环境管理_地下水流模型modflow简介

MODFLOW地下水流数值模拟软件 提纲 目前国内外主要地下水模拟软件简介地下水数值模拟发展趋势MODFLOW主要功能和主要模块一点体会和经验 1 主要地下水模拟软件简介 2 地下水数值模拟发展趋势 1 模型反演求参时 解的不惟一问题模型中参数的不确定性将导致计算的水头 流速的不确定性 从而影响到模拟结果的可靠性 2 各学科之间难以沟通 侧重的时间或空间尺度存在较大差异地下水 地表状况 土壤 植被 气候变量和土地利用等都存在时空变异性 模型的耦合集成存在较大的难度 2 地下水数值模拟发展趋势 3 勘探技术水平还有待于进一步提高随着计算机的广泛应用 计算机软浸实现了对大量水文地质学及地下水动力学问题的模拟 其计算能力远远超过人们获取数值模型所需野外资料的能力 因此 野外资料的准确性及全面性就决定了数值模拟的精度 4 物化反应和生化作用的溶质迁移模型随着污染的加剧 地下水中痕量污染物在迁移过程中发生的物化反应和有微生物参加的生物化学作用所造成的对人体健康的可能影响将日益成为人们关注的焦点 因此 考虑物化反应和生化作用的溶质迁移模型 特别是地下水中有机物质迁移模型将是另一个研究趋势 2 地下水数值模拟发展趋势 5 尚未建立地下水动态模拟体系近几年来 随着GIS技术的发展和普及 GIS已被广泛接受为管理 存储 查询分析有关地理空间分布信息的成熟的工具和技术 随着其本身空间分析功能和相关学科的迅猛发展 应用领域不在拓宽 随着信息化成为当今社会发展的潮流和趋势 地下水动态模拟评价信息化已成为水文地质工作的工作方向 如何充分利用GIS在数据采集 存储 处理和可视化表达等地下水模拟重要环节上的优势 把GIS与地下水模型结合起来 为地下水模拟工作提供更为简单适用的新方法和统一高效的GIS平台环境 已成为目前地下水动态评价信息化建设的关键步骤 也是GIS在地下水研究应用中向深层次发展的瓶颈问题 2 模拟软件发展趋势 1 各模拟软件只侧重某一方面 功能层次不齐 模拟软件的发展取决于地下水数学模型及计算机软件技术的发展两个方面 模型是地下水模拟软件的内在核心 模拟软件是模型实现的技术手段 模型的发展将会扩大软件的适用范围 提高模拟的精确度 软件技术的应用将大大提高模拟软件的速度 质量及现代化水平 尽管世界上地下水及其相关模拟软件多达数百个 但由于地下水系统的复杂性 到目前为止 还没有任何一种地下水软件能解决一切地下水问题 模拟者应根据自己所从事的研究领域及模拟任务选择合适的软件 上述的GMS VisualMODFLOW VisualGroundwater等软件都是比较流行的软件 2 遥感 地理信息系统和全球定位系统与地下水数值模拟软件的耦合遥感 地理信息系统和全球定位系统在地下水数值模拟中的进一步应用 地下水模型需要一个专业的G璐数据结构 当前国际上的主流地下水模拟软件都提供了与GIS 如ARCYm2FO 的数据接口 随着GIS在水文地质领域中的应用日益广泛和深入 它们之间的联系会更加密切 GIS与地下水模拟模型紧密集成技术将是将来的主要研究方向 2 模拟软件发展趋势 MODFLOW是英文名称ModularThree DimensionalFinite differenceGround waterflowmodel 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 3 MODFLOW主要功能和主要模块 3 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子程序包功能 3 MODFLOW软件的程序包 3 MODFLOW简介 特点 一 采用模块化结构MODFLOW将具有相似功能的子程序组合成子程序包 主要包括水井 补给 河流 沟渠 蒸发蒸腾和通用水头边界6个子程序包 同时用户也可按实际需要选用其中某些子程序包进行地下水运动的数值模拟 这种模块化结构使程序易于理解 修改 并为进行二次开发添加新的子程序包 二 离散方法简单在空间离散上 MODFLOW对含水层采用等距或不等距正交的长方体剖分网格 用户易于准备数据文件 便于输入文件的规范化 MODFLOW模拟系统中引入了应力期的概念 整个模拟期可划分为若干个应力期 每个应力期内的外应力 如抽水量 蒸发量 补给量等 保持不变 每个应力期可再划分为若干时间段 三 求解方法多样化求解方法可以分为直接求解和迭代求解 MODFLOW原来含有两种迭代求解子程序包SIP方法 强隐式法 和SOR方法 逐次超松弛迭代法 由于MODFLOW的模块化结构 MaryHill于1990年设计增加了一种新的迭代子程序包 即PCG子程序包 该子程序包采用PCG方法或称为预调共轭梯度法迭代求解 对于MODFLOW的多个求解子程序包 用户可以根据问题的实际情况选用比较合适的求解方法 也可以对于某一特定的实际问题 由于水文地质条件的复杂选择不同的求解子程序包 通过国内多项实践应用PCG法和SIP法实用可靠 而运用SOR子程序包求解的结果精度低 不宜采用 3 MODFLOW简介 特点 3 MODFLOW系列 3 1VisualMODFLOW3 2GMS MODFLOW3 3ProcessingMODFLOW 这个软件包由Modflow 水流评价 Modpath 平面和剖面流线示踪分析 和MT3D 溶质运移评价 三大部分组成 并且具有强大的图形可视界面功能 设计新颖的菜单结构允许用户非常容易地在计算机上直接圈定模型区域和剖分计算单元 并可方便地为各剖分单元和边界条件直接在机上赋值 做到真正的人机对话 用户可单独或共同运行MODFLOW MODPATH和MT3D三大部分 VisualMODFLOW的最大特点是将数值模拟评价过程中的各个步骤有机的结合起来 从开始建模 输入和修改各类水文地质参数与几何参数 运行模型 反演校正参数 一直到显示输出结果 使整个过程从头至尾规范化 系统化 3 1VisualMODFLOW结构特点 VisualMODFLOW界面设计包括三大彼此联系但又相当独立的模块 输入模块运行模块输出模块 VisualMODFLOW主要处理模块 输入模块 允许用户直接在计算机上赋值所有必要的输入参数以便自动生成一个新的三维渗流模型 输入菜单把MODFLOW MODPATH和MT3D的数据输入作为一个基本建模块 这些菜单以逻辑顺序排列并显示 指导用户逐步完成建模和数据输入工作 允许用户直接在计算机上定义和剖分模拟区域 用户可随意增减剖分网格和模拟层数 确定边界几何形态和边界性质 定义抽 排 水井的空间位置和出水层位以及非稳定抽排水量 参数菜单允许用户直接圈定各个水文地质参数的分区范围并赋值相应参数 同时上 下层所有参数可相互拷贝 可预先定义水位校正观测孔的具体空间位置和观测层位 并输入其观测数据 以便在后续的模型识别工作中模拟使用 3 1VisualMODFLOW 3 1运行模块 允许用户修改MODFLOW MODPATH和MT3D的各类参数与数值 包括初始估计值 各种计算方法的控制参数 激活疏干 饱水软件包和设计输出控制参数等 这些均已设计了缺省背景值 用户根据自己模拟计算的需要 可分别单独或共同执行水流模型 MODFLOW 流线示踪模型 MODPATH 和溶质运移模型 MT3D 3 1VisualMODFLOW 3 1输出模块 输出模块允许用户以三种不同方式展示其模拟结果 1 在计算机屏幕上直接彩色立体显示所有的模拟结果 2 直接在各类打印机上输出各种模拟评价的成果表格和成果图件 3 将所有模拟结果以图形或文本的文件格式输出 输出图形包括可以标记出渗流速度矢量大小的平面 剖面等值线图和平面 剖面示踪流线图以及局部区域水均衡图等一系列图件 3 1VisualMODFLOW 1 操作简单 容易上手 菜单简单划分为输入 运行和输出三大部分 2 方便的实现确定模型区域和完全自动剖分 可在原有剖分基础上任意扩大剖分范围或加密网格而不破坏原有的输入数据 3 自动进行给定范围值内的含水层参数优化和垂向量调整 并可自动进行观测孔计算水位与观测水位的误差统计 VisualMODFLOW的优点 3 1VisualMODFLOW 4 在预报过程中 系统自动计算由于开采量变化产生的激发补给量 可动态地反映地下水的补排关系及储存量的变化情况5 对任意划定范围能进行分区水量均衡计算 6 VisualMODFLOW支持txt dat Excel Mapinfo及dxf等格式的数据文件 采用的可视化数据处理手段能够克服以往国内各种数值计算产生的许多弊端 确保数据的安全性 通用性和标准化 7 可自动地阅读每次模拟结果 可输出等值线图 流速矢量图 水流路径图 区段水均衡和打印并可借助VisualGroundwater软件进行三维显示和输出 VisualMODFLOW的优点 3 1VisualMODFLOW 1 模型中没有为第二类边界条件赋值的菜单 可在第二类边界单元上通过Wells菜单加上注水井或开采井来实现地下水的侧向补给或排泄 2 在输入数据文件时 如计算目的层的顶底板标高数据文件 模型自动插值得到各单元的相应数据 在一个单元的各点上数据是相等的 因此 为提高模拟的精度 剖分单元不能过大 3 模型的计算步长依输入源汇项中最小的时间间隔来确定 注意问题 3 1VisualMODFLOW 注意问题 4 在MODFLOW目前的所有版本中均没有撤消功能 因此建立或使用模型的时候注意备份文件 以免出现错误无法恢复 造成不可挽回的损失 5 保存 GPR文件时候 应注意用英文名字或阿拉伯数字 不要用中文名字 如果用中文名字容易出现文件打不开的现象 应注意 3 1VisualMODFLOW GMS是GroundwaterModelingSystem的简写 是美国BrighamYoungUniversity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 3 2GMS MODFLOW MODFLOWFEMWATERMT3DMSRT3DSEAM3DMODPATHSEEP2DNUFTUTCHEM 3 2GMS MODFLOW GMS模块 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 水量模拟软件 MODFLOW FEMWATERMODFLOW 有限差分法FEMWATER 有限元法水质模拟软件 MT3D RT3DMT3D amodular3 DtransportmodelRT3D multi speciesreactivetransportmodel 3 2GMS MODFLOW MODFLOW地下水建模的方法 GridApproachConceptualModelApproachSolidApproach 3 2GMS MODFLOW GridApproach 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 3 2GMS MODFLOW ConceptualModelApproach 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 3 2GMS MODFLOW MODFLOW ConceptualModel ImportingtheBackgroundImageDefiningtheBoundaryBuildingtheLocalSource SinkCoverageDelineatingtheRechargeZonesLocatingtheGridFrameCreatingtheGridInitializingtheMODFLOWDataConvertingtheConceptualModelRunningMODFLOW 3 2GMS MODFLOW SolidApproach 首先通过钻孔资料 建立地质实体模型 然后转化为Conceptual模型 计算水流与溶质运移迁移规律 3 2GMS MODFLOW 1 FEMWATER 是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 2 MT3DMS 是模拟地下水系统中对流 弥散和化学反应的三维溶质运移模型 模拟计算时 MT3DM和MODFLOW一起使用 3 RT3D是处理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 GMS其它模块 3 2GMS MODFLOW 4 SEAM3D用于模拟复杂生物降解问题 包括多酶 多电子接收器 的模型 它包含有NAPL溶解包和多种生物降解包 NAPL溶解包用于准确地模拟作为污染源的飘羽状NAPL 生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应 5 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 根据MODFLOW计算出来的流场 MODPATH可以追踪一系列虚拟的粒子来模拟从用户指定地点溢出污染物的运动 这种追溯跟踪方法可以用来描述给定时间内井的截获区 GMS其它模块 3 2GMS MODFLOW 6 SEEP2D是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型 它可以用于模拟承压和无压流问题 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 7 NUFT是三维多相不等温水流和运移模型 它非常适合用来解决包气带中的一些问题 8 UTCHEM是模拟多相流和运移的模型 它对抽水和恢复的模拟很理想 是一个已经被广泛运用的成熟模型 GMS其它模块 3 2GMS MODFLOW 9 PEST和UCODE是用于自动调参的两个模块 在自动进行参数估计时 交替运用PEST或UCODE来调整选定的参数 并且重复用于MODFLOW FEMWATER等的计算 直到计算结果和野外观测值相吻合 10 MAP可使用户快速地建立概念模型 在MAP模块下 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 钻孔数据 BoreholeData 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 实体和三维有限元网格 GMS其它模块 3 2GMS MODFLOW 11 TINs即三角不规则网络 TriangulatedIrregularNetworks 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 实体是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 GMS其它模块 3 2GMS MODFLOW 启动GMS 观测孔拟合曲线 观测孔拟合曲线 观测孔拟合曲线 单元格水头动态曲线 选择ActiveDataSetTimeseries 任意局部小区域水均衡 在3Dgrid模块下用鼠标选中要计算的的单元格 如图2 16黑色部分 在Data内选择Flowbudget 就会出现下面的结果 图2 16 这就是计算的选择区域的水均衡情况 输入文件格式 1 初始水头 地层数据输入格式 text文本或excel表格 点击2Dscatter 在interpolation interploate modelflowlayer 进行插值 如图2 17中 左边为scatterpoint 右边为对应的模拟层的顶底板 对应好后点击map 出现了下面图框中的 即完成了一层插值 重复以上步骤 依次完成多层及水头插值 例如 降雨补给 面开采输入格式 降雨用recharge模块输入数据 数据格式为 text文本或excel表格 一般rechargerate包括两种方式 一种是补给量不随时间变化的 选constant 另一种是随时间变化的 选transient 在流程工作栏选择相应的区域导入 注意问题 1 在GMS目前的所有版本中 包括最新的GMS6 0 均没有撤消功能 因此建立或使用模型的时候注意备份文件 以免出现错误无法恢复 造成不可挽回的损失 2 GMS5 0以前的版本不能不能直接导出JPG等图件 只能用别的方法截取图片 而GMS6 0则有直接出图功能 3 保存 GPR文件时候 应注意用英文名字或阿拉伯数字 不要用中文名字 如果用中文名字容易出现文件打不开的现象 应注意 如何学习GMS软件 水流Chapter2 GridApproachChapter4 ConceptualModelApproach溶质运移Chapter6 GridApproachChapter7 ConceptualModelApproach 3 2GMS MODFLOW 3 3ProcessingMODFLOW Modflow是美国地质调查局 U S G S 以有限差分方法为基础开发的一款模块化的地下水流动模拟软件 目前 以Modflow为基础研发的模拟地下水运动及溶质运移过程的计算软件有很多 例如VisualModflow GMS Feflow ProcessingModflow等 ProcessingModflowforWindows PMWIN 提供了一个可视化的界面 集成了MODFLOW 88 MODFLW 96 PMPATH MT3D MT3DMS PEST和UCODE ProcessingMODFLOW内嵌的MODFLOW MODPATH MT3D等模块和visualMODFLOW GMS等软件中的是一样的 唯一不同的是在ProcessingMODFLOW中添加了Interbed storagePackage来实现由于抽取地下水引起的含水层的压缩量 由于MODFLOW MODPATH MT3D等的基本原理和前面介绍的比较一致 本节主要介绍下ProcessingMODFLOW