地下水模拟软件

国外地下水模拟软件的发展现状与趋势

丁继红

(吉林大学数学科学学院)

周德亮, 马生忠

(吉林大学综合信息矿产预测研究所)

通过对目前国际上最有影响的几个地下水模拟软件的分析，概述了地下水模拟软件的发展现状，指出组件化、与GIS 集成、前后处理功能强化、科学可视化的深入应用将是未来地下水模拟软件发展的主要趋势。

一、引言

利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用。一个完整的地下水模拟过程包含3个部分：前处理、模型计算和后处理。前处理是指在进行模拟计算之前对计算过程中所需数据的整理、组织、输入及计算网格的编号与生成。模型计算是进行地下水流动或水质运移正反演计算，常用的方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等。后处理是将计算所产生的结果数据，用图形或表格显示或存放起来，以供研究人员方便地进行分析和使用。传统的地下水模拟过程复杂繁琐，前后处理所花费的时间往往是计算时间的几倍，甚至是几十倍。如何获取、组织和输入模拟计算所必备的含水层复杂结构、庞大的数据与参数，如何分析和理解模拟计算过程中所产生的庞大的结果数据，如何减轻研究人员的劳动强度，缩短研究工作时间，成为传统地下水模拟研究工作面临的突出问题和困难。计算机技术的快速发展，在不断驱使研究人员对更为复杂的含水层系统中的地下水运动及溶质运移进行数值模拟的同时，又不断为解决问题提供新的技术和手段。近年来，在人机交互、计算机图形学和科学可视化等技术的推动下，国外地下水模拟软件不论是在数量还是质量上都有了巨大的发展和提高，前后处理的可视化功能日益强大。

二、最有影响的几个传统地下水模拟软件

通过近二十年的研究与发展，国际上已经形成了一批非常有影响的地下水模拟DOS版本的软件，它们今天在国际地下水模拟研究领域依旧非常活跃，如MODFLOW、MT3DMS、MT3D99、PEST、MODPATH、UCODE等。

1、MODFLOW

MODFLOW是由美国地质调查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。自从它问世以来，MODFLOW已经在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。这种普及性是由其如下的特点决定的。

程序结构的模块化。MODFLOW包括一主程序和若干个相对独立的子程序包(Package)。每个子程序中有数个模块，每个模块用以完成数值模拟的一部分。例如河流子程序包用来模拟河流与含水层之间水力联系；井流子程序包用来模拟抽水井和注水井对含水层的影响。MDFLOW的这种模块化结构使得其程序易于理解、操作、修改和添加。MODFLOW问世以来，不断有新的子程序包被开发出来，例如用来模拟抽水引起地面沉降的子程序包(Leake和Prudic,1998)，用来模拟水平流动障碍(Horizontal flow-barrier)的子程序包(Hsieh和Freckleton,1993)等。新子程序的加入，使MODFLOW的应用范围不断扩大。

离散方法的简单化。MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。差分法易于程序的普及和数据文件的规范。其主要缺点是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元，延长程序的运行时间，随着计算机速度的迅速提高，计算机受网格数量的限制越来越小，差分法的优势越来越大，MODFLOW解决地下水流运动问题已经将含水层剖分到多达360×360×18个网格单元。

MODFLOW引进了应力期(Stress Period)概念，它将整个模拟时间分为若干个应力期，每个应力期又可再分为若干个时间段。在同一应力期，各时间段既可以按等步长，也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内，所有的外部源汇项的强度应保持不变。这样就简化、规范了数据文件的输入，而且使得物理概念更为明确。

求解方法的多样化。迄今为止，MODFLOW已经含有强隐式法、逐次超松弛迭代法、预调共轭梯度法等子程序包。可以预见，MODFLOW的求解子程序包必将更加多样化，应用范围也更为广泛。大量实际工作表明，只要恰当使用，MODFLOW也可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。不仅如此，经过合理的概化，MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动

（Guo,1995）；将MODFLOW与溶质运移模拟的软件结合起来，还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度发生变化的问题(Guo和Benett,1997)。

2、MT3D99

MT3D99是美国S.S.Papodopulos & Associates公司的Zheng博士设计的模拟三维地下水溶质运移程序MT3D(1990)的增强版，MT3D99的易于使用、精确、快速的优良性能使得它获得了政府有关部门、地下水研究咨询公司以及用户的广泛认可，成为目前世界上首屈一指的溶质运移模拟软件。

MT3D99能够模拟地下水系统中的平流、扩散、衰减、溶质化学反应、线性与非线性吸附作用等现象，能够对承压含水层，不承压含水层，承压与不承压交替的含水层以及倾斜的和单元厚度变化的含水层进行空间离散。

MT3D99提供了丰富的求解方法。一个隐含求解方法是基于带高效Lanczos/ORTHOMIN加速格式的广义共轭梯度法的迭代求解方法，能够花费比传统方法少得多的机时来求解范围广泛的问题。MT3D99采用了三阶

TVD(total-variation-diminishing)格式用于求解对流项，具有保持质量守恒和使数值弥散和人为振动最小化的特点，在其它求解技术失败时，此格式往往是有效的。MT3D99还将三种常用的运移求解技术结合在统一的代码中，这三种求解方法是：标准有限差分法、基于Eulerian-Lagrangian的粒子跟踪方法和高阶有限体积TVD方法。这种灵活性确保了每一个问题都能按照所要求的精度和效率用最可能好的方法解决。

3、PEST2000

PEST2000是由澳大利亚Watermark Computing公司开发的PEST新版本，是功能强大的模型独立的参数估计程序，广泛应用于地下与地表水文地质学、地球物理、化学、结构与地质技术工程以及其它许多领域的模型校正和数据插值。

PEST2000利用一个强有力的数值反演算法来“控制”运行中的模型，程序在每次模拟之后自动调整所选择的模型参数，直到将校正的目标最小化为止，其灵活性、稳定性和可靠性优于其它的参数估计程序。PEST2000包含许多独特的特征和分析能力。它允许对每个模型参数设置上下限，以确保参数的确定合理可信；允许指定参数是可调的、固定的还是与其它参数相关联的；允许合并与参数及参数间关系有关的先验信息。PEST2000引进了参数估计的最新技术──预测分析，使用这种革新方法可使模型程序计算由于参数的不确定性而产生的模型预测的不确定性，同时保持模型处于被校正的状态。换言之，如果假定一个条件，预测分析器能够确定一个正被校正的模型有没有可能满足这一条件。为了减少优化的时间，PEST2000还具有并行处理功能。

经过近二十年的发展，MODFLOW、MODPATH、MT3D、PEST等软件已经成为三维地下水流动和污染质运移模拟的世界标准。特别是MODFLOW，据统计，自1992年底以来，美国地质调查局运行的22种有关地下水流水量水质数值模拟计算的程序中，MODFLOW约占总应用次数的41.56%，而其它的绝大多数模型的使用率都不超过5.0%，MODFLOW已经占据了最权威的地位，并且获得政府部门的认同。运用MODFLOW的计算结果，在有关地下水资源超量开采、地下水污染等诉讼案件中，甚至成为一个有力的法律依据。MODFLOW能得到广泛的应用，一个很重要的因素就在于其设计上的合理性。参与MODFLOW设计、编程的工作人员大多都是具有丰富实际经验的著名水文地质学家。MODFLOW的使用说明书本身就是一部很好的关于地下水数值模拟方面的教科书。但是，这些软件都仅仅适用于地下水模拟过程中的特定问题，并且软件的界面、交互性、前后处理等方面都还存在不小的差距，因此，开发这些软件的集成系统，谋求对这些软件缺陷的改进就成为地下水模拟软件开发研究的一个重要方向，由此产生了如PMWIN、Visual MODFLOW等Windows软件包。

三、可视化模拟平台环境软件的发展

随着Windows在操作系统中统治地位的确立，传统的地下水模拟软件纷纷在windows的基础上进行修改、扩充与功能增强，特别是在人机交互、计算机图形学和科学可视化等计算机技术的推动下，带有可视化功能的地下水模拟软件发展迅速，目前已经占据国际地下水模拟软件市场的主流地位。它们的共同特点是适应的问题广，将数值模拟的前处理、模型计算和后处理全过程中的各个步骤很好地连接起来，从建模、网格剖分、输入或修改各类水文地质参数和几何参数、运行模型、反演校正参数，一直到显示输出结果，整个过程从头至尾寻求计算机化。其中较有影响的有PMWIN、Visual MODFLOW、GMS、MSVMS、Argus ONE、FEFLOW等。

1、Visual MODFLOW

由加拿大Waterloo水文地质公司在Modflow的基础上开发研制的Visual MODFLOW（1994），是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该系统在无缝集成MODFLOW-96、WinPEST、MT3D99、MODPATH(平面和剖面流线示踪分析)、RT3D等软件的基础上，建立了系统合理的Windows菜单界面与可视化功能。增强模型数值模拟能力、简化三维建模复杂性，是Visual MODFLOW软件系统界面设计的主要目的。界面设计包括