数值模拟软件介绍及使用

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第六章地下水数值模拟软件介绍1、GMS软件2、FEFLOW软件3、VisualMODFLOW4、ProcessingMODFLOW 地下水模拟(GroundwaterModelingSystem)，简称GMS，是美国BrighamYoungUniversity的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的软件。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条6部分组成，使用起来非常便捷，下面简要介绍一下各主要模块的功能。界面由图形区、菜单条、工具栏和显式框组成，上端横条为菜单条，左侧为工具栏，包括模块选择区、其中包括模块GMS简介 MODFLOW模块MODFLOW是美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件。MODFLOW自从问世以来，由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化等优点，已被广泛用来模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。FEMWATER模块是用来模拟饱和流和非饱和流环境下的水流和溶质运移的三维有限元耦合模型，还可用于模拟咸水入侵等密度变化的水流和运移问题。MT3DMS模块MT3DMS是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。模拟计算时，MT3DM和MODFLOW一起使用。RT3D模块RT3D是处理多组分反应的三维运移模型，适合于模拟自然衰减和生物恢复。 SEAM3D模块SEAM3D用于模拟复杂生物降解问题(包括多酶，多电子接收器)的模型。它包含有NAPL溶解包和多种生物降解包，NAPL溶解包用于准确地模拟作为污染源的飘羽状NAPL，生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应。MODPATH模块MODPATH是确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径的三维示踪模型。它和MODFLOW一起使用，根据MODFLOW计算出来的流场，MODPATH可以追踪一系列虚拟的粒子来模拟从用户指定地点溢出污染物的运动。这种追溯跟踪方法可以用来描述给定时间内井的截获区。SEEP2D模块SEEP2D是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型。它可以用于模拟承压和无压流问题，可以模拟饱和和非饱和带的地下水流动问题;对无压流问题，模型可以只局限于饱和带。根据SEEP2D的结果可以作出完整的流网。 NUFT模块NUFT是三维多相不等温水流和运移模型，它非常适合用来解决包气带中的一些问题。UTCHEMUTCHEM是模拟多相流和运移的模型，它对抽水和恢复的模拟很理想，是一个已经被广泛运用的成熟模型。PEST和UCODEPEST和UCODE是用于自动调参的两个模块。在自动进行参数估计时，交替运用PEST或UCODE来调整选定的参数，并且重复用于MODFLOW、FEMWATER等的计算，直到计算结果和野外观测值相吻合。 MAPMAP可使用户快速地建立概念模型。在MAP模块下，以TIFF、JEPG等图件为底图（或应用SHP格式文件作为模型背景），在图上确定表示源汇项、边界、含水层不同参数区域的点、曲线、多边形的空间位置，快速建立起概念模型。钻孔数据(BoreholeData)用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线;地层数据用来建立TIN、实体和三维有限元网格。TINsTINs即三角不规则网络(TriangulatedIrregularNetworks)，通常用来表示相邻地层的界面，多个TINs就可以被用来建立实体(Solid)模型或三维网格。实体是在不规则的三角形网络(TIN)建立完成后通过一系列操作产生的实际地层的三维立体模型。总之GMS软件模块多、功能全，几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问题。相比其它同类软件如ModIME、MODFLOW和VisualModflow，GMS软件除模块更多之外，各模块的功能也更趋完善。 FEFLOW(FiniteElementsubsurfaceFLOWsystem)20世纪70年代末,德国WASY水资源规划和系统研究所开发了基于有限单元法的FEFLOW(FiniteelementsubsurfaceFLOWsystem)软件,它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。从FEFLOW的问世起一直到现在,在理论研究和对实际问题的处理上,它经过了不断的发展、修改、提高,在它的发展过程中,FEFLOW经过了大量的测试和检验,它成功地解决了一系列与地下水有关的实质性问题,如判断污染物迁移途径、追溯污染物的来源,地热的模拟,海水入侵预测等。该软件包具有图形人机对话、地理信息系统数据接口、自动产生空间各种有限单元网格、空间参数区域化及快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。在FEFLOW系统中,用户可以很方便迅速地产生空间有限单元网格,设置模型的参数和定义边界条件,运行数值模拟以及实时图形显示结果与成图。 FEFLOW的应用领域水量模拟:模拟水源地开采或者油田注水对区域地下水流场的影响、模拟水库放水或者河流断流时,河道沿线地下水流场的变化等;水质模拟:模拟污染物在地下水中的迁移过程及其时间空间分布模式、模拟沿海地区抽取地下水引起的海水入侵等;温度模拟:模拟非饱和带以及饱和带温度场的分布。 系统输入特点通过标准数据输入接口,用户既能直接利用已有的GIS空间多边形数据生成有限单元网格,也可以基于地图用鼠标设计,网格的数目可以自己指定,可以方便地调整网格的几何形状,增加和放疏网格大小等。用户可以视具体情况定义第一、第二和第三类边界,而且还可以对边界条件增加特定的限制条件;能方便地定义复合含水层中的分层开采井和混合开采井以及注水井。所有边界条件及其限制条件、渗透系数、补排量既可设置为常数,也能定义为随时间变化的函数。FEFLOW提供了克里格(Kriging)、阿基玛Akima)和距离反比加权(IDW)三种方法,对离散的空间抽样数据进行内插或外推。输入数据格式既可以是ASCII码文件,也可以是GIS地理信息系统文件,如ArcView的shp格式。 FEFLOW先进的数值求解法快速直接求解法,如PCG,BICGSTAB,CGS,GMRES以及带预处理的再启动ORTHOMIN法;灵活多变的up2wind技术,如流线up2wind,奇值捕捉法Shockcapturing,以减少数值弥散;皮卡和牛顿迭代法求解非线性流场问题;自动调节模拟时间步长;模拟污染物迁移过程包括对流、水动力弥散、线性及非线性吸附、一阶化学非平衡反应;为非饱和带模拟提供了多种参数模型,如指数式、VanGenuchten式和多种形式的Richard方程;垂向滑动网格(BASD)技术处理自由表面含水系统以及非饱和带的模拟;开放性外部程序接口,以便用户在FEFLOW系统中连接和使用自己的程序模块。 FEFLOW系统结果输出及显示FEFLOW提供了其他任何地下水模拟软件都无法比拟的、丰富实用的图形显示和数据结果分析工具。其先进的图形视觉化及数据分析技术表现在:有限单元网、边界条件和模型参数的三维可视化及显示;标量数据的三维彩色(透明或灰度)等势面显示以及其二维平面彩色或等值线显示;三维地下水流径追踪,流动时间及流速动画显示(包括二维平面、剖面投影或二维平面追踪);三维体截段的空间显示和三维交叉剖面组的空间显示;三维图形的任意旋转,二维、三维图形的放大或缩小;总体和局部水量平衡分析(包括任意几何多边形内的水流通量分析);计算和图形显示通过各种边界条件的水通量、物质通量以及其在特定时间区间内的积分量。 FEFLOW中特殊水文地质问题的处理2.1　地层的不连续在FEFLOW中,三维模型的空间结构是由许多层(layer)组成,这些层由片(slice)隔开,每两片中就是一层(图1)。网格、边界条件、初始条件是对应于片,而参数(给水度、渗透系数等)是对应于层。FEFLOW只能处理延伸到整个研究区域的片和层,所以,理论上FEFLOW不能处理地层不连续等特殊情况。2.1.1　地层的缺失地层由于地壳的抬升而受强烈的剥蚀,含水岩层出露地面(图1),或者含水层缺失。FEFLOW在处理这种情况时,仍然认为地层是连续到整个研究区域;只是在地层缺失的地方,认为厚度是无限小,默认是0.01m,其参数参考相邻层的参数值。图1层与片的概念 2.1.2　断层断层是地层发生错位,是一种特殊的水文地质条件。到目前为止,FEFLOW还没有很好的方法来处理断层、跌水现象,WASY公司也一直设法解决这一难题。常用的处理方法是把断层部分作为一个单独的参数分区,根据断层两边的水力联系程度来确定含水层的参数(主要是渗透系数)。2.1.3　小面积强透水带的处理当遇到天窗或者渗透系数非常大的区域时(这些域的面积往往比较小),可以把它隔离出来当成一单独的层(图2)。在这一特殊的层上,强透水带位置的厚度、渗透系数等参数按照实际赋值;除此之外的地方,参数考虑相邻层相应的参数。图2小面积强透水带1.含水层;2.强透水带 2.2　第三类边界混合边界河流在FEFLOW中是作为第三类边界处理。河流通过底积层和含水层发生水力联系(图3)。根据达西定律有(2)式中:qn为横截面法线上的交换量;ko,in为河流底积层的渗透系数;-渗流区域;k-含水层渗透系数;hR-河流水位;d-河流底积层厚度;h-地下水位.图3　河流横剖面示意图从(2)式中看出,进入含水层的水量与河流的属性(底积层的厚度和渗透系数)和水位有关,属性值为常数,而水位一般随时空变化。 图4没有考虑时间的一维线性插值图5考虑时间的一维线性插值当动态地模拟一条河流时,需要知道河流在典型水文年的水位动态曲线。例如已知两个水文站的水位历时曲线,采用一维线性插值方法,可以得到沿主流道任意结点的水位历时曲线。然而这种插值法用来模拟短期内洪水对地下水的影响时就会出现较大的误差,因为它认为上游和下游水位变化是同步的,没有考虑时间滞后的影响;也就是说上游和下游的水位同时到达历时曲线的波峰和波谷(图4),这种结果并不是所需要的。为了解决上述问题,FEFLOW提供了一种考虑时间滞后的一维线性插值方法,通过这种插值(图5),可以非常准确地模拟一场暴雨后,沿河附近区域地下水位的变化。 FEFLOW软件的缺点FEFLOW最大的缺点是用于处理源汇项的InOrOutFlow菜单功能过于集中,各个补排项没有单独的子程序包。这样虽然节省了许多源代码,但是却给调参带来麻烦。为了节省调参所需的时间,在前处理中必须对各个补排项进行累计,求出其代数和(借助自编的程序)。这样在调参过程中,即使对补排项进行较小的改动,只要运行自编的程序,补排项的代数和就能瞬间得出,然后按一定的格式存储于固定的文件,运行FEFLOW时只要调用这一文件即可。 最近上市的FEFLOW5.0,其颜色已经不再局限于256色。随着处理蒸发和断层的子程序包的开发,FEFLOW功能更加完善。综上所述,FEFLOW软件能很好地处理相关的水文地质条件,具有简便的操作、快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。 模型主要特点VisualMODFLOW是目前国际上最流行且被各国一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统,该系统是由加拿大Water-loo水文地质公司在原MODFLOW软件的基础上应用现代可视化技术开发研制的,并于1994年8月首次在国际上公开发行。这个软件包由Modflow(水流评价)、Modpath(平面和剖面流线示踪分析)和MT3D(溶质运移评价)三大部分组成,并且具有强大的图形可视界面功能。设计新颖的菜单结构允许用户非常容易地在计算机上直接圈定模型区域和剖分计算单元,并可方便地为各剖分单元和边界条件直接在机上赋值,做到真正的人机对话。VisualMODFLOW模型介绍 MODFLOW可以模拟潜水、承压水和隔水层中的稳定流与瞬变流的情况。许多影响因素和水文过程,如河流、溪流、排水沟、水库、作物蒸散量、降雨和灌溉入渗补给等,都可以用MODFLOW来模拟。MODFLOW提供了求解地下水流有限差分公式的很多种方法,如强隐式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、预调共轭梯度迭代法PCG2、SSOR等。用户可以根据自己研究的实际情况,选择适合的有效求解方法。由于实际地质及水文地质条件的差异,选择不同的求解程序包所得的结果是不一样的。MODFLOW在求解过程中,引入了应力期(StressPeriod)概念,它将整个模拟时间分为若干个应力期,每个应力期又可再分为若干个时段(TimeStep)。在同一个应力期,各时间段既可以按等步长,也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内,MODFLOW规定所有的外部源汇项的强度应保持不变。这样做不但简化规范了数据文件的输入,而且使得物理概念更为明确。 除了具有以上特点之外,MODFLOW还可方便地以平面和剖面两种方式彩色立体显示计算模型的剖分网格、输入参数和输入结果。它的最大特点是将数值模拟评价过程中的各个步骤天衣无缝似地连接起来,从开始建模、输入和修改各类水文地质参数与几何参数、运行模型、反演校正参数,一直到显示输出结果,使整个过程从头至尾系统化、规范化。 VisualMODFLOW模型主要处理模块VisualMODFLOW界面设计的主要目的就是增强模型数值模拟能力,简化三维建模的复杂性。界面设计包括三大彼此联系但又相当独立的模块,即输入模块、运行模块和输出模块。输入模块输入模块允许用户直接在计算机上赋值所有必要的输入参数以便自动生成一个新的三维渗流模型。输入菜单把MODFLOW、MODPATH和MT3D的数据输入作为一个基本建模块,这些菜单以逻辑顺序排列并显示,指导用户逐步完成建模和数据输入工作。软件系统允许用户直接在计算机上定义和剖分模拟区域,用户可随意增减剖分网格和模拟层数,确定边界几何形态和边界性质,定义抽(排)水井的空间位置和出水层位以及非稳定抽排水量。参数菜单允许用户直接圈定各个水文地质参数的分区范围并赋值相应参数,同时上、下层所有参数可相互拷贝。用户在输入模块中还可预先定义水位校正观测孔的具体空间位置和观测层位,并输入其观测数据,以便在后续的模型识别工作中模拟使用。 运行模块运行模块允许用户修改MODFLOW、MODPATH和MT3D的各类参数与数值,包括初始估计值、各种计算方法的控制参数、激活疏干-饱水软件包和设计输出控制参数等,这些均已设计了缺省背景值。用户根据自己模拟计算的需要,可分别单独或共同执行水流模型(MODFLOW)、流线示踪模型(MODPATH)和溶质运移模型(MT3D)。 输出模块输出模块允许用户以三种不同方式展示其模拟结果。第一种方式就是在计算机屏幕上直接彩色立体显示所有的模拟结果;第二种方式就是直接在各类打印机上输出各种模拟评价的成,k果表格和成果图件;最后一种方式就是将所有模拟结果以图形或文本的文件格式输出,输出图形包括可以标记出渗流速度矢量大小的平面、剖面等值线图和平面、剖面示踪流线图以及局部区域水均衡图等一系列图件。 式中:Kxx,Kyy,Kzz为沿X,Y,Z坐标轴方向上的渗透系数[LT-1];h为测压管水头[L];w为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的通量[T-1],即地下水的源和汇;Ss为孔隙介质的储水率[L-1];t为时间[T]。2　模型理论基础VisualMODFLOW是MODFLOW的一个可视化软件。是一个三维有限差分地下水流动模型,它基于以下基本方程:常密度地下水的三维流动基本方程: 式中:Vx、Vy、Vz为线性流动流速矢量在坐标轴方向的分量[LT-1];n为含水层有效空隙率[%];w为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量[T-1]。对于地下水三维稳定流动,MODPATH的质量平衡方程可用有效空隙率和渗流流速表达为: 污染物输运模型MT3D的基本方程:式中:C为地下水中污染物浓度[CL-1];t为时间[T];xi为沿坐标轴各方向的距离[L];Dij为水力扩散系数;Vi为地下水渗流速度[LT-1];qs表示源和汇的单位流量[L-1];Cs为源和汇的浓度[CL-1];Q为含水层孔隙率[%];ΣRk为化学反应项。 ProcessingMODFLOWModflow是美国地质调查局（U.S.G.S）以有限差分方法为基础开发的一款模块化的地下水流动模拟软件。目前，以Modflow为基础研发的模拟地下水运动及溶质运移过程的计算软件有很多，例如VisualModflow,GMS,Feflow,ProcessingModflow等等。ProcessingModflowforWindows(PMWIN)提供了一个可视化的界面，集成了MODFLOW-88,MODFLW-96,PMPATH,MT3D,MT3DMS,PEST和UCODE. ProcessingMODFLOW内嵌的MODFLOW,MODPATH,MT3D等模块和visualMODFLOW，GMS等软件中的是一样的，唯一不同的是在ProcessingMODFLOW中添加了Interbed-storagePackage来实现由于抽取地下水引起的含水层的压缩量。由于MODFLOW,MODPATH,MT3D等的基本原理和前面介绍的比较一致，本节主要介绍下ProcessingMODFLOW的Inerbed-storagePackage。 在Interbed-storage子程序包中,认为弹性压缩量与水头的变化成正比,非弹性压缩量与水头的减少量成正比,通过在水量方程等号右边添加一项,将储水率变化耦合到了地下水量方程中。在每个时间步长,该子程序包会根据模拟的水头与前期固结水头的关系合理分配储水量的变化,是由弹性压缩引起的还是由非弹性压缩引起的。应用该子程序包模拟由于含水层的非弹性变形引起的地面沉降时,不需要在模拟过程中人为修改储水率值。复合含水系统中拥有不同储水率的多层含水层,那么可以用单一的弹性或非弹性储水率说明含水层储水率的变化。假设n层含水层的储水率分别是Ss1,Ss2,……,Ssn,厚度分别为b1,b2,……,bn,并使用了一个等效储水因子Ssystem,则等效储水系数的值是:Ssystem=Ss1b1+Ss2b2+…+Ssnbn(1) 在多孔介质中，描述地下水流运动的三维偏微分方程为：（1）式中：Kxx，Kyy，Kzz分别为沿x，y，z坐标轴方向的渗透系数（LT-1）；h为点（x，y，z）在t时刻水头值（L）；W为源汇项（T-1）；Ss为点（x，y，z）处的储水率（L-1）；t为时间（T）；为立体计算域。 计算含水层的沉降量的沉降模型方程为：（2）上式中，表示厚度为A的含水层在时间内的压缩量。当单元格水头大于前期固结水位（它表示土体在某一时刻之前粘性土中曾达到过的最低孔隙水压力水头）时，是含水层骨架部分弹性储水率；当单元格水头小于前期固结水位时，是含水层骨架部分非弹性储水率。对于任何模型，若给定的前期固结水头大于初始水头，则指定前期固结水头为初始水头值。 将qi添加到方程（1）的右端，再加上计算压缩量的方程（2）及相应的初始条件和边界条件，构成了求解地下水流和地面沉降之间的耦合模型。