地下水模拟技术及应用培训

地下水数值模拟技术与应用地下水数值模拟技术与应用第四讲第四讲￿￿￿￿地下水流模型地下水流模型MODFLOW简介简介中科院计算所培训中科院计算所培训主要内容3.1￿主要功能和主要模块3.2目前国内外主要地下水模拟软件简介3.3￿Visual￿Modflow简介（简单操作）3.4￿GMS简介3.5地下水数值模拟发展趋势3.6一点体会和经验4.1 主要功能和模块MODFLOW（Modular￿three-dimensional￿finite-difference￿ground-water￿flow￿model）是由美国地质调查局上世纪80年代开发的基于有限差分法的孔隙介质中三维地下水流模拟程序，现已推出MODFLOW88、96、2000和2005四个版本，已成为功能完善、扩展性强、应用最为广泛的地下水流模拟程序主要功能³模拟稳定、非稳定地下水流³非均质含水层，简单的各项异性含水层³二维、三维地下水流模拟³承压、潜水、承压-无压含水层地下水流模拟适用条件³饱和空隙介质地下水流，地下水流动满足达西定律4主要特点：³采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编；³采用模块化结构，MODFLOW程序可分为一个主程序和若干个高度独立的子程序（模块，modules），若干相关的子程序整合形成具有特定功能的子程序包（pakages）。

使程序易于理解和修改，便于二次开发和增加新的模块和子程序包，对其功能进行扩展；³离散单元的简单化采用矩形不等距网格离散，便于用户对模拟区剖分和准备输入数据，输出的计算结果也比较规范化Upscale技术；³在时间离散上，引入应力期的概念，便于模拟期内时间段的划分和时间步长的设定；³求解方法多样化；³输出格式的标准化和多样化；³资源丰富，可在有关网站上下载源程序、参考手册、操作手册等；³有较多的软件产品，广大的用户子程序包名称子程序包名称英文英文缩写缩写功能功能基本子程序包基本子程序包BASBAS指定边界条件、时间段长度、初始条件以及输出指定边界条件、时间段长度、初始条件以及输出计算单元间渗流子程序包计算单元间渗流子程序包BCFBCF计计算算有有限限差差分分方方程程组组各各项项的的值值，，即即网网格格间间流流量量和和储储存存变化量变化量外应外应力子力子程序程序包包水井子程序包水井子程序包WELWEL定义点井的滤水管位置和井流量定义点井的滤水管位置和井流量补给子程序包补给子程序包RCHRCH定义含水层的面状补排强度定义含水层的面状补排强度河流子程序包河流子程序包RIVRIV将河流处理为三类边界将河流处理为三类边界排水沟子程序包排水沟子程序包DRNDRN如如果果地地下下水水位位高高于于排排水水沟沟底底板板，，则则定定义义为为一一类类边边界界，，如果低于底板，则无补排量。

如果低于底板，则无补排量蒸发蒸腾子程序包蒸发蒸腾子程序包EVTEVT按阿维杨诺夫公式处理地下水的蒸发蒸腾量按阿维杨诺夫公式处理地下水的蒸发蒸腾量通用水头子程序包通用水头子程序包GHBGHB将边界定义为三类边界条件将边界定义为三类边界条件求解求解子程子程序包序包SIPSIP子程序包子程序包SIPSIP强隐式法求解线性方程组强隐式法求解线性方程组SSORSSOR子程序包子程序包SSORSSOR超松弛迭代法求解线性方程组超松弛迭代法求解线性方程组PCGPCG子程序包子程序包PCGPCG预调共轭梯度法求解线性方程组预调共轭梯度法求解线性方程组MODFLOW主要子程序包功能表主要子程序包功能表名称名称功能功能备注备注ETSETS蒸散发子程序包，允许用户定于蒸散发蒸散发子程序包，允许用户定于蒸散发-地下水位关系地下水位关系已已 整整 合合 到到 MODFLOW-2000和和MODFLOW-2005中STRSTR河流河流-含水层交换量子程序包，河流量计算考虑了沿河流路径与地下水交换含水层交换量子程序包，河流量计算考虑了沿河流路径与地下水交换同上同上SFR2SFR2河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层。

河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层同上同上HUF2HUF2计计算算水水文文地地质质单单元元渗渗流流子子程程序序包包，，可可将将实实际际介介质质的的水水文文地地质质属属性性（（渗渗透透性性））赋赋到到个网格上个网格上同上同上IBS1/2IBS1/2基基于于MODFLOW开开发发的的有有粘粘土土夹夹层层的的含含水水层层形形变变子子程程序序包包，，可可计计算算由由于于地地下下水水储存量变化引起的含水层形变量储存量变化引起的含水层形变量同上同上SUBSUB在在IBS1/2基基础础上上改改进进的的地地面面沉沉降降和和含含水水层层压压缩缩子子程程序序包包，，可可单单独独计计算算出出粘粘性性土土索索性压缩和含水层弹性压缩量性压缩和含水层弹性压缩量同上同上UZFUZF模拟非饱和带模拟非饱和带-饱和带垂向水流子程序包饱和带垂向水流子程序包源源程程序序已已整整合合到到MODFLOW-2005中LGRLGR局局部部网网格格加加密密（（LGR））功功能能，，允允许许用用户户在在网网格格更更大大更更粗粗糙糙的的母母模模型型中中模模拟拟更更高高精精度的局部网格（称为子模型）中的水流度的局部网格（称为子模型）中的水流。

源源程程序序已已整整合合到到MODFLOW-2005中MODPATHMODPATH地下水中质点运移路径的三维质点示踪模型，可进行正向示踪和反向示踪地下水中质点运移路径的三维质点示踪模型，可进行正向示踪和反向示踪http://water.usgs.gov/softwarehttp://water.usgs.gov/software/MODPATH//MODPATH/MT3DMSMT3DMS基基于于MODFLOW开开发发的的考考虑虑对对流流、、弥弥散散、、源源汇汇项项、、化化学学作作用用的的多多组组分分地地下下水水溶溶质运移模型质运移模型http://hydro.geo.ua.edu/mt3d/http://hydro.geo.ua.edu/mt3d/RT3DRT3D在在MT3D基础上模拟地下水中多组分反应，适合于模拟自然衰减和生物恢复基础上模拟地下水中多组分反应，适合于模拟自然衰减和生物恢复http://bioprocess.pnl.gov/rt3d.http://bioprocess.pnl.gov/rt3d.htmhtmSEAM3DSEAM3D在在MT3D模模型型基基础础上上开开发发的的碳碳氢氢化化合合物物降降解解模模型型，，可可模模拟拟多多达达27种种物物质质的的运运移移和和相互作用。

相互作用MOC3DMOC3D基基于于特特征征值值法法的的三三维维溶溶质质运运移移模模型型，，可可考考虑虑对对流流、、弥弥散散、、混混合合、、线线性性吸吸附附和和放放射射性衰减等作用性衰减等作用MODFLOWMODFLOW- -SURFACTSURFACT饱和饱和-非饱和水流和污染质运移模型非饱和水流和污染质运移模型http://www.scientificsoftwareg3.2 国内外流行的地下水模型软件名称主要功能特点开发单位、下载或购买网址GMS(Groundwater Modeling System，windows)整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE、NUFT等模型和程序包，等可进行水流、溶质运移、反应运移模拟；建立三维地层实体，进行钻孔数据管理、二维(三维)地质统计，与ARCGIS有良好的接口使用界面友好，前、后处理功能及三维可视化效果优良，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件适用于孔隙介质三维地下水模拟，与GIS接口好，是目前国内最常用的软件地下水流和溶质运移模拟软件，但软件较复杂，价格偏贵。

由美国Brigham Young University的环境模型研究实验室开发，网址：http://www.emrl.byu.edu/gms.htm分销商为：http://www.ems- Modflow（windows）综合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST 等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件，可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟合理的菜单结构、友好的界面和功能强大的可视化特征和极好的软件支撑使之成为许多地下水模拟专业人员选择的对象适用于孔隙介质三维地下水模拟，简单易学，价格相对便宜，是目前国内最流行的地下水流和溶质运移模拟软件之一加拿大Waterloo水文地质公司开发研制http://www.Waterloo www. S 有多种理论模式进行选择运用达西、泊松以及manning-strickler理论的离散单元分析与GIS接口好，剖分灵活，可进行复杂的（各向异性）地下水流、溶质和热运移模拟专业性强，价格偏贵是目前国内常用的地下水模型软件之一Feflow是由德国Wasy水资源规划系统研究所研制开发，网址：http:// www.wasy.de/english/produkte/feflow/ index.html#。

Groundwater Vistas（windows）基于MODFLOW开发的在功能上类似于GMS的地下水模型软件，功能强大，用户界面优化，可视化程度高，可用蒙特卡洛方法结合modflow、MT3D进行参数敏感性分析、地下水风险评价等结合么特卡罗方法的随机地下水数值模拟美国Environmental Simulations, Inc.公司开发：http://www.ground - …..为汉字界面和帮助，有利于国内专业人员学习和使用中国水利水电研究院开发……IGW（Interactive Ground Water， windows）交互式二维、三维地下水流和溶质运移数值模拟软件，可设定确定性、蒙特卡洛和条件蒙特卡洛随机条件，运用网格逐步加密技术（upscale）进行局部加密网格局部加密可在区域模型中嵌套局部精细刻画的地下水模型美国密西根州立大学土木工程和环境工程系开发：http://www.egr. msu.edu/ igw/，可下载可执行文件、使用手册等PMWIN基于MODFLOW开发的地下水流和溶质运移模型，软件中整合了IBS模块，可进行含水介质的弹性和塑性变形量计算简单易学，可进行抽水引起的地面沉降计算。

由台湾人Wen-Hsing Chiang开发： GeoTrans公司开发：http://www.geotran- (3D Heat&Solute Transport Model，DOS)基于有限差分法的三维热及溶液运移模型可以模拟三维空间地下水流及有关的热、溶液运移，进行地质废物处置、填埋物浸出、盐水入侵、淡水回灌与开采、放射性废物处理、水中地热系统和能量储藏等问题的分析目前国内常用于浅层地下水系统热运移模拟美国地质调查局开发：http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GW_Solute/hst/，可下载可执行程序和使用说明TOUGH2（DOS）通用的中渗流、多组分溶质运移和热运移数值模拟程序，适用二维和三维、饱和及非饱和多孔介质和裂隙介质问题，主要用于地热工程、核废料处理、环境评价与治理等方面基于Fortran77开发的，适于在任何平台上运行，目前国内多用于地下热水运移模拟由美国加州大学伯克利分校劳伦斯实验室开发，http://www-esd.lbl.gov/TOUGH2/index.htmlHYDRUS-2D/3D（windows）二维、三维饱和和非饱和带水分、溶质和能量运移模型，可进行剖面二维模拟，用户界面优化，输出的可视化表达较好。

特别适合有植被条件下的土壤水-地下水流和溶质云以模拟美国加州大学河滨分校、盐湖研究所国际地下水模型中心和捷克PC-Progress公司联合开发：http:// www.pc- International Ltd开发：http://www.geo-slope. com/products/，可从以上网址了解有关信息、下载学生版MIKE SHE（windows）综合的分布式流域模型，可完整地模拟陆地水循环中地表、非饱和带和地下水的水量和溶质运移过程与AcrGIS和MODFLOW有良好的接口，界面友好，操作简单，可视化功能强可应用于水环境影响评价、地下水地表水联合使用、地下水和地表水管理等方面特别适合地下水-地表水联系密切条件下水资源系统的模拟丹麦DHI国际咨询和研究机构开发：3.3 Visual Modflow介绍加拿大Waterloo大学水文地质公司开发研制，http://www.Waterloo 主要特点³基于windows系统开发的软件，界面友好，简单易学；³具有较为强大的图形可视化程度功能，图形化输入和输出；³允许用户以其他方式修改和输入模型数据；³功能较为齐全：®地下水流、质点追踪、溶质运移模拟；®模型自动识别：ucode、pest；®分区均衡计算；®……Visual Modflow演示3.4 GMS简介Introduction³GMS￿–￿Groundwater￿Modeling￿System³￿is￿the￿most￿sophisticated￿and￿comprehensive￿groundwater￿modeling￿software￿available￿today.￿GMS￿is￿a￿comprehensive￿package￿that￿provides￿tools￿for￿every￿phase￿of￿a￿groundwater￿simulation￿including￿site￿characterization,￿model￿development,￿post-processing,￿calibration,￿and￿visualization.³Developed￿by￿Brigham￿Young￿university4功能:￿多个软件的集成³MODFLOW - 2D, 3D Groundwater flow model³MODPATH - a particle tracking model based on MODFLOW³MT3DMS - 3D Mass Transport model³RT3D - alternate chemical reaction based on MT3DMS³SEAM3D - biodegradation model based on MT3DMS³FEMWATER – 3D FE Flow and MT model. Un & saturated³NUFT - 3D multi-phase flow and MT model.³UTCHEM - multi-phase flow and MT model. (DNAPL) ³SEEP2D - 2D finite element groundwater model. ³PEST - Parameter ESTimation utility³UCODE - parameter estimation utility4Development-- GMS简介4Development--￿GMS简介The backward tracking option in MODPATH can be used to delineate capture zones for wells for a given time period4Development--￿GMS简介MT3DMS is a modular three-dimensional transport model for the simulation of advection, dispersion, and chemical reactions of dissolved constituents in groundwater systems. MT3DMS uses a modular structure similar to the structure utilized by MODFLOW. MT3DMS is used in conjunction with MODFLOW in a two-step flow and transport simulation. Heads and cell by cell flux terms are computed by MODFLOW during the flow simulation and are written to a specially formatted output file. This file is then read by MT3DMS and utilized as the flow field for the transport portion of the simulation.4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介RT3D is a modified version of MT3DMS that utilizes alternate chemical reaction packages. Numerous pre-defined reactions are available including instantaneous aerobic degradation, BTEX degradation with multiple electron acceptors, sequential anaerobic degradation of PCE/TCE, and combined aerobic/anaerobic degradation of PCE/TCE. For special cases, an option is provided for creating user-defined reactions. 4Development--￿GMS简介SEAM3D is a reactive transport model used to simulate complex biodegradation problems involving multiple substrates and multiple electron acceptors. It is based on the MT3DMS code. In addition to the regular MT3DMS packages, SEAM3D includes a Biodegradation package and NAPL Dissolution package.4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介FEMWATER is a three-dimensional finite element ground water model. It can be used to simulate flow and transport in both the saturated and unsaturated zone. Furthermore, the flow and transport simulation can be coupled to simulate density dependent problems such as salinity intrusion.4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介NUFT is a 3D multi-phase non-isothermal flow and transport model. It is ideally suited for vadose zone problems. It can be used to simulate a wide variety of remediation strategies including stream injection, vapor extraction, and air sparging.4Development--￿GMS简介UTCHEM is a multi-phase flow and transport model. UTCHEM is ideally suited for the simulation of surfactant-enhanced aquifer remediation (SEAR), and DNAPL transport. UTCHEM is a mature model that has been widely used. The UTCHEM solver is efficient and robust. Future versions of the GMS/UTCHEM interface will include the simulation of biodegradation. 动画演示4Development--￿GMS简介SEEP2D is a 2D finite element groundwater model. SEEP2D is designed to be used on profile models (XZ models) such as cross-sections of earthen dams or levees. The output from SEEP2D can be used to plot complete flow nets.4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介4Development--￿GMS简介优点³适用面广，几乎可用于建立所有类型的地下水模型³前处理程序好：源汇项、各类边界均有单独模块处理³有大量的参考手册和源程序代码，便于根据自己的需要修改³技术支持好，软件更新快³对硬件要求不高³价格合理缺点³功能强大，但操作过于复杂。

³计算结果的输出、可视化表达需进一步完善³无法处理一些特殊条件，如：蒸发、排水沟、多和方向的各向异性、…..4Development--￿GMS简介3.5 地下水模型的发展趋势￿地下水模拟技术展望³逐级加密技术（upscale）³高精度并行算法³最优参数估计（不确定性理论和方法、人工智能算法）³替代模型理论与方法（孙讷正等）³饱和带~非饱和带耦合模型³地下水~地表水耦合模型³流域模型（大气水、地表水、包气带水、地下水）³多项流模拟（核废料、CO2储存研究）³地下水模拟与水资源管理系统整合研究地下水模拟软件发展趋势³界面化(交互式图形界面)®图形界面、下拉菜单、对话框³通用化®一维、二维、三维®水流、水质运移、热运移、地面沉降®饱和带、非饱和带®地下水-地表水耦合模型前后处理的智能化³自动剖分³离散点插值³水文地质结构识别³错误的自动检测³均衡计算³图形、表格表示前后处理的智能化³自动剖分³离散点插值³水文地质结构识别³错误的自动检测³均衡计算³图形、表格表示基于GIS技术（概念模型）³边界、参数、源汇项、几何参数Conceptual￿models￿overlay￿with￿meshes￿to￿transform￿the￿properties￿of￿conceptual￿models3.6 一点体会和经验地下水流数值模型地下水溶质运移数值模型地下水热运移数值模型53.6.1 地下水流数值模型要求的资料（水文地质概念模型）³水文地质结构；³边界条件和边界值；³水文地质参数；³地下水流场，地下水长观资料；³地下水的补排项；准三维流（多层）与三维流区域模型与局部地段（水源地模型）的差异及关系—模型间套技术体会与经验³初始流场不准：稳定流模型；³垂向水文地质结构的确定：要注意开采分层；³混合开采井的处理：等效越流；³泉及向河流排泄：处理成排水沟；³大面积地表水灌区，有大量排水沟存在，仍是难题；³尽量避免疏干等水流不连续情况的出现；³各向异性含水层的处理：等效；³应力期（抽水时期）的确定：地下水动态特征和补排在时间上的分布规律；³河流的处理：尽量避免一类边界条件，处理为三类边界条件较为灵活；³有咸水、微咸水地区的地下水资源评价：分区评价。

3.6.2 地下水溶质运移数值模型所需资料³地下水流模型所需所有资料；³通过综合分析，搞清研究区主要的污染组分，给出其以下数据：®该组分的水溶性特征（溶于水、不混容）；®该组分的来源、释放量以及本底值®该组分的浓度场、动态监测数据；®该组分在含水层中的水文地球化学作用及相关参数；³弥散系数（弥散度，难点！）；³含水层的有效孔隙度体会与经验³注意溶质运移模型与水质模型的差别，只有搞清运移和演化机理才能对其进行模拟，在没有搞清机理的情况下，通过大量长观资料的分析，用概率统计分析其时空分布特征不失为好办法；³由于地下水化学组分时空变异性很强，初始浓度场的确定非常重要，而且非常困难要在充分水文地质条件分析和污染源调查的基础上，绘制典型污染组分的初始浓度等值线（去伪存真）；³弥散系数具有很强的尺度效应，虽然具有明显的物理意义，但也只是个模型参数，得到办法：室内实验、野外试验、经验值+灵敏度分析；³污染组分的运移范围一般比较有限，故模拟区范围一般100—101数量级足矣，大区域的污染质运移模拟难度大、无意义；³采用模型嵌套技术，在区域水流模型的基础上，嵌套局部地段污染质运移模型是可行的办法；³注意在模拟海咸水入侵问题时，要考虑溶液的密度随浓度的变化。

3.6.3 地下水热运移数值模型所需资料³地下水流模型所需所有资料；³通过综合分析，对于有热源的，搞清地热成因，提供相关资料：®地下热水温度场；®地热边界条件及边界值（横为边界、热通量、自由边界等）；®地下水温度动态观测数据；³热物理参数®水、固体的热容；®水、固体的热传导率；®含水介质的热动力弥散系数 体会与经验³目前国内和少有人建立地下水热运移模型（张远东），我也没有实际建模经验；³对于有热源的热运移模型，要搞清地热地质、水文地质条件，最好以地热地质单元或水文地质单元为模拟区；³对于以浅层地温能利用为目的地下水热运移模型，则要简单得多了，要提供区域地下水背景温度，该模型范围也不需要很大，也需采用模型嵌套技术，与区域地下水流模型耦合；³地热作为清洁环保能源日益受到重视，因而作为地热开发利用有效工具的热运移模型在我国将会有很大的发展。