地下水流數(shù)值模擬軟件介紹

地下水流數(shù)值模擬軟件介紹第1頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS地下水流數(shù)值模擬軟件1、什么是GMS？2、GMS模塊介紹3、GMS建模方法第2頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件介紹GMS是GroundwaterModelingSystem的簡(jiǎn)寫(xiě)，是美國(guó)BrighamYoungUniversity的環(huán)境模型研究室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站開(kāi)發(fā)的用于地下水模擬的軟件包。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)境的軟件包該軟件在Windows平臺(tái)下開(kāi)發(fā)，繼承了Windows軟件直觀、便于學(xué)習(xí)和使用等特點(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)、2D與3D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GMS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)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化。第3頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS界面menus菜單欄ToolPalette工具面板ProjectExplorer項(xiàng)目資源管理器GraphicsWindow圖形窗口Modules軟件模塊statusbar狀態(tài)欄第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊GMS它包①M(fèi)ODFLOW②FEMWATER③MT3D④RT3D⑤SEAM3D⑥MODPATH⑦SEEP2D⑧T-PROGS⑨UTCHEM⑩PEST和UCODE等計(jì)算模塊與MAP、Boreholes、TINs、Solids、Grid、Mesh、ScatterPoints、Grid和GIS等輔助模塊第5頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS計(jì)算模塊MODFLOW：由美國(guó)地質(zhì)勘探局的McDonald和Harbaugh在1988開(kāi)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(wèn)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（反映河渠及水庫(kù)等滲透、水位）。2、MODPATH：由美國(guó)地質(zhì)勘探局為MODFLOW開(kāi)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(lái)。該軟件可用于分析污染源的擴(kuò)散問(wèn)題、演示污染影響區(qū)域。3、FEMWATER：是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的Athens實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍工水道實(shí)驗(yàn)站在1990年分別開(kāi)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(wèn)題中的穩(wěn)定、非穩(wěn)定問(wèn)題；還可模擬密度相關(guān)問(wèn)題，這為分析海水入浸問(wèn)題提供了有力的分析工具。第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chǎng)分析。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(duì)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(guò)程。7

SEAM3D：用于模擬復(fù)雜的生物衰減問(wèn)題中的反應(yīng)輸運(yùn)模型。由VirginiaTechUniversity的MarkWiddowson開(kāi)發(fā)。8

NUFT：用輸運(yùn)問(wèn)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(kāi)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(wèn)題的解析幕景模型。用戶可隨意設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，ART3D可準(zhǔn)確計(jì)算每一觀測(cè)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。第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊Tins模塊即三角不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)(TriangulatedIrregularNet-works)，通常用來(lái)表示相鄰地層的界面，多個(gè)TINs就可以被用來(lái)建立實(shí)體(Solid)模型或三維網(wǎng)格。第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TINmodule點(diǎn)右鍵修改Display選項(xiàng)第9頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊Boreholes鉆孔數(shù)據(jù)用來(lái)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(lái)作等值面和等值線；地層數(shù)據(jù)用來(lái)建立TIN、實(shí)體和三維有限元網(wǎng)格。（例8）第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Boreholemodule雙擊第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CrossSection第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS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(guò)一系列操作產(chǎn)生的實(shí)際地層的三維立體模型。第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊2DScattererPoint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(guò)插值生成等值線，從而將每個(gè)活動(dòng)單元格賦值第15頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊

3DScattererPoint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(lái)表示污染羽。第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊

2DMesh,包括SEEP2D模塊，它是用來(lái)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(wú)壓流問(wèn)題，也可以模擬飽和和非飽和帶的水流；對(duì)無(wú)壓流問(wèn)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)。第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊

3DMesh，包括FEMWATER模塊，它是用來(lái)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(wèn)題。第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊

2DGrid模塊，將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)插值后分配到二維網(wǎng)格；

3DGrid包括MODFLOW模塊，MODPATH模塊，MT3D模塊，UTCHEM模塊，ART3D模塊。其中：

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(lái)處理相關(guān)的水文地質(zhì)條件，用來(lái)進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬；第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊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(lái)計(jì)算每個(gè)粒子通過(guò)水流區(qū)域的軌跡。MODPATH可以追蹤一系列虛擬的粒子來(lái)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(lái)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)。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；第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊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。第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊

Map模塊，用來(lái)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。第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件模塊GIS模塊，可以將shape文件導(dǎo)入模型，在mapping中通過(guò)shapestoFeatureObjects將文件導(dǎo)入map模塊。使用GIS模塊可以在GMS中直接顯示GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，而不必將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GMS數(shù)據(jù)格式。第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GMS軟件的建模方法1、網(wǎng)格法建模是一種最簡(jiǎn)單、最基本的建模方法,用于水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)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(duì)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。所需模塊（Module）→3DGrid主要操作→Grid→MODFLOW第24頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、概念模型建模的思想