地下水數(shù)值模擬任務、步驟及常用軟件.doc

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1 地下水模擬任務 大多數(shù)地下水模擬主要用于預測，其模擬任務主要有4種： 1)水流模擬 主要模擬地下水的流向及地下水水頭與時間的關系。 2)地下水運移模擬 主要模擬地下水、熱和溶質(zhì)組分的運移速率。這種模擬要特別考慮到“優(yōu)先流”。所謂“優(yōu)先流”就是局部具有高和連通性的滲透性，使得水、熱、溶質(zhì)組分在該處的運移速率快于周圍地區(qū)，即水、熱、溶質(zhì)組分優(yōu)先在該處流動。 3)反應模擬 模擬水中、氣-水界面、水-巖界面所發(fā)生的物理、化學、生物反應。 4)反應運移模擬 模擬地下水運移過程中所發(fā)生的各種反應，如溶解與沉淀、吸附與解吸、氧化與還原、配合、中和、生物降解等。這種模擬將地球化學模擬(包括動力學模擬)和溶質(zhì)運移模擬(包括非飽和介質(zhì)二維、三維流)有機結合，是地下水模擬的發(fā)展趨勢。要成功地進行這種模擬，還需要研究許多水-巖相互作用的化學機制和動力學模型。 2 模擬步驟 對于某一模擬目標而言，模擬一般分為以下步驟： 1)建立概念模型 根據(jù)詳細的地形地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)、構造地質(zhì)、水文地球化學、巖石礦物、水文、氣象、工農(nóng)業(yè)利用情況等，確定所模擬的區(qū)域大小，含水層層數(shù)，維數(shù)(一維、二維、三維)，水流狀態(tài)(穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流、飽和流和非飽和流)，介質(zhì)狀況(均質(zhì)和非均質(zhì)、各向同性和各向異性、孔隙、裂隙和雙重介質(zhì)、流體的密度差)，邊界條件和初始條件等。必要時需進行一系列的室內(nèi)試驗與野外試驗，以獲取有關參數(shù)，如滲透系數(shù)、彌散系數(shù)、分配系數(shù)、反應速率常數(shù)等。 2)選擇數(shù)學模型 根據(jù)概念模型進行選擇。如一維、二維、三維數(shù)學模型，水流模型，溶質(zhì)運移模型，反應模型，水動力-水質(zhì)耦合模型，水動力-反應耦合模型，水動力-彌散-反應耦合模型。 3)將數(shù)學模型進行數(shù)值化 絕大部分數(shù)學模型是無法用解析法求解的。數(shù)值化就是將數(shù)學模型轉化為可解的數(shù)值模型。常用數(shù)值化有有限單元法和有限差分法。 4)模型校正 將模擬結果與實測結果比較，進行參數(shù)調(diào)整，使模擬結果在給定的誤差范圍內(nèi)與實測結果吻合。調(diào)參過程是一個復雜而辛苦的工作，所調(diào)整的參數(shù)必須符合模擬區(qū)的具體情況。所幸的是，最近國外已花費巨力開發(fā)研究了自動調(diào)參程序(如PEST)，大大提高了模擬者的工作效率。 5)校正靈敏度分析 校正后的模型受參數(shù)值的時空分布、邊界條件、水流狀態(tài)等不確定度的影響。靈敏度分析就是為了確定不確定度對校正模型的影響程度。 6)模型驗證 模型驗證是在模型校正的基礎上，進一步調(diào)整參數(shù)，使模擬結果與第二次實測結果吻合，以進一步提高模型的置信度。 7)預測 用校正的參數(shù)值進行預測，預測時需估算未來的水流狀態(tài)。 8)預測靈敏度分析 預測結果受參數(shù)和未來水流狀態(tài)的不確定度的影響。靈敏度分析就是定量給出這些不確定度對預測的影響。 9)給出模擬設計與結果。 10)后續(xù)檢查 后續(xù)檢查在模擬研究結束數(shù)年后進行。收集新的野外數(shù)據(jù)以確定預測結果是否正確。如果模擬結果精確，則該模型對該模擬區(qū)來說是有效的。由于場址的唯一性，故模型只對該模擬區(qū)有效。后續(xù)檢查應在預測結束足夠長的時間后進行，以便有足夠的時間發(fā)生明顯的變化。 11)模型的再設計 一般來說，后續(xù)檢查會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能的變化，從而導致概念模型和模型參數(shù)的修改。一般來說，所有模擬研究都應該進行到第五步，即校正靈敏度分析。 3 常用模擬軟件簡介 3.1 GMS 地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System)，簡稱GMS，是美國Brigham Young University的環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站在綜合已有地下水模型MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE、NUFT等地下水模型而開發(fā)的可視化三維地下水模擬軟件包。可進行水流模擬、溶質(zhì)運移模擬、反應運移模擬；建立三維地層實體，進行鉆孔數(shù)據(jù)管理、二維(三維)地質(zhì)統(tǒng)計；可視化和打印二維(三維)模擬結果。其圖形界面用起來非常便捷。由于GMS軟件具有良好的使用界面，強大的前、后處理功能及優(yōu)良的三維可視化效果，目前已成為國際上最受歡迎的地下水模擬軟件。 1 GMS各模塊功能簡介 GMS由MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、SEEP2D、SEAM3D、RT3D、 UTCHEM、PEST、UCODE、MAP、SUBSUR-FACECHARACTERIZATION、BoreholeData、 TINs(Triangulated Irregular Nets)、Solid、GEO-STATISTICS等模塊組成。各模塊的功能如下： MODFLOW是世界上使用最廣泛的三維地下水水流模型。專門用于孔隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分數(shù)值模擬，由于其程序結構的模塊化、離散方法的簡單化及求解方法的多樣化等優(yōu)點，已被廣泛用來模擬井流、溪流、河流、排泄、蒸發(fā)和補給對非均質(zhì)和復雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。 MODPATH是確定給定時間內(nèi)穩(wěn)定或非穩(wěn)定流中質(zhì)點運移路徑的三維質(zhì)點示蹤模型。在指定各質(zhì)點的位置后，MODPATH可進行正向示蹤和反向示蹤，根據(jù)MODFLOW計算出來的流場，MODPATH可以追蹤一系列虛擬的粒子來模擬從用戶指定地點溢出污染物的運動。這種追溯跟蹤方法可以用來描述給定時間內(nèi)井的截獲區(qū)。 MT3D是模擬地下水中單項溶解組分對流、彌散和化學反應的三維溶質(zhì)運移模型。MT3D所模擬的化學反應包括平衡控制的線性和非線性吸附、一級不可逆衰變及生物降解。模擬計算時，MT3D需和MODFLOW一起使用。 FEMWATER是用來模擬飽和流與非飽和流環(huán)境下的水流和溶質(zhì)運移的三維有限元耦合模型，還可用于模擬咸水入侵等密度變化的水流和運移問題。 RT3D是模擬地下水中多組分反應的三維運移模型，適合于模擬自然衰減和生物恢復。例如自然降解、重金屬、炸藥、石油碳氫化合物、氯化組分等污染物治理的模擬。 SEEP2D是用來計算壩堤剖面滲漏的二維有限元穩(wěn)定流模型。它可以用于模擬承壓和無壓流問題，也可以模擬飽和與非飽和帶的水流，對無壓流問題，模型可以只局限于飽和帶。根據(jù)SEEP2D的結果可以作出完整的流網(wǎng)。 SEAM3D是在MT3D模型基礎上開發(fā)的碳氫化合物降解模型，可模擬多達27種物質(zhì)的運移和相互作用。它包含有NAPL(nonaqueous phase liquid，非水相)溶解包和多種生物降解包，NAPL溶解包用于準確地模擬作為污染源的飄浮狀NAPL，生物降解包用于模擬包含碳氫化合物酶的復雜降解反應。UTCHEM是模擬多相流和運移的模型，它對抽水和恢復的模擬很理想，特別適合于表面活化劑增加的含水層治理(SEAR)的模擬，是一個已經(jīng)被廣泛運用的成熟模型。 PEST和UCODE是用于自動調(diào)參的兩個模塊?？稍诮o定的觀察數(shù)據(jù)及參數(shù)區(qū)內(nèi)，自動調(diào)整參數(shù)，如滲透系數(shù)、垂直滲漏系數(shù)、給水系數(shù)、儲水系數(shù)、抽水率、傳導力、補給系數(shù)、蒸發(fā)率等，進行模型校正。自動進行參數(shù)估計時，交替運用PEST或UCODE來調(diào)整選定的參數(shù)，并且重復用于MODFLOW，F(xiàn)EMWATER等的計算，直到計算結果和野外觀測值相吻合。 NUFT是三維多相不等溫水流和運移模型，它非常適合用來解決包氣帶中的一些問題。 MAP可使用戶快速地建立概念模型。在MAP模塊下，以TIFF、JEPG、DXF等圖文件為底圖，在圖上確定表示源匯項、邊界、含水層不同參數(shù)區(qū)域的點、曲線、多邊形的空間位置，點位置可以確定井的抽水數(shù)據(jù)或污染物點源，折線可以確定河流、排泄等模型邊界，多邊形可以確定面數(shù)據(jù)，如湖、不同補給區(qū)或水力傳導系數(shù)區(qū)，快速建立起概念模型。一旦確定了概念模型，GMS就自動建立網(wǎng)格，將參數(shù)分配到相應的網(wǎng)格并可對概念模型進行編輯。 SUB SURFACE CHARACTERIZATION(地質(zhì)特征)被用來建立三角形不規(guī)則網(wǎng)(TINs)和實體(Solid)模型，顯示鉆孔數(shù)據(jù)。 鉆孔數(shù)據(jù)(Borehole Data)用來管理樣品和地層這兩種格式的鉆孔數(shù)據(jù)。樣品數(shù)據(jù)用來做等值面和等值線，推出地層。地層數(shù)據(jù)用來建立TIN、實體和三維有限元網(wǎng)格。TINs即三角不規(guī)則網(wǎng)絡(Triangulated Irregular Net-works)，通常用來表示相鄰地層的界面，多個TINs就可以被用來建立實體(Solid)模型或三維網(wǎng)格。 TINs是表示相鄰地層單元界面的面，它是由鉆孔內(nèi)精選的地層界面組成的。一旦建立了一組TINs，TINs就可以用來建立實體模型。 Solid被用來建立三維地層模型，任意切割剖面，產(chǎn)生逼真的圖像。 GEOSTATISTICS(地質(zhì)統(tǒng)計)模塊提供了多種插值法(包括線性法、Clough-Techer法、反距離加權法、自然鄰近法、克立格法和對數(shù)法等)，將已有的野外數(shù)據(jù)轉化成可使用的數(shù)據(jù)類型，然后被作為輸入值分配給模型?？刹迦攵S、三維點數(shù)據(jù)，產(chǎn)生等濃度面，從而圖示化給出污染暈。 實體(Solid)是在不規(guī)則的三角形網(wǎng)絡(TINs)建立完成后，通過一系列操作產(chǎn)生的實際地層的三維立體模型?？梢匀我馇懈钇拭妫a(chǎn)生逼真的圖像。 2 GMS軟件的優(yōu)點 GMS軟件模塊多，功能全，幾乎可以用來模擬與地下水相關的所有水流和溶質(zhì)運移問題。同其它類軟件相比，GMS軟件除模塊更多之外，各模塊的功能也更趨完善。主要優(yōu)點如下： 1)概念化方式建立水文地質(zhì)概念模型。進行地下水數(shù)值模擬時，一般包括建立水文地質(zhì)概念模型、建立數(shù)學模型、求解數(shù)學模型、模型識別以及模型預報等幾個步驟。其中水文地質(zhì)概念模型的建立是至關重要的一步，它是建立數(shù)學模型的基礎，是整個模擬的前提。使用GMS軟件建立概念模型時，除了常用的網(wǎng)格化方式外，多了一種概念化方式。概念化方式是先采用特征體(包括點、曲線和多邊形)來表示模型的邊界、不同的參數(shù)區(qū)域及源匯項等，然后生成網(wǎng)格，再通過模型轉換，就可以將特征體上的所有數(shù)據(jù)一次性轉換到網(wǎng)格相應的單元和結點上。由于網(wǎng)格化方式要求對每個單元進行編輯，過程比較繁瑣，因此通常只適合于創(chuàng)建一些簡單的概念模型；而概念化方式是對實體直接編輯，且可以以文件形式來輸入、處理大部分數(shù)據(jù)，而沒有必要逐個單元地編輯數(shù)據(jù)，因此對于實際應用中比較復雜的問題，采用概念化方式更簡便、快捷。用這種方式建立起來的水文地質(zhì)概念模型用不同的多邊形來表示不同的參數(shù)值區(qū)域。在隨后的參數(shù)擬合過程中，即可直接對這些相應的多邊形進行操作，而無需對此多邊形內(nèi)的每一個網(wǎng)格都重復進行同一操作。 2)前、后處理功能更強。在前處理過程中，GMS軟件可以采用MODFLOW等模塊的輸入數(shù)據(jù)并自動保存為一系列文件，以便在GMS菜單中使用這些模塊時可方便而直接地調(diào)用，且實現(xiàn)了可視化輸入。同時MODFLOW等模塊的計算結果又可以直接導入到GMS中進行后處理，實現(xiàn)計算結果的可視化。GMS軟件除了可直接繪制水位等值線圖外，還可以瀏覽觀測孔的計算值與觀測值對比曲線以及動態(tài)演示不同應力期、不同時段水位等值線等效果視圖。 3)版本不斷更新，功能不斷完善。和眾多地下水數(shù)值模擬軟件不同的是，GMS軟件不是一經(jīng)開發(fā)后就變化不大，而是在快速動態(tài)中不斷完善。該軟件通過版本的升級來不斷補充新的應用程序、不斷完善各模塊的功能。短短兩年時間內(nèi)，其3.1版較3.0版添加了PEST.UCODE程序模塊，新增了可識別*.JPEG格式的圖形文件、批處理抽水井和觀測孔數(shù)據(jù)及對數(shù)插值等功能。而目前最新的4.0版更是將可用于模擬地下水含水層空間分布的轉移概率統(tǒng)計程序包TPROGS集成進來，使GMS軟件的功能得到進一步加強。 3.2 Visual MODFLOW Visual MODFLOW是綜合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST 等地下水模型而開發(fā)的可視化地下水模擬軟件，可進行三維水流模擬、溶質(zhì)運移模擬和反應運移模擬。Visual MODFLOW最大的特點是易學易用。合理的菜單結構、友好的界面和功能強大的可視化特征和極好的軟件支撐使之成為許多地下水模擬專業(yè)人員選擇的對象。 Visual MODFLOW分為輸入模塊、運行模塊和輸出模塊。這些模塊之間緊密連接以建立或調(diào)整模型輸入?yún)?shù)、運行模型、顯示結果(以平面和剖面形式)。 輸入模塊作為建模之用。地下水水流和(或)運移模型的輸入數(shù)據(jù)文件的建立過程通常是最耗時、最繁瑣的工作。Visual MODFLOW的特別設計將模擬的復雜性降到最小，用戶的工作效率達到最高。輸入模塊包括網(wǎng)格設計、抽水井、參數(shù)、邊界條件、質(zhì)點、觀察井、區(qū)段預算等。 運行模塊可使用戶選擇、調(diào)整MODFLOW、MODPATH、MT3D和RT3D的運行時間，開始模型計算并進行模型校正。模型校正既可用手工進行，也可用WinPEST自動進行。WinPEST是PEST的WINDOWS版本。輸出模塊可自動地閱讀每次模擬結果，可輸出等值線圖、流速矢量圖、水流路徑圖、區(qū)段預算和打印，并可借助Visual Groundwater軟件進行三維顯示和輸出，如三維等值面和三維路徑。 3.3 Visual Groundwater Visual Groundwater[4]是由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司開發(fā)的地下數(shù)據(jù)和地下水模擬結果三維可視化與動畫軟件?？娠@示和打印地層、土壤污染、水頭、地下水物質(zhì)濃度和地下水模擬的三維結果，計算污染土壤和地下水的體積。 3.4 PHREEQC PHREEQC[5]是用C語言編寫的進行低溫水文地球化學計算的計算機程序，可進行正向模擬和反向模擬，幾乎能解決水、氣、巖土相互作用系統(tǒng)中所有平衡熱力學和化學動力學問題，包括水溶物配合、吸附-解吸、離子交換、表面配合、溶解-沉淀、氧化-還原。正向模擬能根據(jù)給定的反應機理來預測水的組分和質(zhì)量的轉移，可進行下列計算： 1)配分和飽和指數(shù)計算； 2)一次投藥反應和一維運移計算，包括可逆和不可逆反應，雙重介質(zhì)的對流、彌散(擴散)和反應耦合。其中，可逆反應包括水溶物、礦物、氣體、固溶體、表面配合和離子交換平衡；不可逆反應包括給定物質(zhì)的量的反應物、動力學控制的反應、溶液混合、溫度變化。動力學反應既可以是程序中已給出的反應表達式，也可以是用戶自定義反應表達式。 反向模擬根據(jù)觀測的化學和同位素資料來確定水-巖反應機理，說明沿水流路徑演化時所發(fā)生的化學變化，即計算造成水流路徑上初始和最終水組分差異所必須溶解或析出的礦物和氣體物質(zhì)的量。 PHREEQC由輸入、運行、輸出3個模塊組成。 輸入是由關鍵詞數(shù)據(jù)塊組成的。每一數(shù)據(jù)塊都是從帶有關鍵詞(和其它可能附加數(shù)據(jù))的行開始的，以后各行都是與關鍵詞有關的數(shù)據(jù)。每一個數(shù)據(jù)塊都是按一定的句法組成的自由格式。在運行開始時，PHREEQC從數(shù)據(jù)文件中閱讀關鍵詞及其相關數(shù)據(jù)，以確定元素、交換反應、表面配合反應、礦物相、氣體組分和速率表達式。從數(shù)據(jù)中所閱讀到的任何數(shù)據(jù)項都可以在輸入文件中用關鍵詞數(shù)據(jù)塊重新確定。閱讀了數(shù)據(jù)文件后，就從輸入文件中閱讀數(shù)據(jù)直至遇到第一個END關鍵詞，然后進行運算；之后，又閱讀數(shù)據(jù)文件，直至第二個END關鍵詞，進行運算，如此繼續(xù)到最后一個END關鍵詞。這種由END結尾的關鍵詞數(shù)據(jù)塊確定的運算稱之為模擬分析。運行就是這一系列模擬分析。 PHREEQC有一個強大的熱力學數(shù)據(jù)庫供輸入和運行使用。PHREEQC共有phreeqc.dat、wateq4f.dat、winteq.dat3個數(shù)據(jù)庫。每一數(shù)據(jù)庫均有水溶液主要組分，水溶液一般組分，相(氣體和礦物)、表面主要組分和表面一般組分數(shù)據(jù)塊。phreeqc.dat和wateq4f.dat還有交換器主要組分、交換器一般組分和反應速率數(shù)據(jù)塊。其中wa-teq4f.dat包括48種元素、400多種組分、300多種礦物。 PHREEQC中水溶組分的活度系數(shù)計算采用Davies和WATEQDebye-Hckel公式，分別適用的離子強度為小于0.5和1mol/L。 3.5 HST3D HST3D是一個三維熱及溶液運移模型(3DHeat&Solute Transport Model)?？梢阅M三維空間地下水流及有關的熱、溶液運移，進行地質(zhì)廢物處置、填埋物浸出、鹽水入侵、淡水回灌與開采、放射性廢物處理、水中地熱系統(tǒng)和能量儲藏等問題的分析。具體地說，可進行以下工作： 1)評價井的性能，包括井孔類型； 2)分析密度和粘變可變的飽和區(qū)水力驅(qū)動流、熱和溶液運移； 3)進行地下水水流、熱或溶質(zhì)運移耦合模擬或單獨進行地下水流模擬； 4)預測化學組分遷移，包括填埋場污染物運移； 5)預測廢物向鹽水含水層的注入； 6)分析鹽水含水層中淡水及濱海含水層鹽水入侵； 7)分析含水層中液相地熱系統(tǒng)和熱儲藏； 8)模擬原生水中海水處置及遷移； 9)模擬復雜的三維含水層中單組分污染物的遷移； 10)模擬水障、底墊和水質(zhì)保護系統(tǒng)。 3.6 TNTmips TNTmips為圖像處理系統(tǒng)，是用于地質(zhì)空間統(tǒng)計的最先進的軟件，包括光柵、矢量、TIN、CAD、地域、數(shù)據(jù)庫和文本等目標模塊。可以制作地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形、地質(zhì)構造、衛(wèi)星遙感、土壤及農(nóng)業(yè)等圖，定量刻畫出模擬目標的體積、面積、深度和形狀等。可用于： 1)礦產(chǎn)儲量測繪及其它地質(zhì)資源評估，如金屬礦物、水、砂與礫石、建筑石材、石油、天然氣、煤、地熱等； 2)危害圖測繪，如邊坡失穩(wěn)、塌方、地震、火山爆發(fā)、洪水、濱海入侵、環(huán)境污染、全球變暖等； 3)工程選址，如廢物處置場(都市填埋場、核廢物處置井)、管道、公路與鐵路、壩、建筑設計等； 4)不同空間數(shù)據(jù)組環(huán)境關聯(lián)原因探討，如與廢石、土壤、水中地球化學有關的植物、動物或人類疾病事件(疾病可能與空間環(huán)境因素的復雜組合有關)； 5)地質(zhì)研究過程中數(shù)據(jù)組之間的內(nèi)在空間關系的探討，如Ⅰ類和S類花崗巖區(qū)域地球化學標記和地球物理特征的探討，巖性和植被的衛(wèi)星圖像光譜特征的辨識。 4 結論 1)盡管世界上地下水及其相關模擬軟件多達數(shù)百個，但由于地下水系統(tǒng)的復雜性，到目前為止，還沒有任何一種地下水軟件能解決一切地下水問題。模擬者應根據(jù)自己所從事的研究領域及模擬任務選擇合適的軟件。上述的GMS、Visual MODFLOW、Visual Groundwater、PHREEQC、HST3D和TNTmips都是比較流行的軟件。 2)模擬的關鍵是概念模型的建立和模型的校正與驗證。概念模型的建立是一個非常復雜的過程，即需要充分了解模擬區(qū)的地質(zhì)、構造、水文地質(zhì)、水文地球化學、巖石礦物、氣象、水文、地形地貌、工農(nóng)業(yè)利用等一切與地下水的關系，并明確模擬的任務后，才能建立一個比較合理可靠的概念模型。任何用于預測的模型都必須經(jīng)過校正和驗證，未經(jīng)校正和驗證的模型觀測是不能被認可的。 3)任何模型都是建立在一定基礎理論之上的，模型的發(fā)展與完善也依據(jù)于基礎理論的完善與發(fā)展。在進行地下水模擬過程中不應忽視基礎理論的研究和野外現(xiàn)象的觀察。 4)根據(jù)國外經(jīng)驗，新的模擬軟件的開發(fā)研究不僅時間長，而且費用高。目前，國際上許多地下水模擬軟件能解決較復雜的模擬問題，并隨研究的深入作進一步完善。為縮短我國地下水模擬與國外的差距并節(jié)省人力和財力，應從國外引進一些軟件。