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

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一、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。

二、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。

三、常用模拟软件简介

3.1 GMS

地下水模拟系统(GroundwaterModeling 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(nonaqueousphase 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