生成等值線，從而將每個(gè)活動(dòng)單元格賦值GMS軟件模塊 3D Scatterer Point三維散點(diǎn)模塊，用于三維地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)，用垂向列、等距的數(shù)據(jù)，可以將其導(dǎo)入網(wǎng)格，以圖形來表示污染羽。GMS軟件

9、模塊 2D Mesh,包括SEEP2D模塊，它是用來計(jì)算壩堤剖面滲漏的二維有限元穩(wěn)定流模型?？梢杂糜谀M承壓和無壓流問題，也可以模擬飽和和非飽和帶的水流；對無壓流問題，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)。 GMS軟件模塊 3D Mesh，包括FEMWATER模塊，它是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。 GMS軟件模塊 2D Grid模塊，將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)插值后分配到二維網(wǎng)格； 3D Grid包括MODFLOW模塊，MODPATH模塊，MT3D模塊，UTCHEM模塊，ART3D模塊。其中：

10、o MODFLOW包括水井、補(bǔ)給、河流、溝渠、蒸發(fā)蒸騰和邊界等子程序包，分別用來處理相關(guān)的水文地質(zhì)條件，用來進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬； GMS軟件模塊o 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，它利用由MODFLOW計(jì)算出的逐個(gè)單元的水頭聯(lián)合土壤的孔隙度來計(jì)算每個(gè)粒子通過水流區(qū)域的軌跡。MODPATH可以追蹤一系列虛擬的粒子來模擬從用戶指定地點(diǎn)溢出污染物的運(yùn)動(dòng)。MODPATH可以使用正向追蹤和反向追蹤方法來模擬單井抽水的影響范圍和描述給定時(shí)間內(nèi)井的截獲區(qū)。o 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)

11、化學(xué)反應(yīng)、線性與非線性吸附作用等現(xiàn)象； GMS軟件模塊o 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)。o RT3D是處理多組分反應(yīng)的三維運(yùn)移模型，適合于模擬自然衰減、生物恢復(fù)、重金屬、石油烴等在地下水中的遷移。GMS軟件模塊 Map模塊，用來建立水文地質(zhì)概念模型，在MAP模塊下，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軟件模塊 GIS模塊，可以將shape文件導(dǎo)入模型，在mapping中通過shapes to Feature Objects將文件導(dǎo)入map模塊。使用GIS模塊可以在

12、GMS中直接顯示 GIS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，而不必將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GMS數(shù)據(jù)格式。GMS軟件的建模方法 1、網(wǎng)格法建模是一種最簡單、最基本的建模方法, 用于水文地質(zhì)條件比較簡單、研究區(qū)面積比較小的模型, 網(wǎng)格法也是一種有效的方法。 但是網(wǎng)格法建模是基于對網(wǎng)格的直接操作，因此參數(shù)分區(qū)的賦值、邊界條件的指定和調(diào)參都非常繁瑣，工作量巨大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中概念模型法應(yīng)用更為廣泛。u 所需模塊（所需模塊（Module）3D Gridu 主要操作主要操作GridMODFLOW 2、 概念模型建模的思想就是把三維網(wǎng)格的屬性用圖層相應(yīng)實(shí)體的屬性表示, 模型賦值和調(diào)參直接操作圖層上的實(shí)體。o 概念模型建模運(yùn)用的模塊有

13、MAP 、Grid 、Scatter Points ， 計(jì)算模塊采用 MODFLOW 模塊。其中 Map 模塊提供了簡單的 GIS 工具，用于創(chuàng)建模擬區(qū)的概念模型。在Map模塊里，里，可以定義模型的類別以及與類別對應(yīng)的各種屬性。 在概念模型下需要建立圖層，圖層里 包含點(diǎn)點(diǎn)(node/vertices分別代表曲線的端點(diǎn)/結(jié)點(diǎn))、弧弧(arc，代表線性實(shí)體，如河流、溝渠)和多邊形多邊形(polygon，代表面狀實(shí)體，如滲透系數(shù)分區(qū)，面狀補(bǔ)給區(qū)，面狀開采區(qū)等)，在應(yīng)用中可以根據(jù)需要在點(diǎn)、弧、面上賦屬性。 如井可以賦值開采量如井可以賦值開采量(可以是常數(shù)、也可以隨時(shí)間變可以是常數(shù)、也可以隨時(shí)間變化化)

14、,河流可以賦值水力傳導(dǎo)系數(shù)、沿程上結(jié)點(diǎn)的水位和河流可以賦值水力傳導(dǎo)系數(shù)、沿程上結(jié)點(diǎn)的水位和河床底板標(biāo)高河床底板標(biāo)高,GMS可以根據(jù)河流所經(jīng)單元的長度把單可以根據(jù)河流所經(jīng)單元的長度把單位長度上的水力傳導(dǎo)系數(shù)自動(dòng)換算為相應(yīng)單元的等效水位長度上的水力傳導(dǎo)系數(shù)自動(dòng)換算為相應(yīng)單元的等效水力傳導(dǎo)系數(shù)力傳導(dǎo)系數(shù),同時(shí)同時(shí)GMS也可以把已知結(jié)點(diǎn)的水位和河床也可以把已知結(jié)點(diǎn)的水位和河床底板標(biāo)高通過線性插值底板標(biāo)高通過線性插值,得到河流沿程上每個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的得到河流沿程上每個(gè)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的水位和底板標(biāo)高。多邊形可以賦值滲透系數(shù)、給水度等水位和底板標(biāo)高。多邊形可以賦值滲透系數(shù)、給水度等屬性。屬性。概念模型建模的思想就是把三維網(wǎng)格的屬性用概念模型建模的思想就是把三維網(wǎng)格的屬性用coverage圖層相圖層相應(yīng)的屬性表示實(shí)際條件應(yīng)的屬性表示實(shí)際條件,模型賦值和調(diào)參直接操作模型賦值和調(diào)參直接操作coverage上的上的實(shí)體。比如河流與溝渠的處理、面狀降水強(qiáng)度的處理。隨時(shí)間實(shí)體。比如河流與溝渠的處理、面狀降水強(qiáng)度的處理。隨時(shí)間變化的參數(shù)可以以函數(shù)的形式賦值給實(shí)體變化的參數(shù)可以以函數(shù)的形