地下水模拟技术及应用培训

地下水数值模拟技术与应用

第四讲地下水流模型MODFLOW简介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3.3VisualModflow简介（简单操作）3.4GMS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（Modularthree-dimensionalfinite-differenceground-waterflowmodel）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。主要功能模拟稳定、非稳定地下水流非均质含水层，简单的各项异性含水层二维、三维地下水流模拟承压、潜水、承压-无压含水层地下水流模拟适用条件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：采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编；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；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；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；求解方法多样化；输出格式的标准化和多样化；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；有较多的软件产品，广大的用户。子程序包名称英文缩写功能基本子程序包BAS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BCF计算有限差分方程组各项的值，即网格间流量和储存变化量外应力子程序包水井子程序包WEL定义点井的滤水管位置和井流量补给子程序包RCH定义含水层的面状补排强度河流子程序包RIV将河流处理为三类边界排水沟子程序包DRN如果地下水位高于排水沟底板，则定义为一类边界，如果低于底板，则无补排量。蒸发蒸腾子程序包EVT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GHB将边界定义为三类边界条件求解子程序包SIP子程序包SIP强隐式法求解线性方程组SSOR子程序包SSOR超松弛迭代法求解线性方程组PCG子程序包PCG预调共轭梯度法求解线性方程组MODFLOW主要子程序包功能表基于MODFLOW开发的一部分子程序包和模型一览表3.2国内外流行的地下水模型软件3.3VisualModflow介绍主要特点基于windows系统开发的软件，界面友好，简单易学；具有较为强大的图形可视化程度功能，图形化输入和输出；允许用户以其他方式修改和输入模型数据；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；……VisualModflow演示3.4GMS简介IntroductionGMS–GroundwaterModelingSystemisthemostsophisticatedandcomprehensivegroundwatermodelingsoftwareavailabletoday.GMSisacomprehensivepackagethatprovidestoolsforeveryphaseofagroundwatersimulationincludingsitecharacterization,modeldevelopment,post-processing,calibration,andvisualization.DevelopedbyBrighamYounguniversity4功能:多个软件的集成MODFLOW-2D,3DGroundwaterflowmodelMODPATH-aparticletrackingmodelbasedonMODFLOWMT3DMS-3DMassTransportmodelRT3D-alternatechemicalreactionbasedon

MT3DMSSEAM3D-biodegradationmodelbasedonMT3DMSFEMWATER–3DFEFlowandMTmodel.Un&saturatedNUFT-3Dmulti-phaseflowandMTmodel.UTCHEM-multi-phaseflowandMTmodel.(DNAPL)

SEEP2D-2Dfiniteelementgroundwatermodel.PEST-ParameterESTimationutilityUCODE-parameterestimationutility4Development--GMS简介4Development--GMS简介ThebackwardtrackingoptioninMODPATHcanbeusedtodelineatecapturezonesforwellsforagiventimeperiod4Development--GMS简介MT3DMSisamodularthree-dimensionaltransportmodelforthesimulationofadvection,dispersion,andchemicalreactionsofdissolvedconstituentsingroundwatersystems.MT3DMSusesamodularstructuresimilartothestructureutilizedbyMODFLOW.MT3DMSisusedinconjunctionwithMODFLOWinatwo-stepflowandtransportsimulation.HeadsandcellbycellfluxtermsarecomputedbyMODFLOWduringtheflowsimulationandarewrittentoaspeciallyformattedoutputfile.ThisfileisthenreadbyMT3DMSandutilizedastheflowfieldforthetransportportionofthesimulation.4Development--GMS简介4Development--GMS简介RT3DisamodifiedversionofMT3DMSthatutilizesalternatechemicalreactionpackages.Numerouspre-definedreactionsareavailableincludinginstantaneousaerobicdegradation,BTEXdegradationwithmultipleelectronacceptors,sequentialanaerobicdegradationofPCE/TCE,andcombinedaerobic/anaerobicdegradationofPCE/TCE.Forspecialcases,anoptionisprovidedforcreatinguser-definedreactions.

4Development--GMS简介SEAM3Disareactivetransportmodelusedtosimulatecomplexbiodegradationproblemsinvolvingmultiplesubstratesandmultipleelectronacceptors.ItisbasedontheMT3DMScode.InadditiontotheregularMT3DMSpackages,SEAM3DincludesaBiodegradationpackageandNAPLDissolutionpackage.4Development--GMS简介4Development--GMS简介FEMWATERisathree-dimensionalfiniteelementgroundwatermodel.Itcanbeusedtosimulateflowandtransportinboththesaturatedandunsaturatedzone.Furthermore,theflowandtransportsimulationcanbecoupledtosimulatedensitydependentproblemssuchassalinityintrusion.4Development--GMS简介4Development--GMS简介NUFTisa3Dmulti-phasenon-isothermalflowandtransportmodel.Itisideallysuitedforvadosezoneproblems.Itcanbeusedtosimulateawidevarietyofremediationstrategiesincludingstreaminjection,vaporextraction,andairsparging.4Development--GMS简介UTCHEMisamulti-phaseflowandtransportmodel.UTCHEMisideallysuitedforthesimulationofsurfactant-enhancedaquiferremediation(SEAR),andDNAPLtransport.UTCHEMisamaturemodelthathasbeenwidelyused.TheUTCHEMsolverisefficientandrobust.FutureversionsoftheGMS/UTCHEMinterfacewillincludethesimulationofbiodegradation.动画演示4Development--GMS简介SEEP2Disa2Dfiniteelementgroundwatermodel.SEEP2Disdesignedtobeusedonprofilemodels(XZmodels)suchascross-sectionsofearthendamsorlevees.TheoutputfromSEEP2Dcanbeusedtoplotcompleteflownets.4Development--GMS简介4Development--GMS简介4Development--GMS简介4Development--GMS简介4Development--GMS简介优点适用面广，几乎可用于建立所有类型的地下水模型前处理程序好：源汇项、各类边界均有单独模块处理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技术支持好，软件更新快对硬件要求不高价格合理缺点功能强大，但操作过于复杂。计算结果的输出、可视化表达需进一步完善。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逐级加密技术（upscale）高精度并行算法最优参数估计（不确定性理论和方法、人工智能算法）替代模型理论与方法（孙讷正等）饱和带~非饱和带耦合模型地下水~地表水耦合模型流域模型（大气水、地表水、包气带水、地下水）多项流模拟（核废料、CO2储存研究）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界面化(交互式图形界面)图形界面、下拉菜单、对话框通用化一维、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自动剖分离散点插值水文地质结构识别错误的自动检测均衡计算图形、表格表示前后处理的智能化自动剖分离散点插值水文地质结构识别错误的自动检测均衡计算图形、表格表示基于GIS技术（概念模型）边界、参数、源汇项、几何参数Conceptualmodelsoverlaywithmeshestotransformthepropertiesofconceptualmodels3.6一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53.6.1地下水流数值模型要求的资料（水文地质概念模型）水文地质结构；边界条件和边界值；水文地质参数；地下水流场，地下水长观资料；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初始流场不准：稳定流模型；垂向水文地质结构的确定：要注意开采分层；混合开采井的处理：等效越流；泉及向河流排泄：处理成排水沟；大面积地表水灌区，有大量排水沟存在，仍是难题；尽量避免疏干等水流不连续情况的出现；各向异性含水层的处理：等效；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；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；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地下水流模型所需所有资料；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；弥散系数（弥散度，难点！）；含水层的有效孔隙度。体会与经验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