地下水數值模擬簡介

二零一五年二月12021/5/9目錄GMS基本操作GMS各模塊功能介紹數值模擬的發展及建模步驟主要內容22021/5/9數值模擬理論的發展

1956年斯圖爾曼(R·Wstallman)開始將數值法應用于地下水計算,但是其發展受制于其所需的大量運算,60年代華爾頓(WC·Walton)首次將電子計算機引入水文地質數值模擬,使得數值法的應用更加方便快捷,從而促進了數值法在解決地下水問題的應用發展。32021/5/9數值模擬理論的發展

模擬任務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。地下水運移模擬

主要模擬地下水、熱和溶質組分的運移速率。反應模擬模擬水中、氣-水界面、水-巖界面所發生的物理、化學、生物反應。42021/5/9數值模擬理論的發展模擬任務反應運移模擬模擬地下水運移過程中所發生的各種反應,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)和溶質運移模擬(包括非飽和介質二維、三維流)有機結合,是地下水模擬的發展方向。52021/5/9數值模擬理論的發展

常用軟件基于有限差分方法的VisualGroundwater、GMS、VisualMODFLOW、ProcessingModflow及VisualMODFLOWFlex

地下水數值模擬軟件。基于有限元方法的FEFLOW地下水數值模擬軟件。62021/5/9數值模擬理論的發展

常用軟件PHREEQC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。72021/5/9數值模擬理論的發展

常用軟件HST3D是一個三維熱及溶液運移模型(3DHeat&SoluteTrasportModel)。可以模擬三維空間地下水流及有關的熱、溶液運移,進行地質廢物處置、填埋物浸出、鹽水入侵、淡水回灌與開采、放射性廢物處理、水中地熱系統和能量儲藏等問題的分析。82021/5/9地下水流數值模擬的一般步驟收集整理資料，水文地質條件分析水文地質概念模型地下水流模型模型應用92021/5/9收集整理資料，水文地質條件分析資料的收集（文檔）水文地質條件分析基本條件的分析

水均衡分析

源匯項處理

定解條件處理102021/5/9水文地質概念模型結構模型含水層和邊界參數源匯項112021/5/9結構模型頂底板標高含水層厚度水文地質剖面圖鉆孔分布圖及柱狀圖水文地質概念模型——結構模型122021/5/9水文地質概念模型——含水層和邊界含水層水力特征和介質特征的概化側向邊界：根據地質、水文地質條件、地下水系統特征等確定

水頭邊界、流量邊界和混合邊界（通用水頭、河流、溝渠等）頂部邊界：潛水面、含水層頂板等底部邊界：基巖頂板或根據水循環深度、開采深度等確定132021/5/9參數潛水滲透系數和給水度承壓水滲透系數和貯水率前人資料抽水試驗源匯項側向流入降雨入滲灌溉回滲人工開采蒸發側向流出湖淖排泄…………水文地質概念模型142021/5/9模型應用評價和預測

預測方案=>預測結果=>保證程度分析等152021/5/9GMS特點整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE等模型和程序包，等可進行水流、溶質運移、反應運移模擬；建立三維地層實體，進行鉆孔數據管理、二維(三維)地質統計適用于孔隙介質三維地下水模擬，是目前國內最常用的軟件地下水流和溶質運移模擬軟件概念化方式建立水文地質概念模型與GIS接口好，前、后處理功能更強軟件升級快162021/5/9GMS各模塊介紹172021/5/9GMS各模塊介紹TIN(TriangulatedIrregularNet-works），三角形不規則網格)：該模塊用來形成三角形不規則網格，用以表示空間曲面，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)模型或三維網格。Boreholes鉆孔數據：用來管理樣品和地層這兩種格式的鉆孔數據。樣品數據用來作等值面和等值線；地層數據用來建立TIN、solid實體和三維有限元網格。182021/5/9GMS各模塊介紹Solids實體模型：在不規則的三角形網絡(TIN)建立完成后，通過一系列操作產生的實際地層的三維立體模型。Scatter(散點)：二維與三維Scatter主要功能是導入和管理數據，并進行插值，完成TIN、Grid間的數據傳輸。192021/5/9GMS各模塊介紹2DMesh：包括SEEP2D模塊，用來計算壩堤剖面滲漏的二維有限元穩定流模型。可以用于模擬承壓和無壓流問題，也可以模擬飽和和非飽和帶的水流；對無壓流問題，模型可以只局限于飽和帶。根據SEEP2D的結果可以作出完整的流網202021/5/9GMS各模塊介紹

3DMesh，包括FEMWATER模塊，用來模擬飽和流和非飽和流環境下的水流和溶質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。212021/5/9GMS各模塊介紹

3DGrid，是計算模塊，網格建模法即在此模塊中實現。包括MODFLOW模塊，MODPATH模塊，MT3D模塊，UTCHEM模塊，ART3D模塊。2DGrid模塊：將控制點數據插值后分配到二維網格222021/5/9

MODFLOW用來進行地下水流數值模擬；包括wells、recharge、river、drain、ET以及邊界等子程序包MODPATH是確定給定時間內穩定或非穩定流中質點運移路徑的三維示蹤模型。它和MODFLOW一起使用，用來描述給定時間內的截獲區、質點運移路徑的長度和到達指定位置的時間。質點追蹤包括正向追蹤和反向追蹤。MT3D是三維地下水溶質運移程序，能夠模擬地下水系統中的平流、擴散、衰減、溶質化學反應、線性與非線性吸附作用等現象；UTCHEM是模擬多相流和運移的模型，主要應用于抽水和恢復。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。GMS各模塊介紹232021/5/9GIS(地理信息系統）：可以將shape文件導入模型，在mapping中通過shapestoFeatureObjects將文件和屬性導入map模塊。Map模塊：利用GIS導入的文件和屬性建立水文地質概念模型，或者以TIFF、JEPG等圖件為底圖，在圖上確定表示源匯項、邊界、含水層不同參數區域的點、曲線、多邊形的空間位置，快速建立起概念模型。GMS各模塊介紹242021/5/9地下水流模型——數據準備數值模型模擬軟件（GMS,VM,Feflow，PMV等）空間離散

網格大小、活動單元格數目時間離散

模擬期、應力期和時間步長252021/5/9地下水流模型——數據準備源匯項處理——與GIS相結合

recharge子程序包：降雨入滲、面狀農業開采、灌溉回滲wells子程序包：開采、側向ET子程序包：蒸發Drain子程序包：排水溝、湖淖262021/5/9地下水流模型——數據準備結構模型

資料：鉆孔、剖面、高程等值線、厚度等值線等

軟件：線上提高程、mapgis、arcview和surfer

數據格式：x、y、z272021/5/9地下水流模型——數據準備初、末刻水位

資料：流場圖，長觀孔、統測孔等原始水位數據

軟件：mapgis、arcview、surfer

數據格式：x、y、z282021/5/9地下水流模型——數據準備觀測孔

資料：長觀孔、統測孔等原始水位數據

軟件：vba

數據格式：292021/5/9地下水流模型——數據準備邊界條件

資料：水位、流量和相應參數

軟件：arcview（arcgis）、vba

數據格式：

水頭邊界：

流量邊界：.well文件

三類邊界：.ghb文件

302021/5/9地下水流模型——數據準備參數：資料：前人資料（參數分區圖等）、抽水試驗資料

軟件：mapgis、arcview（arcgis）

數據格式：.shp文件312021/5/9地下水流模型——數據準備源匯項

資料：源匯項對應基礎資料

軟件：mapgis、arcview（arcgis）、vba、access

數據格式：GMS子程序包對應格式或井文件

322021/5/9地下水流模型——模型后處理長觀孔擬合資料：GMS導出的觀測孔數據（實測和計算）軟件：excel直接處理或vba

數據格式332021/5/9地下水流模型——模型后處理均衡分析資料：GMS6.0以上版本導出的均衡數據軟件：excel直接處理或vba數據格式：342021/5/9地下水流模型——模型后處理參數資料：GMS導出的參數分區和屬性、軟件：arcview、suefer、mapgis或arcgis淺層滲透系數分區圖352021/5/9地下水流模型——模型后處理流場擬合

資料：GMS導出流場數據和實測數據

軟件：arcview、suefer、mapgis或arcgis

數據格式03年12月淺層地下水流場擬合圖362021/5/9地下水流模型——模型后處理模型的識別檢驗——流場的擬合和長觀孔的擬合均衡分析均衡項模擬量比例補給