MODFLOW——一套水文地质学实用计算软件.doc

广西地质GUANGXI GEOLOGY1999年 第12卷 第3期 Vol.12 No.3 1999MODFLOW一套水文地质学实用计算软件蒋亚萍陈余道摘要 MODFLOW是水文地质学领域内一套实用的计算软件,文章对它的特点与应用、总体结构以及所包含的子程序包作了介绍，阐述了该软件的接触方式和在我国推广的必要性。关键词 MODFLOW；水文地质学；计算软件中图分类号TP 317 文献标识码 E文章编号 1003-7861(1999)03-0075-04MODFLOWA PRACTICAL CACULATING SOFTWARE IN THE FILED OF HYDROGEOLOGYJIANG Ya-ping， CHAN Yu-dao (Guilin Institute of Technology, Guilin 541004,China )Received September 28, 1998;Revised version accepted January 25,1999AbstractMODFLOW is a practical calculating software in the filed of hydrogeology. In the paper,its characteristics and applications, total constrution and its sub-routine library were introduced. In the meantime, how to contact with it and the necessary to spread it in our country were detailed.Key Words:MODFLOW； hydrogeology； compute software1MODFLOW的由来MODFLOW是英文名称Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water flow model （三维有限差分地下水流模型）的简称。由美国地质调查局（U.S.Geological Survey）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1。在MODFLOW问世之前，美国地质调查局已经先后开发了一系列用于模拟地下水二维和三维流动的计算机程序并已在美国地质调查局内广泛使用（Trescott,1975; Trescott和Larson,1976；Trescott,Pinder和Larson,1976）。 MODFLOW就是在这些早期工作的基础上发展起来的。其目的就是发展一套容易修改、实用的计算机软件供水文地质工作者使用。此外，由于当时计算机硬件的限制，开发MODFLOW的另一个要求是能有效地利用计算机的内存以及提高运算速度。2MODFLOW的特点及应用MODFLOW最初由FORTRAN 66版本写成（Mcdonald和Harbangh,1984），后来作者又在1988年将其移植为FORTRAN 77语言。虽然最近Harbaugh等人又将MODFLOW用FORTRAN 90语言重写，并称为MODFLOW 96，但在内容上MODFLOW 96与MODFLOW 88并没有太大的差别，大多数水文地质工作者仍采用MODFLOW 88。MODFLOW的一个最显著的特点是采用了模块化的结构。它一方面将许多具有类似功能的子程序组合成为子程序包，另一方面是用户可以按实际工作需要选用其中某些子程序包对地下水运动进行数值模拟。此外，这种模块化结构使程序易于理解、修改，甚至添加新的子程序包。自从MODFLOW问世以来，已经有许多新的子程序包被开发出来，用来解决MODFLOW本身不能解决的问题。例如，模拟河流与含水层之间水力联系的河流子程序包（Prudic，1989）；模拟由于抽水引起地面沉降的子程序包（Leake和 Prudic,1988）；模拟水平流动障碍（Horizontal flow-barrier）的子程序包（Hsieh和Freckleton,1993）等。这些新子程序包的加入，大大提高了MODFLOW的应用范围。虽然MODFLOW本身仅限于模拟地下水在孔隙介质中的流动，但大量实际工作表明，只要恰当使用， MODFLOW也可以用来解决许多地下水在裂隙介质中的流动问题。不仅如此，经过合理的线性化， MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动问题（ Guo， 1995）将MODFLOW与其它用于溶质运移模拟的程序结合起来，还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度为变量的问题（GuO和Bennett, 1997）。MODFLOW之所以能得到如此广泛的应用，一个很重要的因素就在于其设计上的合理性。参与MODFLOW设计、编程的工作人员大多都是具有丰富实际经验的著名水文地质学家。因此， MODFLOW的使用说明书本身就是一部关于地下水数值模拟方面的教科书，很值得广大水文地质工作者阅读参考。3MODFLOW的总体结构及子程序包与任何一个FORTRAN程序一样，MODFLOW包括一个主程序和一系列相对独立的子程序包。每个子程序包又包括有多个模块和子程序。在整个模拟过程中，可分为一系列应力期。每个应力期内，所有的外应力，如抽水量、蒸发量等保持为常数。每个应力期又可再分为若干个时间段。通过对有限差分方程组的求解，可以得到每个时间段结束时的水头值。所以每个模拟应包括三大循环：应力期循环、时间段循环以及迭代求解循环。主程序的程序框图见图1。图1MODFLOW总体结构图标准1988年版MODFLOW所包括的子程序包可分为两大类：水文地质子程序包和求解子程序包。水文地质子程序包中包括一些与外应力有关的用于计算有限差分方程组系数矩阵的子程序包，及用于计算各计算单元之间的地下水渗流量的BCF子程序包（Block Centered Flow），还包括外应力子程序包，分别用于模拟不同的外应力对地下水运动的影响。例如，河流子程序包可以用来计算地表水体与含水层之间的水力交换。求解子程序包用于对线性方程组求解， MODFLOW 88含有两种迭代求解方法：松弛因子法（SSOR）和强隐式法（SIP）。此外，还有一个基本子程序包，其作用是完成一个模拟的基本任务，如模拟时间的划分等，这个基本子程序包称为“BAS”子程序包。表1列出了标准1988年版MODFLOW所包括的所有子程序包，以及它们英文名字的缩写、功能简介等。表1 MODFLOW子程序包表子程序包名称英文缩写子程序包功能基本子程序包BAS指定边界条件、时间段长度、初始条件及结果打印方式计算单元间渗流子程序包BCF水文地质子程序包计算多孔介质中地下水流有限差分方程组各项，亦即，单元间流量和进入贮存的流量水井子程序包WEL将流向水井的流量项加进有限差分方程组外应力子程序包补给子程序包RCH将代表面状补给的流量项加进有限差分方程组河流子程序包RIV将流向河流的流量项加进有限差分方程组排水沟渠子程序包DRN将流向排水沟渠的流量项加进有限差分方程组蒸发蒸腾子程序包EVT将代表蒸发蒸腾作用的流量项加进有限差分方程组通用水头边界程序包GHB将流向通用水头边界的流量项加进有限差分方程组SIP求解子程序包SIP求解子程序包采用强隐式方法通过迭代求解有限差分方程组SSOR求解子程序包SOR采用连续超松弛迭代求解有限差分方程组4关于MODFLOW软件说明书美国地质调查局M.G.Mcdonald和A.W.Hatbaugh于1988年出版了MODFLOW使用说明书，1998年美国国际联合发射公司郭卫星博士和美国阿拉巴马大学卢国平博士将该书编译成中文，全书由南京大学地球科学系朱学愚教授审阅（尚未出版）1。该书的内容主要由3个部分组成： 第一部分，着重介绍在MODFLOW中使用的有限差分法，并对MODFLOW程序的总体结构作一介绍。第二部分，对1988年版MODFLOW中所包括的各个子程序包逐一进行了说明，介绍内容包括：概念和程序化；输入数据的种类及格式。对每个子程序的说明分两方面：主要对该子程序包所代表的水文地质过程、概念以及数学表达加以介绍。如在河流子程序包中，首先介绍河流与含水层之间的水力联系，然后讨论如何定量表示这种水力联系，推导出通过河床的地下水渗流近似计算公式,最后介绍如何将这个计算公式应用于有限差分公式。对输入数据的种类、定义、输入的方法及格式进行说明。在对每个子程序包说明的最后，还列出了各项输入数据的定义，以供用户参考，同时还给出了输入文件的例子。第三部分，对几种常用的迭代求解方法的基本概念和在MODFLOW中使用的输入格式作了说明。最后，介绍了一些对MODFLOW计算结果的处理。 5MODFLOW在我国的推广David M.Diodato在1998年的Groundwater杂志上就MODFLOW软件的帮助文件MFH（MODFLOW Help File）进行了介绍，任何人只要花25美元就可以从INTERNET网页上卸载该帮助文件，有助于你了解和使用这些软件的功能，其网址为http：www.M/rbwinston/modhelp.htm1。鉴于MODFLOW的种种优点以及应用的广泛性，将MODFLOW程序的使用说明书翻译成中文以便我国水文地质工作者学习使用是非常必要的。1998年7月，由南京大学朱学愚教授和美国郭卫星博士联合发起，在南京大学组织进行了首次教学与应用培训并赠送了软件，收到了良好的效果。随着经济建设的发展，地下水资源的开发、利用和保护已显得日益重要。同时，随着电子计算机的普及，地下水运动的数值模拟也成为水文地质工作中一种经济、迅速、定量程度高的工作手段。在我国推广MODFLOW，无疑将有助于促进我国水文地质工作吸收国外的先进技术和经验，增强对外交流。同时，我国水文地质工作者在使用MODFLOW过程中不断总结提高，也必将对MODFLOW有所改进和提高。作者简介：蒋亚萍，女， 1965年3月生, 1987 年毕业于南京大学