地下水数值模拟

地下水数值模拟简介二零一五年二月目录GMS基本操作GMS各模块功能介绍数值模拟的发展及建模步骤主要内容数值模拟理论的发展1956年斯图尔曼(R·Wstallman)开始将数值法应用于地下水计算,但是其发展受制于其所需的大量运算,60年代华尔顿(WC·Walton)首次将电子计算机引入水文地质数值模拟,使得数值法的应用更加方便快捷,从而促进了数值法在解决地下水问题的应用发展。数值模拟理论的发展模拟任务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。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。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。数值模拟理论的发展模拟任务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方向。数值模拟理论的发展常用软件基于有限差分方法的VisualGroundwater、GMS、VisualMODFLOW、ProcessingModflow及VisualMODFLOWFlex地下水数值模拟软件。基于有限元方法的FEFLOW地下水数值模拟软件。数值模拟理论的发展常用软件PHREEQC是用C语言编写的进行低温水文地球化学计算的计算机程序,可进行正向模拟和反向模拟,几乎能解决水、气、岩土相互作用系统中所有平衡热力学和化学动力学问题,包括水溶物配合、吸附-解吸、离子交换、表面配合、溶解-沉淀、氧化-还原。数值模拟理论的发展常用软件HST3D是一个三维热及溶液运移模型(3DHeat&SoluteTrasportModel)。可以模拟三维空间地下水流及有关的热、溶液运移,进行地质废物处置、填埋物浸出、盐水入侵、淡水回灌与开采、放射性废物处理、水中地热系统和能量储藏等问题的分析。地下水流数值模拟的一般步骤收集整理资料，水文地质条件分析水文地质概念模型地下水流模型模型应用收集整理资料，水文地质条件分析资料的收集（文档）水文地质条件分析基本条件的分析水均衡分析源汇项处理定解条件处理水文地质概念模型结构模型含水层和边界参数源汇项结构模型顶底板标高含水层厚度水文地质剖面图钻孔分布图及柱状图水文地质概念模型——结构模型水文地质概念模型——含水层和边界含水层水力特征和介质特征的概化侧向边界：根据地质、水文地质条件、地下水系统特征等确定水头边界、流量边界和混合边界（通用水头、河流、沟渠等）顶部边界：潜水面、含水层顶板等底部边界：基岩顶板或根据水循环深度、开采深度等确定模型应用评价和预测预测方案=预测结果=保证程度分析等GMS特点整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE等模型和程序包，等可进行水流、溶质运移、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适用于孔隙介质三维地下水模拟，是目前国内最常用的软件地下水流和溶质运移模拟软件概念化方式建立水文地质概念模型与GIS接口好，前、后处理功能更强软件升级快GMS各模块介绍GMS各模块介绍TIN(TriangulatedIrregularNet-works），三角形不规则网格)：该模块用来形成三角形不规则网格，用以表示空间曲面，通常用来表示相邻地层的界面，多个TINs就可以被用来建立实体(Solid)模型或三维网格。Boreholes钻孔数据：用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线；地层数据用来建立TIN、solid实体和三维有限元网格。GMS各模块介绍Solids实体模型：在不规则的三角形网络(TIN)建立完成后，通过一系列操作产生的实际地层的三维立体模型。Scatter(散点)：二维与三维Scatter主要功能是导入和管理数据，并进行插值，完成TIN、Grid间的数据传输。GMS各模块介绍2DMesh：包括SEEP2D模块，用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型。可以用于模拟承压和无压流问题，也可以模拟饱和和非饱和带的水流；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GMS各模块介绍3DMesh，包括FEMWATER模块，用来模拟饱和流和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。GMS各模块介绍3DGrid，是计算模块，网格建模法即在此模块中实现。包括MODFLOW模块，MODPATH模块，MT3D模块，UTCHEM模块，ART3D模块。2DGrid模块：将控制点数据插值后分配到二维网格MODFLOW用来进行地下水流数值模拟；包括wells、recharge、river、drain、ET以及边界等子程序包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示踪模型。它和MODFLOW一起使用，用来描述给定时间内的截获区、质点运移路径的长度和到达指定位置的时间。质点追踪包括正向追踪和反向追踪。MT3D是三维地下水溶质运移程序，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；UTCHEM是模拟多相流和运移的模型，主要应用于抽水和恢复。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。GMS各模块介绍GIS(地理信息系统）：可以将shape文件导入模型，在mapping中通过shapestoFeatureObjects将文件和属性导入map模块。Map模块：利用GIS导入的文件和属性建立水文地质概念模型，或者以TIFF、JEPG等图件为底图，在图上确定表示源汇项、边界、含水层不同参数区域的点、曲线、多边形的空间位置，快速建立起概念模型。GMS各模块介绍地下水流模型——数据准备数值模型模拟软件（GMS,VM,Feflow，PMV等）空间离散网格大小、活动单元格数目时间离散模拟期、应力期和时间步长地下水流模型——数据准备源汇项处理——与GIS相结合recharge子程序包：降雨入渗、面状农业开采、灌溉回渗wells子程序包：开采、侧向ET子程序包：蒸发Drain子程序包：排水沟、湖淖地下水流模型——数据准备结构模型资料：钻孔、剖面、高程等值线、厚度等值线等软件：线上提高程、mapgis、arcview和surfer数据格式：x、y、z地下水流模型——数据准备初、末刻水位资料：流场图，长观孔、统测孔等原始水位数据软件：mapgis、arcview、surfer数据格式：x、y、z地下水流模型——数据准备观测孔资料：长观孔、统测孔等原始水位数据软件：vba数据格式：地下水流模型——数据准备边界条件资料：水位、流量和相应参数软件：arcview（arcgis）、vba数据格式：水头边界：流量边界：.well文件三类边界：.ghb文件地下水流模型——数据准备参数：资料：前人资料（参数分区图等）、抽水试验资料软件：mapgis、arcview（arcgis）数据格式：.shp文件地下水流模型——数据准备源汇项资料：源汇项对应基础资料软件：mapgis、arcview（arcgis）、vba、access数据格式：GMS子程序包对应格式或井文件地下水流模型——模型后处理长观孔拟合资料：GMS导出的观测孔数据（实测和计算）软件：excel直接处理或vba数据格式地下水流模型——模型后处理均衡分析资料：GMS6.0以上版本导出的均衡数据软件：excel直接处理或vba数据格式：地下水流模型——模型后处理参数资料：GMS导出的参数分区和属性、软件：arcview、suefer、mapgis或arcgis浅层渗透系数分区图地下水流模型——模型后处理流场拟合资料：GMS导出流场数据和实测数据软件：arcview、suefer、mapgis或arcgis数据格式03年12月浅层地下水流场拟合图地下水流模型——模型后处理模型的识别检验——流场的拟合和长观孔的拟合均衡分析均衡项模拟量比例补给降雨入渗2164.4250.15%侧向补给2151.6949.85%小计4316.11100.00%排泄人工开采-681.0717.45%人畜生活-17.040.44%湖淖排泄-281.947.23%侧向流出-754.1719.33%深循环量-63.521.63%蒸发-2104.5253.93%小计-3902.27100.00%补排差413.83地下水数值模拟书籍