地下水流数值模拟软件简介

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
➢ 模拟的区域: ➢ 含水层层数: 分层数据 ➢ 维数:一维、二维、三维 ➢ 水流状态：稳定流/非稳定流、饱和流/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/双重介质 ✓ 流体的密度差
Conceptual Model Approach
概念模型建模的思想就是把三维网格的属性 用图层相应实体的属性表示, 模型赋值和调参 直接操作图层上的实体。
概念模型建模
需要三个基本的coverage 图层
Local Source/Sink Coverage:定义地下 水系统的边界范围、井、河流、沟渠等参数
什么是GMS软件
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。
GMS软件的功能
GMS运行方式以地下水流模拟为基础,在地下水流模拟的基础上,建立 一系列的水质模拟。
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。
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。
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。
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
MODFLOW地下水建模的方法
➢ Grid Approach ➢ Conceptual Model Approach ➢ Solid Approach
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。
➢有限差分法: GMS -MOFLOW
➢有限单元法: FEFLOW
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。
如何安装GMS软件
双击
破解文件
安装文件
将破解文件拷贝到安装目录下，将原有的文件覆盖
安装目录
wk.baidu.com
操作说明
安装成功
如何学习GMS软件
水流
✓ Chapter 2：Grid Approach ✓ Chapter 4： Conceptual Model Approach
溶质运移
✓ Chapter 6：Grid Approach ✓ Chapter 7： Conceptual Model Approach
➢ 边界条件和初始条件
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。
选择数学模型
根据概念模型进行选择
✓ 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(热) ✓ 水动力-反应耦合模型 ✓ 水动力-弥散-反应耦合模型
➢水量模拟软件：MODFLOW/FEMWATER ✓ MODFLOW:有限差分法 ✓ FEMWATER:有限元法
➢水质模拟软件：MT3D/RT3D ✓ MT3D：a modular 3-D transport model ✓ RT3D：multi-species reactive transport model
实例操作:MODFLOW
研究区域概况
MODFLOW: Conceptual Model
✓ Importing the Background Image ✓ Defining the Boundary ✓ Building the Local Source/Sink Coverage ✓ Delineating the Recharge Zones ✓ Locating the Grid Frame ✓ Creating the Grid ✓ Initializing the MODFLOW Data ✓ Converting the Conceptual Model ✓ Running MODFLOW
H t
H|B1H(x,y,t)
THn |B2q(x,y,t)
H|t0H0(x,y)
水文地质参数：渗透系数，释水系数 源汇项 研究区域范围 边界条件 初始条件
模拟步骤
✓ 建立概念模型 ✓ 选择数学模型 ✓ 将数学模型进行数值化 ✓ 模型校正 ✓ 校正灵敏度分析 ✓ 模型验证 ✓ 预测 ✓ 预测灵敏度分析 ✓ 给出模拟设计与结果 ✓ 后续检查 ✓ 模型的再设计
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。
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。
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。
GMS 地下水流数值模拟软件
中国地质大学环境学院 2019.10
提纲
✓ 什么是数值模拟 ✓ 什么是GMS软件 ✓ 实例操作 ✓ 如何学习GMS软件 ✓ 如何安装GMS软件
什么是数值模拟
数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算 机为手段，通过数值计算和图像显示的方法， 达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问 题研究的目的。
MODFLOW的由来
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。
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。
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。
Grid Approach
网格法是一种最简单、最基本的建模方法, 对 于水文地质条件比较简单、研究区面积比较小的 模型, 网格法也是一种有效的方法。
引自百度（baike./view/1196149.htm）
地下水数值模拟的目的和意义
地下水数值模拟的基本目的是预测地下水未来动态，为 水质和水量的评价提供理论依据。
任务：模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。
地下水流数值模拟资料需求
x (K x H x) y (K y H y) z(K z H z) q s
Layer Properties Coverage: 定义各含 水层分区的渗透系数、给水度等
Area Properties Coverage: 定义降水、 蒸发蒸腾等参数。
Solid Approach
GMS提供了一个Solids 模块用于组建地层的三维结构, 一旦建立了地层的Solids 模型, 就定义了地层的空间结构, 然后转化为概念模型，最后转化为网格模型计算。