地下水流模型MODFLOW简介
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(二)离散方法简单
在空间离散上,MODFLOW 对含水层采用等距或不等距正交 的长方体剖分网格。 用户易于准备数据文件,便于输入文件的 规范化。MODFLOW 模拟系统中引入了应力期的概念。整个 模拟期可划分为若干应力期可再划分为 若干时间段。
三维有限单元地下水流的溶质运移模拟并可模拟热运移
HST3D GUIPIE
Visual Groundwater
Ken. Kipp博士
HST3D的可视化界面
加拿大Waterloo水 专门的可视化,包括钻孔、水位、地球化学资料的三维可视化,能够把其他软件
文地质公司
模拟的网络化离散数据三维可视化显示
Argus ONE 美国地质调查局 专门的可视化,可以作为MODFLOW、SUTRA等模拟软件的可视化平台
大差异 地下水、地表状况、土壤、植被、气候变量和土地
利用等都存在时空变异性,模型的耦合集成存在较大 的难度。
2.地下水数值模拟发展趋势
(3)勘探技术水平还有待于进一步提高 随着计算机的广泛应用,计算机软浸实现了对大量水文地质学
及地下水动力学问题的模拟,其计算能力远远超过人们获取数值 模型所需野外资料的能力。因此,野外资料的准确性及全面性就 决定了数值模拟的精度。 (4)物化反应和生化作用的溶质迁移模型
设计新颖的菜单结构允许用户非常容易地在计算机上直接圈定模型区 域和剖分计算单元, 并可方便地为各剖分单元和边界条件直接在机上赋值, 做到真正的人机对话。用户可单独或共同运行MODFLOW、MODPATH和MT3D三 大部分。Visual MODFLOW的最大特点是将数值模拟评价过程中的各个步骤 有机的结合起来,从开始建模、输入和修改各类水文地质参数与几何参数、 运行模型、反演校正参数,一直到显示输出结果,使整个过程从头至尾规 范化、系统化。
InHM IGSM
Waterloo与 Stanford大学
Young Yoon博士
地下水与地表水流及溶质迁移耦合模型 地下水与地表水耦合模型
2.地下水数值模拟发展趋势
(1)模型反演求参时,解的不惟一问题 模型中参数的不确定性将导致计算的水头、流速的不
确定性,从而影响到模拟结果的可靠性。 (2)各学科之间难以沟通,侧重的时间或空间尺度存在较
MODFLOW地下水流数值模拟软件
提纲
目前国内外主要地下水模拟软件简介 地下水数值模拟发展趋势 MODFLOW主要功能和主要模块 一点体会和经验
1.主要地下水模拟软件简介
软件名称
作者
简介
GMS
Visual MODFLOW
Brigham young university
加拿大Watreloo水 文地质公司
Visual MODFLOW主要处理模块:
Visual MODFLOW 界面设计包括三大彼此 联系但又相当独立的模块:
a)输入模块
b)运行模块
c)输出模块
输入模块
3.1 Visual MODFLOW
允许用户直接在计算机上赋值所有必要的输入参数以便自动生成 一个新的三维渗流模型。输入菜单把MODFLOW 、MODPATH 和MT3D 的数 据输入作为一个基本建模块,这些菜单以逻辑顺序排列并显示, 指导用 户逐步完成建模和数据输入工作。允许用户直接在计算机上定义和剖 分模拟区域, 用户可随意增减剖分网格和模拟层数, 确定边界几何形 态和边界性质,定义抽(排) 水井的空间位置和出水层位以及非稳定抽 排水量。参数菜单允许用户直接圈定各个水文地质参数的分区范围并 赋值相应参数,同时上、下层所有参数可相互拷贝。可预先定义水位校 正观测孔的具体空间位置和观测层位, 并输入其观测数据, 以便在后 续的模型识别工作中模拟使用。
3.MODFLOW简介:特点
(三)求解方法多样化
求解方法可以分为直接求解和迭代求解。 MODFLOW原来含有 两种迭代求解子程序包 SIP方法(强隐式法)和SOR方法(逐次 超松弛迭代法)。由于MODFLOW 的模块化结构,Mary Hill于 1990年设计增加了一种新的迭代子程序包,即PCG子程序包,该 子程序包采用PCG方法或称为预调共轭梯度法迭代求解。对于 MODFLOW 的多个求解子程序包,用户可以根据问题的实际情况 选用比较合适的求解方法,也可以对于某一特定的实际问题,由 于水文地质条件的复杂选择不同的求解子程序包。通过国内多项 实践应用 PCG法和 SIP 法实用可靠,而运用 SOR 子程序包求解 的结果精度低,不宜采用。
3.1 Visual MODFLOW
Visual MODFLOW的优点
4)在预报过程中,系统自动计算由于开采量变化产生的激发补给 量,可动态地反映地下水的补排关系及储存量的变化情况
5)对任意划定范围能进行分区水量均衡计算; 6)Visual MODFLOW支持txt、dat、Excel、Mapinfo及dxf等格式的
2.模拟软件发展趋势
(2)遥感、地理信息系统和全球定位系统与地 下水数值模拟软件的耦合
遥感、地理信息系统和全球定位系统在地下水数 值模拟中的进一步应用,地下水模型需要一个专业的G 璐数据结构,当前国际上的主流地下水模拟软件都提 供了与GIS(如ARCYm2FO)的数据接口,随着GIS 在水文地质领域中的应用日益广泛和深入,它们之间 的联系会更加密切。GIS与地下水模拟模型紧密集成 技术将是将来的主要研究方向。
3.MODFLOW系列
3.1Visual MODFLOW 3.2 GMS-MODFLOW 3.3 Processing MODFLOW
3.1 Visual MODFLOW结构特点
这个软件包由Modflow (水流评价)、Modpath (平面和剖面流线示踪 分析) 和MT3D (溶质运移评价) 三大部分组成, 并且具有强大的图形可视 界面功能。
2.模拟软件发展趋势
(1)各模拟软件只侧重某一方面,功能层次不齐。
模拟软件的发展取决于地下水数学模型及计算机软件技术的发展 两个方面。模型是地下水模拟软件的内在核心,模拟软件是模型实现 的技术手段。模型的发展将会扩大软件的适用范围,提高模拟的精确 度。软件技术的应用将大大提高模拟软件的速度、质量及现代化水平。 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 的复杂性,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。模拟者应根据自己所从事的研究领域及模拟任务选择合适的 软件。上述的GMS、Visual MODFLOW、Visual Groundwater等软件都是比较流行的软件。
3.MODFLOW主要功能和主要模块
MODFLOW是英文名称Modular ThreeDimensional Finite-difference Ground-water flow model (三维有限差分地下水流模型)的简称。由美 国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中 地下水流动数值模拟的软件。自问世以来, MODFLOW已 经在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规 划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,已经 成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。
近几年来,随着GIS技术的发展和普及,GIS已被广泛接受为管理、 存储、查询分析有关地理空间分布信息的成熟的工具和技术。随着其 本身空间分析功能和相关学科的迅猛发展,应用领域不在拓宽。随着 信息化成为当今社会发展的潮流和趋势,地下水动态模拟评价信息化 已成为水文地质工作的工作方向。如何充分利用GIS在数据采集、存 储、处理和可视化表达等地下水模拟重要环节上的优势,把GIS与地 下水模型结合起来,为地下水模拟工作提供更为简单适用的新方法和 统一高效的GIS平台环境,已成为目前地下水动态评价信息化建设的 关键步骤,也是GIS在地下水研究应用中向深层次发展的瓶颈问题。
随着污染的加剧,地下水中痕量污染物在迁移过程中发生的物 化反应和有微生物参加的生物化学作用所造成的对人体健康的可 能影响将日益成为人们关注的焦点。因此,考虑物化反应和生化 作用的溶质迁移模型,特别是地下水中有机物质迁移模型将是另 一个研究趋势。
2.地下水数值模拟发展趋势
(5)尚未建立地下水动态模拟体系
数据文件,采用的可视化数据处理手段能够克服以往国内各种 数值计算产生的许多弊端,确保数据的安全性、通用性和标准 化; 7)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、区段水均衡和打印并可借助Visual Groundwater 软件进行三维显示和输出。
注意问题
3.1 Visual MODFLOW
1)模型中没有为第二类边界条件赋值的菜单,可在第二 类边界单元上通过Wells菜单加上注水井或开采井来 实现地下水的侧向补给或排泄;
2)在输入数据文件时,如计算目的层的顶底板标高数据 文件,模型自动插值得到各单元的相应数据,在一个 单元的各点上数据是相等的。因此,为提高模拟的精 度,剖分单元不能过大;
3)模型的计算步长依输入源汇项中最小的时间间隔来确 定。
3.1 Visual MODFLOW
注意问题
4)在MODFLOW目前的所有版本中均没有
撤消功能,因此建立或使用模型的时候注意 备份文件,以免出现错误无法恢复,造成不 可挽回的损失。
5)保存.GPR 文件时候,应注意用英文名字
或阿拉伯数字,不要用中文名字,如果用中 文名字容易出现文件打不开的现象,应注意。
3.1运行模块
3.1 Visual MODFLOW
允许用户修改MODFLOW、MODPATH 和MT3D 的各类参数 与数值,包括初始估计值、各种计算方法的控制参数、激活 疏干—饱水软件包和设计输出控制参数等, 这些均已设计 了缺省背景值。用户根据自己模拟计算的需要,可分别单独 或共同执行水流模型(MODFLOW )、流线示踪模型 (MODPATH ) 和溶质运移模型(MT3D)。
3.1 Visual MODFLOW
Visual MODFLOW的优点
1)操作简单,容易上手,菜单简单划分为输入、运行和 输出三大部分;
2)方便的实现确定模型区域和完全自动剖分,可在原有 剖分基础上任意扩大剖分范围或加密网格而不破坏原 有的输入数据;
3)自动进行给定范围值内的含水层参数优化和垂向量调 整,并可自动进行观测孔计算水位与观测水位的误差 统计;
3.MODFLOW软件的程序包
◼ 水井 ◼ 补给 ◼ 河流 ◼ 沟渠 ◼ 蒸发蒸腾 ◼ 通用水头边界
◼ 模拟河流与含水层之间水力 联系
◼ 模拟由于抽水引起地面沉降 ◼ 模拟水平流动障碍
3.MODFLOW软件的程序包
MODFLOW子程序包功能:
3.MODFLOW简介:特点
(一)采用模块化结构
MODFLOW将具有相似功能的子程序组合成子程序包,主要包 括水井、补给、河流、沟渠、蒸发蒸腾和通用水头边界 6 个子 程序包。同时用户也可按实际需要选用其中某些子程序包进行 地下水运动的数值模拟。这种模块化结构使程序易于理解、修 改,并为进行二次开发添加新的子程序包。
3.1 Visual MODFLOW
3.1输出模块
输出模块允许用户以三种不同方式展示其模拟结果:
1)在计算机屏幕上直接彩色立体显示所有的模拟结果; 2)直接在各类打印机上输出各种模拟评价的成果表格和成果 图件; 3)将所有模拟结果以图形或文本的文件格式输出, 输出图形包 括可以标记出渗流速度矢量大小的平面、剖面等值线图和平面、 剖面示踪流线图以及局部区域水均衡图等一系列图件。
集成了各种地下水模拟系统,包括MODFLOW、MT3DMS、FEMWA TE R、RT3D、SEEP2D等模型
集成了各种地下水模拟系统,包括MODFLOW、MT3DMS、RT3D等 模型
PM
Chiang等
三维有限差分地下水流动模拟与分析,能够模拟抽水一起的地面沉降
Feflow
德国Wasy水资源 规划系统研究所
3.2 GMS-MODFLOW
GMS是Groundwater Modeling System的简写,是美国 Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队 排水工程试验工作站开发的用于地下水模拟的软件包。
3.2 GMS-MODFLOW
在空间离散上,MODFLOW 对含水层采用等距或不等距正交 的长方体剖分网格。 用户易于准备数据文件,便于输入文件的 规范化。MODFLOW 模拟系统中引入了应力期的概念。整个 模拟期可划分为若干应力期可再划分为 若干时间段。
三维有限单元地下水流的溶质运移模拟并可模拟热运移
HST3D GUIPIE
Visual Groundwater
Ken. Kipp博士
HST3D的可视化界面
加拿大Waterloo水 专门的可视化,包括钻孔、水位、地球化学资料的三维可视化,能够把其他软件
文地质公司
模拟的网络化离散数据三维可视化显示
Argus ONE 美国地质调查局 专门的可视化,可以作为MODFLOW、SUTRA等模拟软件的可视化平台
大差异 地下水、地表状况、土壤、植被、气候变量和土地
利用等都存在时空变异性,模型的耦合集成存在较大 的难度。
2.地下水数值模拟发展趋势
(3)勘探技术水平还有待于进一步提高 随着计算机的广泛应用,计算机软浸实现了对大量水文地质学
及地下水动力学问题的模拟,其计算能力远远超过人们获取数值 模型所需野外资料的能力。因此,野外资料的准确性及全面性就 决定了数值模拟的精度。 (4)物化反应和生化作用的溶质迁移模型
设计新颖的菜单结构允许用户非常容易地在计算机上直接圈定模型区 域和剖分计算单元, 并可方便地为各剖分单元和边界条件直接在机上赋值, 做到真正的人机对话。用户可单独或共同运行MODFLOW、MODPATH和MT3D三 大部分。Visual MODFLOW的最大特点是将数值模拟评价过程中的各个步骤 有机的结合起来,从开始建模、输入和修改各类水文地质参数与几何参数、 运行模型、反演校正参数,一直到显示输出结果,使整个过程从头至尾规 范化、系统化。
InHM IGSM
Waterloo与 Stanford大学
Young Yoon博士
地下水与地表水流及溶质迁移耦合模型 地下水与地表水耦合模型
2.地下水数值模拟发展趋势
(1)模型反演求参时,解的不惟一问题 模型中参数的不确定性将导致计算的水头、流速的不
确定性,从而影响到模拟结果的可靠性。 (2)各学科之间难以沟通,侧重的时间或空间尺度存在较
MODFLOW地下水流数值模拟软件
提纲
目前国内外主要地下水模拟软件简介 地下水数值模拟发展趋势 MODFLOW主要功能和主要模块 一点体会和经验
1.主要地下水模拟软件简介
软件名称
作者
简介
GMS
Visual MODFLOW
Brigham young university
加拿大Watreloo水 文地质公司
Visual MODFLOW主要处理模块:
Visual MODFLOW 界面设计包括三大彼此 联系但又相当独立的模块:
a)输入模块
b)运行模块
c)输出模块
输入模块
3.1 Visual MODFLOW
允许用户直接在计算机上赋值所有必要的输入参数以便自动生成 一个新的三维渗流模型。输入菜单把MODFLOW 、MODPATH 和MT3D 的数 据输入作为一个基本建模块,这些菜单以逻辑顺序排列并显示, 指导用 户逐步完成建模和数据输入工作。允许用户直接在计算机上定义和剖 分模拟区域, 用户可随意增减剖分网格和模拟层数, 确定边界几何形 态和边界性质,定义抽(排) 水井的空间位置和出水层位以及非稳定抽 排水量。参数菜单允许用户直接圈定各个水文地质参数的分区范围并 赋值相应参数,同时上、下层所有参数可相互拷贝。可预先定义水位校 正观测孔的具体空间位置和观测层位, 并输入其观测数据, 以便在后 续的模型识别工作中模拟使用。
3.MODFLOW简介:特点
(三)求解方法多样化
求解方法可以分为直接求解和迭代求解。 MODFLOW原来含有 两种迭代求解子程序包 SIP方法(强隐式法)和SOR方法(逐次 超松弛迭代法)。由于MODFLOW 的模块化结构,Mary Hill于 1990年设计增加了一种新的迭代子程序包,即PCG子程序包,该 子程序包采用PCG方法或称为预调共轭梯度法迭代求解。对于 MODFLOW 的多个求解子程序包,用户可以根据问题的实际情况 选用比较合适的求解方法,也可以对于某一特定的实际问题,由 于水文地质条件的复杂选择不同的求解子程序包。通过国内多项 实践应用 PCG法和 SIP 法实用可靠,而运用 SOR 子程序包求解 的结果精度低,不宜采用。
3.1 Visual MODFLOW
Visual MODFLOW的优点
4)在预报过程中,系统自动计算由于开采量变化产生的激发补给 量,可动态地反映地下水的补排关系及储存量的变化情况
5)对任意划定范围能进行分区水量均衡计算; 6)Visual MODFLOW支持txt、dat、Excel、Mapinfo及dxf等格式的
2.模拟软件发展趋势
(2)遥感、地理信息系统和全球定位系统与地 下水数值模拟软件的耦合
遥感、地理信息系统和全球定位系统在地下水数 值模拟中的进一步应用,地下水模型需要一个专业的G 璐数据结构,当前国际上的主流地下水模拟软件都提 供了与GIS(如ARCYm2FO)的数据接口,随着GIS 在水文地质领域中的应用日益广泛和深入,它们之间 的联系会更加密切。GIS与地下水模拟模型紧密集成 技术将是将来的主要研究方向。
3.MODFLOW系列
3.1Visual MODFLOW 3.2 GMS-MODFLOW 3.3 Processing MODFLOW
3.1 Visual MODFLOW结构特点
这个软件包由Modflow (水流评价)、Modpath (平面和剖面流线示踪 分析) 和MT3D (溶质运移评价) 三大部分组成, 并且具有强大的图形可视 界面功能。
2.模拟软件发展趋势
(1)各模拟软件只侧重某一方面,功能层次不齐。
模拟软件的发展取决于地下水数学模型及计算机软件技术的发展 两个方面。模型是地下水模拟软件的内在核心,模拟软件是模型实现 的技术手段。模型的发展将会扩大软件的适用范围,提高模拟的精确 度。软件技术的应用将大大提高模拟软件的速度、质量及现代化水平。 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 的复杂性,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。模拟者应根据自己所从事的研究领域及模拟任务选择合适的 软件。上述的GMS、Visual MODFLOW、Visual Groundwater等软件都是比较流行的软件。
3.MODFLOW主要功能和主要模块
MODFLOW是英文名称Modular ThreeDimensional Finite-difference Ground-water flow model (三维有限差分地下水流模型)的简称。由美 国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中 地下水流动数值模拟的软件。自问世以来, MODFLOW已 经在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规 划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,已经 成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。
近几年来,随着GIS技术的发展和普及,GIS已被广泛接受为管理、 存储、查询分析有关地理空间分布信息的成熟的工具和技术。随着其 本身空间分析功能和相关学科的迅猛发展,应用领域不在拓宽。随着 信息化成为当今社会发展的潮流和趋势,地下水动态模拟评价信息化 已成为水文地质工作的工作方向。如何充分利用GIS在数据采集、存 储、处理和可视化表达等地下水模拟重要环节上的优势,把GIS与地 下水模型结合起来,为地下水模拟工作提供更为简单适用的新方法和 统一高效的GIS平台环境,已成为目前地下水动态评价信息化建设的 关键步骤,也是GIS在地下水研究应用中向深层次发展的瓶颈问题。
随着污染的加剧,地下水中痕量污染物在迁移过程中发生的物 化反应和有微生物参加的生物化学作用所造成的对人体健康的可 能影响将日益成为人们关注的焦点。因此,考虑物化反应和生化 作用的溶质迁移模型,特别是地下水中有机物质迁移模型将是另 一个研究趋势。
2.地下水数值模拟发展趋势
(5)尚未建立地下水动态模拟体系
数据文件,采用的可视化数据处理手段能够克服以往国内各种 数值计算产生的许多弊端,确保数据的安全性、通用性和标准 化; 7)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、区段水均衡和打印并可借助Visual Groundwater 软件进行三维显示和输出。
注意问题
3.1 Visual MODFLOW
1)模型中没有为第二类边界条件赋值的菜单,可在第二 类边界单元上通过Wells菜单加上注水井或开采井来 实现地下水的侧向补给或排泄;
2)在输入数据文件时,如计算目的层的顶底板标高数据 文件,模型自动插值得到各单元的相应数据,在一个 单元的各点上数据是相等的。因此,为提高模拟的精 度,剖分单元不能过大;
3)模型的计算步长依输入源汇项中最小的时间间隔来确 定。
3.1 Visual MODFLOW
注意问题
4)在MODFLOW目前的所有版本中均没有
撤消功能,因此建立或使用模型的时候注意 备份文件,以免出现错误无法恢复,造成不 可挽回的损失。
5)保存.GPR 文件时候,应注意用英文名字
或阿拉伯数字,不要用中文名字,如果用中 文名字容易出现文件打不开的现象,应注意。
3.1运行模块
3.1 Visual MODFLOW
允许用户修改MODFLOW、MODPATH 和MT3D 的各类参数 与数值,包括初始估计值、各种计算方法的控制参数、激活 疏干—饱水软件包和设计输出控制参数等, 这些均已设计 了缺省背景值。用户根据自己模拟计算的需要,可分别单独 或共同执行水流模型(MODFLOW )、流线示踪模型 (MODPATH ) 和溶质运移模型(MT3D)。
3.1 Visual MODFLOW
Visual MODFLOW的优点
1)操作简单,容易上手,菜单简单划分为输入、运行和 输出三大部分;
2)方便的实现确定模型区域和完全自动剖分,可在原有 剖分基础上任意扩大剖分范围或加密网格而不破坏原 有的输入数据;
3)自动进行给定范围值内的含水层参数优化和垂向量调 整,并可自动进行观测孔计算水位与观测水位的误差 统计;
3.MODFLOW软件的程序包
◼ 水井 ◼ 补给 ◼ 河流 ◼ 沟渠 ◼ 蒸发蒸腾 ◼ 通用水头边界
◼ 模拟河流与含水层之间水力 联系
◼ 模拟由于抽水引起地面沉降 ◼ 模拟水平流动障碍
3.MODFLOW软件的程序包
MODFLOW子程序包功能:
3.MODFLOW简介:特点
(一)采用模块化结构
MODFLOW将具有相似功能的子程序组合成子程序包,主要包 括水井、补给、河流、沟渠、蒸发蒸腾和通用水头边界 6 个子 程序包。同时用户也可按实际需要选用其中某些子程序包进行 地下水运动的数值模拟。这种模块化结构使程序易于理解、修 改,并为进行二次开发添加新的子程序包。
3.1 Visual MODFLOW
3.1输出模块
输出模块允许用户以三种不同方式展示其模拟结果:
1)在计算机屏幕上直接彩色立体显示所有的模拟结果; 2)直接在各类打印机上输出各种模拟评价的成果表格和成果 图件; 3)将所有模拟结果以图形或文本的文件格式输出, 输出图形包 括可以标记出渗流速度矢量大小的平面、剖面等值线图和平面、 剖面示踪流线图以及局部区域水均衡图等一系列图件。
集成了各种地下水模拟系统,包括MODFLOW、MT3DMS、FEMWA TE R、RT3D、SEEP2D等模型
集成了各种地下水模拟系统,包括MODFLOW、MT3DMS、RT3D等 模型
PM
Chiang等
三维有限差分地下水流动模拟与分析,能够模拟抽水一起的地面沉降
Feflow
德国Wasy水资源 规划系统研究所
3.2 GMS-MODFLOW
GMS是Groundwater Modeling System的简写,是美国 Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队 排水工程试验工作站开发的用于地下水模拟的软件包。
3.2 GMS-MODFLOW