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地下水数值模拟任务、步骤及常用软件
1
地下水模拟任务
大多数地下水模拟主要用于预测，其模拟任务主要有
4
种：
1)
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。
2)
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。这种模拟要特别
考虑到“优先
流”。所谓“优先流”就是局部具有高和连通性的渗透性，使得水、热、溶
质组分在
该处的运移速率快于周围地区，即水、热、溶质组分优先在该处流动。
3)
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。
4)
反应运移模拟
模拟地下水运移过程中所发生的各种反应，
< br>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<
/p>
(
包括非饱和介质二维、
三维流
)
有机结合，
是地下水模拟的发
展趋势。要成功地进行这种模拟，还需要研究许多水
-
岩相互作用的化学机制和
动力学模型。
2
模拟步骤
对于某一模拟目标而言，模拟一般分为以下步骤：
1)
建立概念模型
根据详细的地形地貌、地质、水文
地质、构造地质、水文地球化学、岩石矿
物、水文、气象、工农业利用情况等，确定所模
拟的区域大小，含水层层数，维
数
(
一
维、二维、三维
)
，水流状态
(
稳定流和非稳定流、饱和流和非饱和流
)
，介
质状况
(
均质和非均质、各向同性和各
向异性、孔隙、裂隙和双重介质、流体的
密度差
)
，边界条件和初始条件等。必要时需进行一系列的室内试验与野外试验，
以获
取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。
2)
选择数学模型
根据概念模型进行选择。如一维、二维、三维数学模型，水流
模型，溶质运
移模型，反应模型，水动力
-
水质耦合模型，水动力
-
反应耦合模型，水动力
-
弥散
-
反应耦合模型。
3)
将数学模型进行数值化
绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。
< br>数值化就是将数学模型转化为可
解的数值模型。常用数值化有有限单元法和有限差
分法。
4)
模型校正
将模拟结果与实测结果比较，
进行参
数调整，
使模拟结果在给定的误差范围
内与实测结果吻合。
调参过程是一个复杂而辛苦的工作，
所调整的参数必须符合
模拟区的具体情况。
所幸的是，
最近国外已花费
巨力开发研究了自动调参程序
(
如
PE
ST)
，大大提高了模拟者的工作效率。
5)
校正灵敏度分析
校正后的模型受参数值的时空分布、
边界条件、
水流状态等不确定度的影响。
灵敏度分析就是为了确
定不确定度对校正模型的影响程度。
6)
模型验证
模型验证是在模型校正的基础上，
进一步调整参数，
使模拟结果与第二次实
测结果吻合，以进一步提高模型的置信度。
7)
预测
用校正的参数值进行预测，预测时需估算未来的水流状态。
8)
预测灵敏度分析
预测结果受参数和未来水流状态的不确定度的影响。
灵敏度分析就是定量给
出这些不确定度对预测的影响。
< br>
9)
给出模拟设计与结果。
10)
后续检查
后续检查在模拟研究结束数年后进行。
收集新的野外数据以确定预测结果是
否正确。
如果模拟结果精
确，
则该模型对该模拟区来说是有效的。
由于场址的唯
一性，故模型只对该模拟区有效。后续检查应在预测结束足够长的时间后进行，
< br>以便有足够的时间发生明显的变化。
11)
模型的再设计
一般来说，
后续检查会发现系统性能
的变化，
从而导致概念模型和模型参数
的修改。一般来说，所有
模拟研究都应该进行到第五步，即校正灵敏度分析。
3
常用模拟软件简介
3.1 GMS
地下水模拟系统
(Groundwater Modeling
System)
，
简称
GMS
，
是美国
Brigham
Young University
的环境模型研究实验室和美
国军队排水工程试验工作站在综合
已有地下水模型
MODFLO
W
、
MODPATH
、
MT3D
、
FEMWATER
、
RT3D
、
SEEP2D
、
SEAM3D
、
UTC
HEM
、
PEST
、
< br>UCODE
、
NUFT
等地下水
模型而开发
的可视化三维地下水模拟软件包。
可进行水流模拟、
溶质运移模拟、
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；可视化和打
印二
维
(
三维
)
模
拟结果。其图形界面用起来非常便捷。由于
GMS
软件具有良好
的使用界面，
强大的前、
后处理功能及
优良的三维可视化效果，
目前已成为国际
上最受欢迎的地下水模
拟软件。
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GMS
各模块功能简介
GMS
由
MODFLOW
、
MODPATH
、
MT3D
、
FEMWATER
、
SEEP2D
、
SEAM3D
、
RT3
D
、
UTCHEM
、
PEST
、
UCODE
、
MAP
、
SUB
SUR-FACECHARACTERIZATION
、
Bor
eholeData
、
TINs(Triangulated Irregular Nets)
、
Solid
、
GEO-S
TATISTICS
等模块组成。各
模块的功能如下：
MODFLOW
是世界上使用最广泛的三维
地下水水流模型。专门用于孔隙介
质中地下水流动的三维有限差分数值模拟，
由于其程序结构的模块化、
离散方法
的简单化及求
解方法的多样化等优点，已被广泛用来模拟井流、溪流、河流、排
泄、蒸发和补给对非均
质和复杂边界条件的水流系统的影响。
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质点
示踪模
型。在指定各质点的位置后，
MODPATH
可进行正向示踪和
反向示踪，
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。
MT3D
是模拟地下水中单项溶解组分对流、
弥散和化学反应的三维溶质运移
模型。
MT3D
所模拟的化学反应包括平衡控制的线性和非线性吸附、
一级不可逆
衰变及生物降解。模拟计算时，
MT3D
需和
MODFLOW
一起使用。
FEMWATER
是用来模拟饱和流与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。
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。
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，
也可以模拟饱和与非饱和带的水流，
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。
SEAM3D
是在
MT3D
模型基础上开发的碳氢化合物降解模型，可模
拟多达
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种物质的运移和相互作用。它包含有
NAPL(nonaqueous phase liquid
，非水相
)
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浮状
NAPL
< br>，
生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应。
UTCHEM
是模
拟多相流和运移的模型，
< br>它对抽水和恢复的模拟很理想，
特别适合于表面活化剂
增
加的含水层治理
(SEAR)
的模拟，是一个已经被广泛运用的
成熟模型。
PEST
和
UCODE
是用于自动调参的两个模块。可在给定的观察数据及参数
区内，自动调整参数，如渗透系数、垂直渗漏系数、给水系数、储水系数、抽水
率、传导力、补给系数、蒸发率等，进行模型校正。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。