【2017年整理】地下水数值模拟任务、步骤及常用软件

地下水数 值模拟任务、步 骤及常用软件1 地下水模拟任务 大多数地下水模拟主要用于预测，其模拟任务主要有 4 种： 1)水流模 拟 主要模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。 2)地下水运移模拟 主要模拟地下水、热和溶质组分的运移速率。 这种模拟要特别考虑到“ 优先流”。所 谓“优 先流” 就是局部具有高和 连通性的渗透性，使得水、热、溶质组分在该处的运移速率快于周围地区，即水、热、溶质组分 优先在该处流动。 3)反应 模拟 模拟水中、气- 水界面、水-岩界面所发生的物理、化学、生物反 应。 4)反应 运移模拟 模拟地下水运移过程中所发生的各种反应，如溶解与沉淀、吸附与解吸、氧化与还原、配合、中和、生物降解等。这种模拟将地球化学模拟(包括动力学模拟)和溶质运移模拟( 包括非饱和介质二维、三维流)有机结合，是地下水模拟的发展趋势。要成功地进行这种模 拟， 还需要研究许多水- 岩相互作用的化学机制和动力学模型。 2 模拟步骤 对于某一模拟目标而言，模拟一般分为以下步骤： 1)建立概念模型 根据详细的地形地貌、地质、水文地 质、构造地 质、水文地球化学、岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等，确定所模 拟的区域大小，含水层层数，维数(一维、二维 、三 维 )，水流状态(稳定流和非稳定流、饱和流和非 饱和流)，介质状况(均质和非均 质 、各向同性和各向异性、孔隙、裂隙和双重介质、流体的密度差)，边界条件和初始条件等。必要时需进行一系列的室内试验与野外试验，以获取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。 2)选择 数学模型 根据概念模型进行选择。如一维、二 维、三维数学模型，水流模型，溶质运移模型，反应模型，水动力- 水 质耦合模型，水 动力-反 应耦合模型，水 动力-弥散- 反应耦合模型。 3)将数学模型进行数值化 绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。常用数值 化有有限单元法和有限差分法。 4)模型校正 将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模 拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。调参过 程是一个复杂而辛苦的工作，所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。所幸的是，最近国外已花费巨力开 发研究了自动调参程序(如 PEST)，大大提高了模 拟者的工作效率。 5)校正灵敏度分析 校正后的模型受参数值的时空分布、边界条件、水流状态等不确定度的影响。灵敏度分析就是为了确定不确定度对校正模型的影响程度。 6)模型 验证 模型验证是在模型校正的基础上，进一步调整参数，使模拟结果与第二次实测结果吻合，以进一步提高模型的置信度。 7)预测 用校正的参数值进行预测，预测时需估算未来的水流状态。 8)预测 灵敏度分析 预测结果受参数和未来水流状态的不确定度的影响。灵敏度分析就是定量给出这些不确定度对预测的影响。 9)给出模 拟设计与结果。 10)后续检查 后续检查在模拟研究结束数年后进行。收集新的野外数据以确定预测结果是否正确。如果模拟结果精确，则该模型对该模拟区来 说是有效的。由于 场址的唯一性，故模型只对该模拟 区有效。后 续检查应在预测结束足够长的时间后进行，以便有足够的时间发生明显的变化。 11)模型的再 设计 一般来说，后续检查会发现系统性能的变化，从而 导致概念模型和模型参数的修改。一般来说，所有模拟研究都应该进行到第五步，即校正灵敏度分析。 3 常用模拟软件简介 3.1 GMS 地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)，简称 GMS，是美国Brigham Young University 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已有地下水模型MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE、NUFT 等地下水模型而开 发的可视化三维地下水模拟软件包。可进行水流模拟、溶质运移模拟、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；可视化和打印二维(三维)模拟结果。其图形界面用起来非常便捷。由于 GMS 软件具有良好的使用界面，强大的前、后处理功能及优良的三维可视化效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。 1 GMS 各模块 功能简介 GMS 由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、SEEP2D、SEAM3D、RT3D、 UTCHEM、PEST、UCODE、MAP、SUBSUR-FACECHARACTERIZATION、BoreholeData、 TINs(Triangulated Irregular Nets)、Solid、GEO-STATISTICS 等模块组成。各模块的功能如下： MODFLOW 是世界上使用最广泛的三维地下水水流模型。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，由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化及求解方法的多样化等优点，已被广泛用来模拟井流、溪流、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。 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质点示踪模型。在指定各质点的位置后，MODPATH 可进行正向示踪和反向示踪，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。 MT3D 是模拟地下水中单项溶解组分对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。MT3D 所模拟的化学反 应包括平衡控制的 线性和非线性吸附、一级不可逆衰变及生物降解。模拟计 算时， MT3D 需和 MODFLOW 一起使用。 FEMWATER 是用来模拟饱和流与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。 RT3D 是模拟地下水中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。例如自然降解、重金属、炸药、石油碳氢化合物、氯化组分等污染物治理的模拟。 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，也可以模拟饱和与非饱和带的水流，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。 SEAM3D 是在 MT3D 模型基础上开发的碳氢化合物降解模型，可模拟多达27 种物质的运移和相互作用。它包含有 NAPL(nonaqueous phase liquid，非水相)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浮状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。UTCHEM 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，特别适合于表面活化剂增加的含水层治理(SEAR)的模拟，是一个已 经被广泛运用的成熟模型。 PEST 和 UCODE 是用于自动调参的两个模块。可在给定的观察数据及参数区内，自动调整参数，如渗透系数、垂直渗漏系数、给水系数、储水系数、抽水率、传导力、 补给系数、蒸发率等，进行模型校正。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。 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。 MAP 可使用户快速地建立概念模型。在 MAP 模块下，以 TIFF、JEPG、DXF等图文件为底图，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，点位置可以确定井的抽水数据或污染物点源，折 线可以确定河流、排泄等模型边界，多边形可以确定面数据，如湖、不同补给区或水力传导系数区，快速建立起概念模型。一旦确定了概念模型，GMS 就自动建立网格，将参数分配到相应的网格并可对概念模型进行编辑。 SUB SURFACE CHARACTERIZATION(地质特征)被用来建立三角形不规则网(TINs)和实体(Solid)模型，显示钻孔数据。 钻孔数据(Borehole Data)用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来做等值面和等值线，推出地层。地 层数据用来建立 TIN、实体和三维有限元网格。TINs 即三角不规则网络(Triangulated Irregular Net-works)，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。TINs 是表示相邻地层单元界面的面，它是由 钻孔内精 选的地层界面组成的。一旦建立了一组 TINs，TINs 就可以用来建立实体模型。 Solid 被用来建立三 维地层 模型，任意切割剖面，产生逼真的图像。 GEOSTATISTICS(地质统计)模块提供了多种插值法(包括线性法、Clough-Techer 法、反距离加权法、自然 邻近法、克立格法和对数法等)，将已有的野外数据转化成可使用的数据类型，然后被作为输入值分配给模型。可插入二维、三 维点数据，产生等浓度面，从而图示化给出污染晕。 实体(Solid)是在不规则的三角形网络(TINs)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。可以任意切割剖面， 产生逼真的图像。 2 GMS 软件的 优点 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。同其它类软 件相比， GMS 软件除模块更多之外，各模块的功能也更趋完善。主要优点如下： 1)概念化方式建立水文地质概念模型。进行地下水数值模拟时，一般包括建立水文地质概念模型、建立数学模型、求解数学模型、模型识别以及模型预报等几个步骤。其中水文地质概念模型的建立是至关重要的一步，它是建立数学模型的基础，是整个模拟的前提。使用 GMS 软件建立概念模型时，除了常用的网格化方式外，多了一种概念化方式。概念化方式是先采用特征体(包括点、曲 线和多边形) 来表示模型的边界、不同的参数区域及源汇项等，然后生成网格，再通过模型转换，就可以将特征体上的所有数据一次性转换到网格相应的单元和结点上。由于网格化方式要求对每个单元进行编辑，过程比较繁琐，因此通常只适合于创建一些简单的概念模型；而概念化方式是对实体直接编辑，且可以以文件形式来输入、处 理大部分数据，而没有必要逐个 单元地编辑 数据，因此 对于实际应用中比较复杂的问题，采用概念化方式更简便、快捷。用 这种方式建立起来的水文地质概念模型用不同的多边形来表示不同的参数值区域。在随后的参数拟合过程中，即可直接对这些相应的多 边形进行操作，而无需对此多边形内的每一个网格都重复进行同一操作。 2)前、后处理功能更强。在前 处理过程中，GMS 软件可以采用 MODFLOW等模块的输入数据并自动保存为一系列文件，以便在 GMS 菜单中使用这些模块时可方便而直接地调用，且 实现了可视化输入。同 时 MODFLOW 等模块的计算结果又可以直接导入到 GMS 中进行后处理， 实现计算结果的可视化。GMS 软件除了可直接绘制水位等值线图外，还可以浏览观测孔的计算值与观测值对比曲线以及动态演示不同应力期、不同时段水位等值线等效果视图。 3)版本不断更新，功能不断完善。和众多地下水数值 模拟软件不同的是，GMS 软 件不是一 经开发后就 变化不大，而是在快速动态中不断完善。该软件通过版本的升级来不断补充新的应用程序、不断完善各模块的功能。短短两年时间内，其 3.1 版较 3.0 版添加了 PEST.UCODE 程序模 块，新增了可 识别*.JPEG 格式的图形文件、批处理抽水井和观测孔数据及对数插值等功能。而目前最新的4.0 版更是将可用于模拟地下水含水层空间分布的转移概率统计程序包 TPROGS集成进来，使 GMS 软件的功能得到进一步