地下水溶质运移软件介绍.ppt

污染物可以在含水层介质中以各种形式存在 从水文地质的角度来说 地下水中的污染物运移就是指污染物在各种因素综合影响作用下随着地下水流的运动和迁移归宿 包括对流 弥散和化学反应等过程 目前 常见的用于地下水系统中溶质运移的模拟软件包括MOC3D MT3DMS RT3D FEMWATER TOUGH HST3D FRAC3DVS FEFLOW等十几种 其中MT3D MT3DMS是应用比较广泛的三维溶质运移数值模拟软件 第六章地下水溶质运移软件介绍 一 MT3D MT3D是英文Modular3 DimensionalTransportmodel 模块化的三维运移模型 的简称 MT3D采用了对流 弥散方程来描述污染物在三维地下水流中的运移 即 1 式中 C是溶解于水中的污染物的浓度 ML 3 R是阻滞因子 无量纲 t是时间 T xi是空间坐标 L Dij是水动力弥散系数张量 L2T 1 Vi是地下水渗流速度 LT 1 qs是源 正值 或汇 负值 的单位流量 T 1 Cs是源或汇的浓度 ML 3 是孔隙度 无量纲 是一阶反应速率常数 T 1 是多孔介质的比重 ML 3 是吸附在介质上的污染物浓度 MM 1 式 1 的等号右端从左至右依次为弥散项 对流项 源汇项和化学反应项 求解式 1 中的对流 弥散方程首先需要确定地下水渗透流速 MT3D中实际上并没有包括求解地下水流方程的子程序 而是利用MODFLOW的输出结果来获得地下水位资料 MT3D可以用来模拟可溶性污染物在地下水中的对流 弥散 扩散作用和一些基本的化学反应过程 能够有效处理各种边界条件和外部源汇项 模型中的化学反应主要是一些比较简单的单组分反应 包括平衡或非平衡状态的线性或非线性吸附作用 一阶不可逆反应 如生物降解等 和可逆的动态反应等 MT3D能够适用于各种水文地质条件 包括 1 承压 无压或承压 无压含水层 2 倾斜或厚度变化的含水层 3 指定浓度或通量边界条件 降水 蒸发 抽水井 河流等多种外部源汇项 MT3D的求解方法 MT3D采用块中心的有限差分网格来对研究区进行离散 其节点位于每个网格的中心 在计算时 首先采用某种地下水流数值模型 如MODFLOW 确定研究区各节点上的水头 然后将水头作为MT3D的输人数据 通过求解对流一弥散方程即可得到污染物浓度在这些节点上随时间的变化规律 用于求解对流 弥散方程的数值方法通常可以分为三类如下 MT3D中采用了混合Euler Lagrange方法来求解对流弥散方程 MT3D的求解方法 MT3D中共有三种特征线方法可供选择 如下 在程序中包含了多种对流 弥散方程的求解方法使得MT3D程序能够使用于不同的地下水流场条件 这是MT3D的一个最主要的特色 同时也是它被广泛认可的一个很重要的原因 图1中是对一个均匀流场中连续点源问题的模拟结果 Zheng 1990 其中地下水渗透流速为0 33m d 纵向弥散度为10m 横向弥散度为3m 孔隙度为0 3 连续点源的注人流量为1m d 注入浓度为1000 10 6 对流弥散方程的求解采用HMOC方法 图1是模拟时间为365d时地下水中污染物浓度的等值线与解析解的对比 可以看出 MT3D的模拟结果与解析解十分吻合 MT3D的输入和输出 MT3D需要的输人数据是通过不同的数据文件来读取的 这些文件的数据输人格式有严格的要求 在研究一个实际问题时 需要特别注意输入数据的格式是否符合MT3D的要求 这是一个十分烦琐的过程 MT3D输出计算浓度的格式和频率由用户给定 为了节省存贮空间 不同时刻污染物的浓度作为一个二进制文件保存在磁盘上 因此 无法用字处理软件直接读取和处理 MT3D程序包中有一个实用程序 PM 可以用来读取指定时刻的浓度并保存为文本文件 便于制图和输出 近些年来 已经出现许多商业软件专门用于MT3D的数据输入和模拟结果的处理 比较著名的有加拿大Wa terloo水文地质公司的VisualModlfow 美国BOSS公司的GroundwaterModelingSystem以及ProcessingMODFLOW软件等 这些软件都具有可视化的操作环境 有些还具有地理信息系统的接口 使用这些软件可以完成从数据输入 模型运算到结果图形输出的全过程 极大地提高了污染物运移模拟工作的效率 2 MT3DMS 一 MT3DMS的开发历史1990年代以前 虽然已经有很多有关地下水中污染物运移的研究 但是 还很少见到一个完全公开的用于地下水中污染物运移的模拟软件 而地下水中污染物的运移过程要比地下水流本身的运动要复杂得多 再加上数值模拟污染物运移过程中存在的数值弥散和人工振荡 因此 开发一套能够有效应用于实际区域地下水中污染物运移的模块化软件成为一种必需 正是为了适应这一要求 C Zheng 郑春苗 在S S Papadopulos Associates公司工作期间 由美国环境保护署 U S EnvironmentalProtectionAgency USEPA 资助开发并于1990年发布了一个用于地下水中污染物运移的一个实际应用模拟软件 MT3D MT3D软件一经发布 其源代码即由USEPA完全公开 1998年 在美国国防部 U S DepartmentofDefense USDoD 下属陆军工程师兵团研究开发中心 U S ArmyEngineerResearchandDevelopmentCenter 项目的资助下 C Zheng和P Wang开发出来了基于MT3D的第二代模拟软件 MT3DMS MT3DMS增加和丰富了MT3D软件中原有的求解子程序包 能够在保证质量守恒的基础上尽可能减小数值弥散和人工振荡引起的误差 MT3DMS不但可以同时模拟地下水中多种污染物组份的物理迁移过程 包括对流 弥散 吸附等 而且可以 或结合其它软件如RT3D 模拟组份在运移过程中发生的简单 或复杂 生物和化学反应 MT3DMS本身不包括地下水流模拟程序 需要与中心网格的有限差分水流计算程序联合使用 正式发布的MT3D MT3DMS源程序考虑的水流模拟软件是MODFLOW 经过一些简单的修改 MT3D MT3DMS也可以与其它类似的水流模拟软件相结合 1998年发布的基于MT3D升级的第一个MT3DMS软件称为MT3DMSv3 00 A版本 为了适应2000年发布的MODFLOW2000程序 MT3DMS于2001年升级为MT3DMSv4 00版 2005年刚刚升级到MT3DMSv5 00版 MT3DMS易于使用 求解精确 快速便捷等诸多优点使得它很快获得了政府有关部门 地下水研究咨询公司以及众多用户的认可 成为目前世界范围内最为广泛的三维溶质运移模拟通用软件 二 MT3DMS的结构组成 与MODFLOW的结构类似 MT3DMS的程序设计也是采用模块化结构 ModularStructure 即由一个主程序 MainProgram 和若干个相对独立的子程序包 Package 组成 各个子程序包又由不同的模块 Module 组成 供主程序随时调用 目前 MT3DMS中有基本运移 Basictransportpackage BTN 对流 Advectionpackage ADV 弥散 Dispersionpackage DSP 源汇混合 Sink sourcemixingpackage SSM 化学反应 Chemicalreactionpackage RCT 广义共轭梯度求解 Generalizedconjugate gradientsolverpackage GCG 运移过程观测 Transportobservationpackage TOB 水流模型接口 Flowmodelinterfacepackage FMI 和公共实用 Utilitypackage UTL 等9个子程序包 其中对于每个运移模型BTN FTL和UTL等3个子程序包都是必需的 绝大多数情况下ADV子程序包也是必需的 用户可以根据研究区的实际情况选择相应的子程序包来模拟地下水中的溶质运移过程 而TOB是MT3DMSv5 00版中最新增加的可选子程序包 三 MT3DMS的特点 1 程序结构的模块化2 程序代码的公开化3 离散方法的简单化4 求解方法的多样化 四 MT3DMS软件的应用现状 运用MT3DMS软件不但能模拟地下水中污染物的对流 弥散 而且能够同时模拟多种污染物组分在地下水中的运移过程以及它们各自的变化反应过程 不包括各种组分之间的化学反应 包括平衡控制的等温吸附过程 非平衡吸附过程 放射性衰变或简单生物降解过程 同时 利用双重区域介质理论 MT3DMS还可以用来模拟高度非均质裂隙介质中的污染物运移 利用MT3DMS的以上几个特点 用户还可以根据自己的需要 与其它扩充功能模块结合 从而应用到很多目前MT3DMS所不能模拟的过程或现象 1 如Guo等以MT3DMS为核心 开发出来考虑地下水密度变化的SEAWAT软件 可用于海水入侵过程的实际模拟 Labgevin等对SEAWAT进行了升级 2 Prommer等将MT3DMS与PGREEQC 2结合 开发了PHT3D软件 可以模拟许多地球化学反应对污染物 溶质 运移的影响 3 Zheng和Wang将MT3DMS与优化方法相结合 用于污染物治理方案的最优设计 并开发了用于地下水污染治理和含水层修复方案设计的模拟优化软件 4 而最近Wu等将MT3DMS与优化方法相结合 成功地应用于确定条件下污染物长期监测网的优化设计 3 软件应用 本节内容以ProcessingMODFLOW为例 介绍如何利用软件解决地下水溶质运移问题首先我们来熟悉一下ProcessingMODFLOW的界面 建立溶质运移模型前 需要首先建立水流模型 简单步骤如下 Step1 CreateaNewModelStep2 AssignModelDataStep3 PerformtheFlowSimulationStep4 CheckSimulationResultsStep5 CalculatesubregionalwaterbudgetStep6 ProduceOutput当水流模型建立好之后 就可以输入溶质运移模型所需的参数 进行模拟计算 Step1 定义观测孔 Step2 设置边界条件Grid BoundaryConditions ICBUND MT3D MT3DMS 在这个模型中需要设置所有的网格均为有效单元 即设置所有的网格值为1 同水流模型一样 1为有效单元 0为无效单元 1为定浓度 流量 单元 Step3 设置初始浓度Models MT3D InitialConcentration设置所有单元初始浓度值为0Step4 输入污染速率Models MT3D Sink SourceConcentration Recharge设置污染区域内补给速率为12500 Step5 设置对流项Models MT3D Advection Step6 设置弥散项Models MT3D Dispersion对话框中的数值设置好后 本例不需做改动 将所有单元内的数值设置为10 Step7 设置