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1、3 常用地下水模拟软件简介3.1 GMS地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)，简称 GMS，是美国Brigham Young University 的环境模型争论试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。可进展水流模拟、溶质运移模拟、反响运移模拟；建立三维地层实体，进展钻孔数据治理、二维(三维)地质统计；可视化和打印二维(三维)模拟结果。其图形界面用起来格
2、外便捷。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送的地下水模拟软件。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。特地用于
3、孔隙介质中地下水流淌的三维有限差分数值模拟，由于其程序构造的模块化、离散方法的简洁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简单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 可进展正向示踪和反向示踪，依据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、弥散和化学反响的三维溶质运移模型。MT3D 所模拟
4、的化学反响包括平衡掌握的线性和非线性吸附、一级不行逆衰变及生物降解。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响的三维运移模型，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。依据 SEEP2D 的结果可以
5、作出完整的流网。SEAM3D 是在MT3D 模型根底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简单降解反响。UTCHEM 是模拟多相流和运移的模型，它对抽水和恢复的模拟很抱负，特别适合于外表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。可在给定的观看数据及参数区内，自动调整参数，如渗透系数、垂直渗漏
6、系数、给水系数、储水系数、抽水率、传导力、补给系数、蒸发率等，进展模型校正。自动进展参数估量时，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，它格外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
7、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，将参数安排到相应的网格并可对概念模型进展编辑。SUB SURFACE CHARACTERIZATION(地质特征)被用来建立三角形不规章网(TINs)和实体(Solid)模型，显示钻孔数据。钻孔数据(Borehole Data)用来治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 即三角不规章网络(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(
8、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)模块供给了多种插值法(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，然后被作为输入值安排给模型。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)是在不规章的三角形网络(TINs)建立完成后，通过一系列操作产生的实际地层的
9、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全部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。进展地下水数值模拟时，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根底，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。概念化方式是先承受特征体(包括点、曲线和多边形)
10、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全部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展编辑，过程比较繁琐，因此通常只适合于创立一些简洁的概念模型；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、处理大局部数据，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简单的问题，承受概念化方式更简便、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展操作，而无需对此多边形内的每一个网格都重复进展 同一操作。2) 前、后处理功
11、能更强。在前处理过程中，GMS 软件可以承受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便利而直接地调用，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 中进展后处理，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， 还可以扫瞄观测孔的计算值与观测值比照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，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的应用程序、不断完善各模块的功能
12、。短短两年时间内，其3.1 版较 3.0 版添加了PEST.UCODE 程序模块，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加强。3.2 Visual MODFLOWVisual MODFLOW 是综合已有的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，可进展三维水流模拟、溶质运移模拟和反响运移模拟。Visual MODFLOW 最大的特点是易学易用。合理
13、的菜单构造、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很多地下水模拟专业人员选择的对象。Visual MODFLOW 分为输入模块、运行模块和输出模块。这些模块之间严密连接以建立或调整模型输入参数、运行模型、显示结果(以平面和剖面形式)。输入模块作为建模之用。地下水水流和(或)运移模型的输入数据文件的建立过程通常是最耗时、最繁琐的工作。Visual MODFLOW 的特别设计将模拟的简单性降到最小，用户的工作效率到达最高。输入模块包括网格设计、抽水井、参数、边界条件、质点、观看井、区段预算等。运行模块可使用户选择、调整 MODFLOW、MODPATH、MT3D 和 RT3D 的运
14、行时间， 开头模型计算并进展模型校正。模型校正既可用手工进展，也可用 WinPEST 自动进展。WinPEST 是 PEST 的WINDOWS 版本。输出模块可自动地阅读每次模拟结果，可输出等值线图、流速矢量图、水流路径图、区段预算和打印，并可借助Visual Groundwater 软件进展三维显示和输出，如三维等值面和三维路径。3.3 Visual GroundwaterVisual Groundwater4是由加拿大Waterloo 水文地质公司开发的地下数据和地下水模拟结果三维可视化与动画软件。可显示和打印地层、土壤污染、水头、地下水物质浓度和地下水模拟的三维结果，计算污染土壤和地下水
15、的体积。3.4 PHREEQCPHREEQC5是用 C 语言编写的进展低温水文地球化学计算的计算机程序，可进展正向模拟和反向模拟，几乎能解决水、气、岩土相互作用系统中全部平衡热力学和化学动力学问题，包括水溶物协作、吸附-解吸、离子交换、外表协作、溶解-沉淀、氧化-复原。正向模拟能依据给定的反响机理来推测水的组分和质量的转移，可进展以下计算：1) 配分和饱和指数计算；2) 一次投药反响和一维运移计算，包括可逆和不行逆反响，双重介质的对流、弥散(集中) 和反响耦合。其中，可逆反响包括水溶物、矿物、气体、固溶体、外表协作和离子交换平衡；不行逆反响包括给定物质的量的反响物、动力学掌握的反响、溶液混合、
16、温度变化。动力学反响既可以是程序中已给出的反响表达式，也可以是用户自定义反响表达式。反向模拟依据观测的化学和同位素资料来确定水-岩反响机理，说明沿水流路径演化时所发生的化学变化，即计算造成水流路径上初始和最终水组分差异所必需溶解或析出的矿物和气体物质的量。PHREEQC 由输入、运行、输出 3 个模块组成。输入是由关键词数据块组成的。每一数据块都是从带有关键词(和其它可能附加数据)的行开头的，以后各行都是与关键词有关的数据。每一个数据块都是按肯定的句法组成的自由格式。在运行开头时，PHREEQC 从数据文件中阅读关键词及其相关数据，以确定元素、交换反响、外表协作反响、矿物相、气体组分和速率表达
17、式。从数据中所阅读到的任何数据项都可以在输入文件中用关键词数据块重确定。阅读了数据文件后，就从输入文件中阅读数据直至遇到第一个END 关键词，然后进展运算；之后，又阅读数据文件，直至其次个END 关键词，进展运算，如此连续到最终一个END 关键词。这种由END 结尾的关键词数据块确定的运算称之为模拟分析。运行就是这一系列模拟分析。PHREEQC 有一个强大的热力学数据库供输入和运行使用。PHREEQC 共有phreeqc.dat、wateq4f.dat、winteq.dat3 个数据库。每一数据库均有水溶液主要组分，水溶液一般组分，相(气体和矿物)、外表主要组分和外表一般组分数据块。phree
18、qc.dat 和 wateq4f.dat 还有交换器主要组分、交换器一般组分和反响速率数据块。其中 wa-teq4f.dat 包括48 种元素、400 多种组分、300 多种矿物。PHREEQC 中水溶组分的活度系数计算承受Davies 和 WATEQDebye-Hckel 公式，分别适用的离子强度为小于 0.5 和 1mol/L。3.5 HST3DHST3D 是一个三维热及溶液运移模型(3DHeat&Solute Transport Model)。可以模拟三维空间地下水流及有关的热、溶液运移，进展地质废物处置、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贮存等问题
19、的分析。具体地说， 可进展以下工作：1) 评价井的性能，包括井孔类型；2) 分析密度和粘变可变的饱和区水力驱动流、热和溶液运移；3) 进展地下水水流、热或溶质运移耦合模拟或单独进展地下水流模拟；4) 推测化学组分迁移，包括填埋场污染物运移；5) 推测废物向盐水含水层的注入；6) 分析盐水含水层中淡水及滨海含水层盐水入侵；7) 分析含水层中液相地热系统和热贮存；8) 模拟原生水中海水处置及迁移；9) 模拟简单的三维含水层中单组分污染物的迁移；10) 模拟水障、底垫和水质保护系统。3.6 TNTmipsTNTmips 为图像处理系统，是用于地质空间统计的最先进的软件，包括光栅、矢量、TIN、CAD
20、、地域、数据库和文本等目标模块。可以制作地貌、地质、水文地质、地形、地质构造、卫星遥感、土壤及农业等图，定量刻画出模拟目标的体积、面积、深度和外形等。可用于：1) 矿产储量测绘及其它地质资源评估，如金属矿物、水、砂与砾石、建筑石材、石油、自然气、煤、地热等；2) 危害图测绘，如边坡失稳、塌方、地震、火山爆发、洪水、滨海入侵、环境污染、全球变暖等；3) 工程选址，如废物处置场(都市填埋场、核废物处置井)、管道、大路与铁路、坝、建筑设计等；4) 不同空间数据组环境关联缘由探讨，如与废石、土壤、水中地球化学有关的植物、动物或人类疾病大事(疾病可能与空间环境因素的简单组合有关)；5) 地质争论过程中数
21、据组之间的内在空间关系的探讨，如类和 S 类花岗岩区域地球化学标记和地球物理特征的探讨，岩性和植被的卫星图像光谱特征的辨识。4 结论1) 尽管世界上地下水及其相关模拟软件多达数百个，但由于地下水系统的简单性，到目前为止，还没有任何一种地下水软件能解决一切地下水问题。模拟者应依据自己所从事的争论领域及模拟任务选择适宜的软件。上述的GMS、Visual MODFLOW、Visual Groundwater、PHREEQC、HST3D 和TNTmips 都是比较流行的软件。2) 模拟的关键是概念模型的建立和模型的校正与验证。概念模型的建立是一个格外简单的过程，即需要充分了解模拟区的地质、构造、水文地质、水文地球化学、岩石矿物、气象、水文、地形地貌、工农业利用等一切与地下水的关系，并明确模拟的任务后，才能建立一个比较合理牢靠的概念模型。任何用于推测的模型都必需经过校正和验证，未经校正和验证的模型观测是不能被认可的。3) 任何模型都是建立在肯定根底理论之上的，模型的进展与完善也依据于根底理论的完善与进展。在进展地下水模拟过程中不应无视根底理论的争论和野外现象的观看。4) 依据国外阅历，的模拟软件的开发争论不仅时间长，而且费用高。目前，国际上很多地下水模拟软件能解决较简单的模拟问题，并随争论的深入作进一步完善。为缩短我国地下水模拟与国外的差距并节约人力和财力，应从国外引进一些软件。