數(shù)值模擬軟件介紹及使用

第六章地下水?dāng)?shù)值模擬軟件介紹1、GMS軟件2、FEFLOW軟件3、VisualMODFLOW4、ProcessingMODFLOW地下水模擬(GroundwaterModelingSystem)，簡(jiǎn)稱GMS，是美國(guó)BrighamYoungUniversity的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)綜合性的、用于地下水模擬的軟件。其圖形界面由下拉菜單、編輯條、常用模塊、工具欄、快捷鍵和幫助條6部分組成，使用起來(lái)非常便捷，下面簡(jiǎn)要介紹一下各主要模塊的功能。界面由圖形區(qū)、菜單條、工具欄和顯式框組成，上端橫條為菜單條，左側(cè)為工具欄，包括模塊選擇區(qū)、其中包括模塊GMS簡(jiǎn)介MODFLOW模塊

MODFLOW是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局于80年代開發(fā)出的一套專門用于孔隙介質(zhì)中地下水流動(dòng)的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件。MODFLOW自從問世以來(lái)，由于其程序結(jié)構(gòu)的模塊化、離散方法的簡(jiǎn)單化和求解方法的多樣化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用來(lái)模擬井流、河流、排泄、蒸發(fā)和補(bǔ)給對(duì)非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。FEMWATER模塊

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)移問題。MT3DMS模塊

MT3DMS是模擬地下水系統(tǒng)中對(duì)流、彌散和化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型。模擬計(jì)算時(shí)，MT3DM和MODFLOW一起使用。RT3D模塊

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和生物恢復(fù)。SEAM3D模塊

SEAM3D用于模擬復(fù)雜生物降解問題(包括多酶，多電子接收器)的模型。它包含有NAPL溶解包和多種生物降解包，NAPL溶解包用于準(zhǔn)確地模擬作為污染源的飄羽狀NAPL，生物降解包用于模擬包含碳?xì)浠衔锩傅膹?fù)雜降解反應(yīng)。MODPATH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，根據(jù)MODFLOW計(jì)算出來(lái)的流場(chǎng)，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)。這種追溯跟蹤方法可以用來(lái)描述給定時(shí)間內(nèi)井的截獲區(qū)。SEEP2D模塊

SEEP2D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。它可以用于模擬承壓和無(wú)壓流問題，可以模擬飽和和非飽和帶的地下水流動(dòng)問題;對(duì)無(wú)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)。

NUFT模塊

NUFT是三維多相不等溫水流和運(yùn)移模型，它非常適合用來(lái)解決包氣帶中的一些問題。UTCHEM

UTCHEM是模擬多相流和運(yùn)移的模型，它對(duì)抽水和恢復(fù)的模擬很理想，是一個(gè)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用的成熟模型。PEST和UCODE

PEST和UCODE是用于自動(dòng)調(diào)參的兩個(gè)模塊。在自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)時(shí)，交替運(yùn)用PEST或UCODE來(lái)調(diào)整選定的參數(shù)，并且重復(fù)用于MODFLOW、FEMWATER等的計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果和野外觀測(cè)值相吻合。MAP

MAP可使用戶快速地建立概念模型。在MAP模塊下，以TIFF、JEPG等圖件為底圖（或應(yīng)用SHP格式文件作為模型背景），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。鉆孔數(shù)據(jù)(BoreholeData)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。TINs

TINs即三角不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)(TriangulatedIrregularNetworks)，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。實(shí)體是在不規(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。

總之GMS軟件模塊多、功能全，幾乎可以用來(lái)模擬與地下水相關(guān)的所有水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題。相比其它同類軟件如ModIME、MODFLOW和VisualModflow，GMS軟件除模塊更多之外，各模塊的功能也更趨完善。FEFLOW(FiniteElementsubsurfaceFLOWsystem)20世紀(jì)70年代末,德國(guó)WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所開發(fā)了基于有限單元法的FEFLOW(FiniteelementsubsurfaceFLOWsystem)軟件,它是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。從FEFLOW的問世起一直到現(xiàn)在,在理論研究和對(duì)實(shí)際問題的處理上,它經(jīng)過了不斷的發(fā)展、修改、提高,在它的發(fā)展過程中,FEFLOW經(jīng)過了大量的測(cè)試和檢驗(yàn),它成功地解決了一系列與地下水有關(guān)的實(shí)質(zhì)性問題,如判斷污染物遷移途徑、追溯污染物的來(lái)源,地?zé)岬哪M,海水入侵預(yù)測(cè)等。該軟件包具有圖形人機(jī)對(duì)話、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口、自動(dòng)產(chǎn)生空間各種有限單元網(wǎng)格、空間參數(shù)區(qū)域化及快速精確的數(shù)值算法和先進(jìn)的圖形視覺化技術(shù)等特點(diǎn)。在FEFLOW系統(tǒng)中,用戶可以很方便迅速地產(chǎn)生空間有限單元網(wǎng)格,設(shè)置模型的參數(shù)和定義邊界條件,運(yùn)行數(shù)值模擬以及實(shí)時(shí)圖形顯示結(jié)果與成圖。FEFLOW的應(yīng)用領(lǐng)域水量模擬:模擬水源地開采或者油田注水對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)的影響、模擬水庫(kù)放水或者河流斷流時(shí),河道沿線地下水流場(chǎng)的變化等;水質(zhì)模擬:模擬污染物在地下水中的遷移過程及其時(shí)間空間分布模式、模擬沿海地區(qū)抽取地下水引起的海水入侵等;溫度模擬:模擬非飽和帶以及飽和帶溫度場(chǎng)的分布。系統(tǒng)輸入特點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入接口,用戶既能直接利用已有的GIS空間多邊形數(shù)據(jù)生成有限單元網(wǎng)格,也可以基于地圖用鼠標(biāo)設(shè)計(jì),網(wǎng)格的數(shù)目可以自己指定,可以方便地調(diào)整網(wǎng)格的幾何形狀,增加和放疏網(wǎng)格大小等。用戶可以視具體情況定義第一、第二和第三類邊界,而且還可以對(duì)邊界條件增加特定的限制條件;能方便地定義復(fù)合含水層中的分層開采井和混合開采井以及注水井。所有邊界條件及其限制條件、滲透系數(shù)、補(bǔ)排量既可設(shè)置為常數(shù),也能定義為隨時(shí)間變化的函數(shù)。FEFLOW提供了克里格(Kriging)、阿基瑪Akima)和距離反比加權(quán)(IDW)三種方法,對(duì)離散的空間抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插或外推。輸入數(shù)據(jù)格式既可以是ASCII碼文件,也可以是GIS地理信息系統(tǒng)文件,如ArcView的shp格式。FEFLOW先進(jìn)的數(shù)值求解法快速直接求解法,如PCG,BICGSTAB,CGS,GMRES以及帶預(yù)處理的再啟動(dòng)ORTHOMIN法;靈活多變的up2wind技術(shù),如流線up2wind,奇值捕捉法Shockcapturing,以減少數(shù)值彌散;皮卡和牛頓迭代法求解非線性流場(chǎng)問題;自動(dòng)調(diào)節(jié)模擬時(shí)間步長(zhǎng);模擬污染物遷移過程包括對(duì)流、水動(dòng)力彌散、線性及非線性吸附、一階化學(xué)非平衡反應(yīng);為非飽和帶模擬提供了多種參數(shù)模型,如指數(shù)式、VanGenuchten式和多種形式的Richard方程;垂向滑動(dòng)網(wǎng)格(BASD)技術(shù)處理自由表面含水系統(tǒng)以及非飽和帶的模擬;開放性外部程序接口,以便用戶在FEFLOW系統(tǒng)中連接和使用自己的程序模塊。FEFLOW系統(tǒng)結(jié)果輸出及顯示FEFLOW提供了其他任何地下水模擬軟件都無(wú)法比擬的、豐富實(shí)用的圖形顯示和數(shù)據(jù)結(jié)果分析工具。其先進(jìn)的圖形視覺化及數(shù)據(jù)分析技術(shù)表現(xiàn)在:有限單元網(wǎng)、邊界條件和模型參數(shù)的三維可視化及顯示;標(biāo)量數(shù)據(jù)的三維彩色(透明或灰度)等勢(shì)面顯示以及其二維平面彩色或等值線顯示;三維地下水流徑追蹤,流動(dòng)時(shí)間及流速動(dòng)畫顯示(包括二維平面、剖面投影或二維平面追蹤);三維體截段的空間顯示和三維交叉剖面組的空間顯示;三維圖形的任意旋轉(zhuǎn),二維、三維圖形的放大或縮小;總體和局部水量平衡分析(包括任意幾何多邊形內(nèi)的水流通量分析);計(jì)算和圖形顯示通過各種邊界條件的水通量、物質(zhì)通量以及其在特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的積分量。FEFLOW中特殊水文地質(zhì)問題的處理2.1地層的不連續(xù)在FEFLOW中,三維模型的空間結(jié)構(gòu)是由許多層(layer)組成,這些層由片(slice)隔開,每?jī)善芯褪且粚?圖1)。網(wǎng)格、邊界條件、初始條件是對(duì)應(yīng)于片,而參數(shù)(給水度、滲透系數(shù)等)是對(duì)應(yīng)于層。FEFLOW只能處理延伸到整個(gè)研究區(qū)域的片和層,所以,理論上FEFLOW不能處理地層不連續(xù)等特殊情況。2.1.1地層的缺失地層由于地殼的抬升而受強(qiáng)烈的剝蝕,含水巖層出露地面(圖1),或者含水層缺失。FEFLOW在處理這種情況時(shí),仍然認(rèn)為地層是連續(xù)到整個(gè)研究區(qū)域;只是在地層缺失的地方,認(rèn)為厚度是無(wú)限小,默認(rèn)是0.01m,其參數(shù)參考相鄰層的參數(shù)值。圖1層與片的概念2.1.2斷層斷層是地層發(fā)生錯(cuò)位,是一種特殊的水文地質(zhì)條件。到目前為止,FEFLOW還沒有很好的方法來(lái)處理斷層、跌水現(xiàn)象,WASY公司也一直設(shè)法解決這一難題。常用的處理方法是把斷層部分作為一個(gè)單獨(dú)的參數(shù)分區(qū),根據(jù)斷層兩邊的水力聯(lián)系程度來(lái)確定含水層的參數(shù)(主要是滲透系數(shù))。2.1.3小面積強(qiáng)透水帶的處理當(dāng)遇到天窗或者滲透系數(shù)非常大的區(qū)域時(shí)(這些域的面積往往比較小),可以把它隔離出來(lái)當(dāng)成一單獨(dú)的層(圖2)。在這一特殊的層上,強(qiáng)透水帶位置的厚度、滲透系數(shù)等參數(shù)按照實(shí)際賦值;除此之外的地方,參數(shù)考慮相鄰層相應(yīng)的參數(shù)。圖2小面積強(qiáng)透水帶1.含水層;2.強(qiáng)透水帶2.2第三類邊界混合邊界河流在FEFLOW中是作為第三類邊界處理。河流通過底積層和含水層發(fā)生水力聯(lián)系(圖3)。根據(jù)達(dá)西定律有(2)式中:qn為橫截面法線上的交換量;

ko,in為河流底積層的滲透系數(shù);-滲流區(qū)域;k-含水層滲透系數(shù);hR-河流水位;d-河流底積層厚度;h-地下水位.圖3河流橫剖面示意圖從(2)式中看出,進(jìn)入含水層的水量與河流的屬性(底積層的厚度和滲透系數(shù))和水位有關(guān),屬性值為常數(shù),而水位一般隨時(shí)空變化。圖4沒有考慮時(shí)間的一維線性插值圖5考慮時(shí)間的一維線性插值當(dāng)動(dòng)態(tài)地模擬一條河流時(shí),需要知道河流在典型水文年的水位動(dòng)態(tài)曲線。例如已知兩個(gè)水文站的水位歷時(shí)曲線,采用一維線性插值方法,可以得到沿主流道任意結(jié)點(diǎn)的水位歷時(shí)曲線。然而這種插值法用來(lái)模擬短期內(nèi)洪水對(duì)地下水的影響時(shí)就會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,因?yàn)樗J(rèn)為上游和下游水位變化是同步的,沒有考慮時(shí)間滯后的影響;也就是說上游和下游的水位同時(shí)到達(dá)歷時(shí)曲線的波峰和波谷(圖4),這種結(jié)果并不是所需要的。為了解決上述問題,FEFLOW提供了一種考慮時(shí)間滯后的一維線性插值方法,通過這種插值(圖5),可以非常準(zhǔn)確地模擬一場(chǎng)暴雨后,沿河附近區(qū)域地下水位的變化。FEFLOW軟件的缺點(diǎn)FEFLOW最大的缺點(diǎn)是用于處理源匯項(xiàng)的InOrOutFlow菜單功能過于集中,各個(gè)補(bǔ)排項(xiàng)沒有單獨(dú)的子程序包。這樣雖然節(jié)省了許多源代碼,但是卻給調(diào)參帶來(lái)麻煩。為了節(jié)省調(diào)參所需的時(shí)間,在前處理中必須對(duì)各個(gè)補(bǔ)排項(xiàng)進(jìn)行累計(jì),求出其代數(shù)和(借助自編的程序)。這樣在調(diào)參過程中,即使對(duì)補(bǔ)排項(xiàng)進(jìn)行較小的改動(dòng),只要運(yùn)行自編的程序,補(bǔ)排項(xiàng)的代數(shù)和就能瞬間得出,然后按一定的格式存儲(chǔ)于固定的文件,運(yùn)行FEFLOW時(shí)只要調(diào)用這一文件即可。最近上市的FEFLOW5.0,其顏色已經(jīng)不再局限于256色。隨著處理蒸發(fā)和斷層的子程序包的開發(fā),FEFLOW功能更加完善。綜上所述,FEFLOW軟件能很好地處理相關(guān)的水文地質(zhì)條件,具有簡(jiǎn)便的操作、快速精確的數(shù)值算法和先進(jìn)的圖形視覺化技術(shù)等特點(diǎn)。模型主要特點(diǎn)VisualMODFLOW是目前國(guó)際上最流行且被各國(guó)一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)是由加拿大Water-loo水文地質(zhì)公司在原MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開發(fā)研制的,并于1994年8月首次在國(guó)際上公開發(fā)行。這個(gè)軟件包由Modflow(水流評(píng)價(jià))、Modpath(平面和剖面流線示蹤分析)和MT3D(溶質(zhì)運(yùn)移評(píng)價(jià))三大部分組成,并且具有強(qiáng)大的圖形可視界面功能。設(shè)計(jì)新穎的菜單結(jié)構(gòu)允許用戶非常容易地在計(jì)算機(jī)上直接圈定模型區(qū)域和剖分計(jì)算單元,并可方便地為各剖分單元和邊界條件直接在機(jī)上賦值,做到真正的人機(jī)對(duì)話。

VisualMODFLOW模型介紹MODFLOW可以模擬潛水、承壓水和隔水層中的穩(wěn)定流與瞬變流的情況。許多影響因素和水文過程,如河流、溪流、排水溝、水庫(kù)、作物蒸散量、降雨和灌溉入滲補(bǔ)給等,都可以用MODFLOW來(lái)模擬。MODFLOW提供了求解地下水流有限差分公式的很多種方法,如強(qiáng)隱式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、預(yù)調(diào)共軛梯度迭代法PCG2、SSOR等。用戶可以根據(jù)自己研究的實(shí)際情況,選擇適合的有效求解方法。由于實(shí)際地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的差異,選擇不同的求解程序包所得的結(jié)果是不一樣的。MODFLOW在求解過程中,引入了應(yīng)力期(StressPeriod)概念,它將整個(gè)模擬時(shí)間分為若干個(gè)應(yīng)力期,每個(gè)應(yīng)力期又可再分為若干個(gè)時(shí)段(TimeStep)。在同一個(gè)應(yīng)力期,各時(shí)間段既可以按等步長(zhǎng),也可以按一個(gè)規(guī)定的幾何序列逐漸增長(zhǎng)。而在每個(gè)應(yīng)力期內(nèi),MODFLOW規(guī)定所有的外部源匯項(xiàng)的強(qiáng)度應(yīng)保持不變。這樣做不但簡(jiǎn)化規(guī)范了數(shù)據(jù)文件的輸入,而且使得物理概念更為明確。除了具有以上特點(diǎn)之外,MODFLOW還可方便地以平面和剖面兩種方式彩色立體顯示計(jì)算模型的剖分網(wǎng)格、輸入?yún)?shù)和輸入結(jié)果。它的最大特點(diǎn)是將數(shù)值模擬評(píng)價(jià)過程中的各個(gè)步驟天衣無(wú)縫似地連接起來(lái),從開始建模、輸入和修改各類水文地質(zhì)參數(shù)與幾何參數(shù)、運(yùn)行模