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地下水数值模拟技术与应用第四讲地下水流模型MODFLOW简介中科院计算所培训主要内容3.1主要功能和主要模块3.2目前国内外主要地下水模拟软件简介3.3VisualModflow简介（简单操作）3.4GMS简介3.5地下水数值模拟发展趋势3.6一点体会和经验4.1主要功能和模块MODFLOW（Modularthree-dimensionalfinite-differenceground-waterflowmodel）是由美国地质调查局上世纪80年代开发的基于有限差分法的孔隙介质中三维地下水流模拟程序，现已推出MODFLOW88、96、2000和2005四个版本，已成为功能完善、扩展性强、应用最为广泛的地下水流模拟程序。主要功能模拟稳定、非稳定地下水流非均质含水层，简单的各项异性含水层二维、三维地下水流模拟承压、潜水、承压-无压含水层地下水流模拟适用条件饱和空隙介质地下水流，地下水流动满足达西定律。4主要特点：采用FORTRAN语言编程，可下载源程序，可根据需要对程序改编；采用模块化结构，MODFLOW程序可分为一个主程序和若干个高度独立的子程序（模块，modules），若干相关的子程序整合形成具有特定功能的子程序包（pakages）。使程序易于理解和修改，便于二次开发和增加新的模块和子程序包，对其功能进行扩展；离散单元的简单化。采用矩形不等距网格离散，便于用户对模拟区剖分和准备输入数据，输出的计算结果也比较规范化。Upscale技术；在时间离散上，引入应力期的概念，便于模拟期内时间段的划分和时间步长的设定；求解方法多样化；输出格式的标准化和多样化；资源丰富，可在有关网站上下载源程序、参考手册、操作手册等；有较多的软件产品，广大的用户。子程序包名称英文缩写功能基本子程序包BAS指定边界条件、时间段长度、初始条件以及输出计算单元间渗流子程序包BCF计算有限差分方程组各项的值，即网格间流量和储存变化量外应力子程序包水井子程序包WEL定义点井的滤水管位置和井流量补给子程序包RCH定义含水层的面状补排强度河流子程序包RIV将河流处理为三类边界排水沟子程序包DRN如果地下水位高于排水沟底板，则定义为一类边界，如果低于底板，则无补排量。蒸发蒸腾子程序包EVT按阿维杨诺夫公式处理地下水的蒸发蒸腾量通用水头子程序包GHB将边界定义为三类边界条件求解子程序包SIP子程序包SIP强隐式法求解线性方程组SSOR子程序包SSOR超松弛迭代法求解线性方程组PCG子程序包PCG预调共轭梯度法求解线性方程组MODFLOW主要子程序包功能表名称功能备注ETS蒸散发子程序包，允许用户定于蒸散发-地下水位关系。已整合到MODFLOW-2000和MODFLOW-2005中。STR河流-含水层交换量子程序包，河流量计算考虑了沿河流路径与地下水交换。同上SFR2河流入渗子程序包，可模拟河流非饱和入渗补给含水层。同上HUF2计算水文地质单元渗流子程序包，可将实际介质的水文地质属性（渗透性）赋到个网格上。同上IBS1/2基于MODFLOW开发的有粘土夹层的含水层形变子程序包，可计算由于地下水储存量变化引起的含水层形变量。同上SUB在IBS1/2基础上改进的地面沉降和含水层压缩子程序包，可单独计算出粘性土索性压缩和含水层弹性压缩量。同上UZF模拟非饱和带-饱和带垂向水流子程序包。源程序已整合到MODFLOW-2005中。LGR局部网格加密（LGR）功能，允许用户在网格更大更粗糙的母模型中模拟更高精度的局部网格（称为子模型）中的水流。源程序已整合到MODFLOW-2005中。MODPATH地下水中质点运移路径的三维质点示踪模型，可进行正向示踪和反向示踪。基于MODFLOW开发的考虑对流、弥散、源汇项、化学作用的多组分地下水溶质运移模型在MT3D基础上模拟地下水中多组分反应，适合于模拟自然衰减和生物恢复。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。MOC3D基于特征值法的三维溶质运移模型，可考虑对流、弥散、混合、线性吸附和放射性衰减等作用。MODFLOW-SURFACT饱和-非饱和水流和污染质运移模型变浓度（海水入侵）地下水流和溶质运移模型是解决基于响应矩阵法的几类线性、非线性和混合二元线性地下水管理问题。基于MODFLOW开发的一部分子程序包和模型一览表3.2国内外流行的地下水模型软件名称主要功能特点开发单位、下载或购买网址GMS(GroundwaterModelingSystem，windows)整合了MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、RT3D、SEEP2D、SEAM3D、UTCHEM、PEST、UCODE、NUFT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，与ARCGIS有良好的接口。使用界面友好，前、后处理功能及三维可视化效果优良，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。适用于孔隙介质三维地下水模拟，与GIS接口好，是目前国内最常用的软件地下水流和溶质运移模拟软件，但软件较复杂，价格偏贵。由美国BrighamYoungUniversity的环境模型研究实验室开发，网址：。分销商为：。VisualModflow（windows）综合已有的MOD-FLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件，可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟。合理的菜单结构、友好的界面和功能强大的可视化特征和极好的软件支撑使之成为许多地下水模拟专业人员选择的对象。适用于孔隙介质三维地下水模拟，简单易学，价格相对便宜，是目前国内最流行的地下水流和溶质运移模拟软件之一。加拿大Waterloo水文地质公司开发研制或（windows）采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维地下水流、溶质和热运移模拟。溶质运移中考虑带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学物质运移；热运移考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；并可对污染物和温度场同时进行模拟。对于多含水层的混合井流分析，feflow有多种理论模式进行选择。运用达西、泊松以及manning-strickler理论的离散单元分析。与GIS接口好，剖分灵活，可进行复杂的（各向异性）地下水流、溶质和热运移模拟。专业性强，价格偏贵。是目前国内常用的地下水模型软件之一。Feflow是由德国Wasy水资源规划系统研究所研制开发，网址：。GroundwaterVistas（windows）基于MODFLOW开发的在功能上类似于GMS的地下水模型软件，功能强大，用户界面优化，可视化程度高，可用蒙特卡洛方法结合modflow、MT3D进行参数敏感性分析、地下水风险评价等。结合么特卡罗方法的随机地下水数值模拟美国EnvironmentalSimulations,Inc.公司开发：（windows）基于有限单元和有限差分方法，二维和三维地下水流、溶质和热运移模拟软件，…..为汉字界面和帮助，有利于国内专业人员学习和使用。中国水利水电研究院开发……IGW（InteractiveGroundWater，windows）交互式二维、三维地下水流和溶质运移数值模拟软件，可设定确定性、蒙特卡洛和条件蒙特卡洛随机条件，运用网格逐步加密技术（upscale）进行局部加密。网格局部加密可在区域模型中嵌套局部精细刻画的地下水模型美国密西根州立大学土木工程和环境工程系开发：，可下载可执行文件、使用手册等。PMWIN基于MODFLOW开发的地下水流和溶质运移模型，软件中整合了IBS模块，可进行含水介质的弹性和塑性变形量计算。简单易学，可进行抽水引起的地面沉降计算。由台湾人Wen-HsingChiang开发：，可免费下载该软件。SWIFT（windows）三维地下水流、溶质运移和热运移模拟软件，可采用地卡尔坐标和极坐标，适于孔隙介质、裂隙介质和双重介质地下水模拟。裂隙介质和双重介质地下水模拟美国HISGeoTrans公司开发：，可下载参考手册和使用手册。HST3D(3DHeat&SoluteTransportModel，DOS)基于有限差分法的三维热及溶液运移模型。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。目前国内常用于浅层地下水系统热运移模拟。美国地质调查局开发：，可下载可执行程序和使用说明。TOUGH2（DOS）通用的中渗流、多组分溶质运移和热运移数值模拟程序，适用二维和三维、饱和及非饱和多孔介质和裂隙介质问题，主要用于地热工程、核废料处理、环境评价与治理等方面。基于Fortran77开发的，适于在任何平台上运行，目前国内多用于地下热水运移模拟。由美国加州大学伯克利分校劳伦斯实验室开发，（windows）二维、三维饱和和非饱和带水分、溶质和能量运移模型，可进行剖面二维模拟，用户界面优化，输出的可视化表达较好。特别适合有植被条件下的土壤水-地下水流和溶质云以模拟。美国加州大学河滨分校、盐湖研究所国际地下水模型中心和捷克PC-Progress公司联合开发：，可下载软件、技术手册和使用手册。GeoStudio（windows）一套与地下水有关的综合性岩土环境工程分析软件，可进行：边坡稳定分析、岩土应力变形分析、地下渗流、溶质和热运移模拟、地下水-空气相互作用模拟以及非饱和带水分运移模拟。很全面的岩土工程分析软件，在地下水方面国内主要用非饱和带水分和溶质运移模型、坝体渗流计算方面较多。位于加拿大卡尔加里的GEO-SLOPEInternationalLtd开发：，可从以上网址了解有关信息、下载学生版。MIKESHE（windows）综合的分布式流域模型，可完整地模拟陆地水循环中地表、非饱和带和地下水的水量和溶质运移过程。与AcrGIS和MODFLOW有良好的接口，界面友好，操作简单，可视化功能强。可应用于水环境影响评价、地下水地表水联合使用、地下水和地表水管理等方面。特别适合地下水-地表水联系密切条件下水资源系统的模拟。丹麦DHI国际咨询和研究机构开发：，可下载演示版本和相关文件。3.3VisualModflow介绍加拿大Waterloo大学水文地质公司开发研制，