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常用地下水模拟软件简介
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
MODFLOW
、
MODPATH
、
MT3D
、
FEMWATER
、
RT3D
、
SEEP2D
、
SEAM3D
、
UTCHEM
、
PEST<
/p>
、
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
< br>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。
1
GMS
各模块功能简介
GMS
由
MODFLOW
、
MODPATH
、
MT3D
、
FEMWATER
、
SEEP2D
、
SEAM3D
、
RT3D
、
UTCHEM
、
PEST
、
UCODE
、
MAP
、
SUBSU
R-FACECHARACTERIZATION
、
Boreh
oleData
、
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。<
/p>
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。
FEMW
ATER
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
27<
/p>
种物质的
运移和相互作用。它包含有
NA
PL(nonaqueous phase liquid
，非水相
)
溶解包和多种生物
降解包，
NA
PL
溶解包用于准确地模拟作为污染源的飘浮状
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。
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，
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<
/p>
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。
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。
MAP
可使用户快速地建立概念模型。在
< br>MAP
模块下，以
TIFF
、<
/p>
JEPG
、
DXF
等图文件
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，点位置可以确定井的抽水数据或污染物点源，折线可以确定河流、排泄
等模型
边界，多边形可以确定面数据，如湖、不同补给区或水力传导系数区，快速建立起
概念
模型。一旦确定了概念模型，
GMS
就自动建立网格，将参数分配到相应的网格并可对
概念模型进行编辑。
SUB SURFACE CHARACTERIZATION(
地质特征
)
被用来建立三角形不规则网
(TINs)
和
实体
(S
olid)
模型，显示钻孔数据。
钻孔数据
(Borehole Data)
用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来做
等值面和等值线，推出
地层。地层数据用来建立
TIN
、实体和三维有限元网格。
TINs
即三角不规则网络
(Triang
ulated Irregular Net-works)
，通常用来表示相邻地层的
界面，
多
个
TINs
< br>就可以被用来建立实体
(Solid)
模型或三维网格。
TINs
是表示相邻地层单元界面的
面，它是由钻孔内精选的地层界面组成的。一旦建立
了一组
TI
Ns
，
TINs
就可以用来建立实体模
型。
Solid
被用来建立三维地层
模型，任意切割剖面，产生逼真的图像。
GEOSTATIS
TICS(
地质统计
)
模块提供了多种
插值法
(
包括线性法、
Clough-
Techer
法、反
距离加权法、自然邻近法、克立格法和对数
法等
)
，将已有的野外数据转化成可使用的
数据类型，然后被作为输入值分配给模型。可插入二维、三维点数据，产生等浓度面，
从而图示化给出污染晕。
实体
(S
olid)
是在不规则的三角形网络
(TINs)
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。可以任意切割
剖面，产生逼真的图像。
2
GMS
软件的优点
GMS
软件模块多，功能全，几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问
题。同其它类软件相比，
GMS
软件除模块更多之外，各模
块的功能也更趋完善。主要
优点如下：
1)
概念化方式建立水文地质概念模型。进行地下水数值模拟时，一般包括建立水文地
质
概念模型、建立数学模型、求解数学模型、模型识别以及模型预报等几个步骤。其中水
文地质概念模型的建立是至关重要的一步，它是建立数学模型的基础，
< br>是整个模拟的前
提。
使用
GMS
软件建立概念模型时，
除了常用的网格化方式外，
多了一种概念化方式。
概念化方式是先采用特征体
(
包括点、曲线和多边形
)
来表示模型的
边界、不同的参数区
域及源汇项等，然后生成网格，再通过模型转换，就可以将特征体上
的所有数据一次性
转换到网格相应的单元和结点上。由于网格化方式要求对每个单元进行
编辑，过程比较
繁琐，因此通常只适合于创建一些简单的概念模型；而概念化方式是对实
体直接编辑，
且可以以文件形式来输入、处理大部分数据，而没有必要逐个单元地编辑数
据，因此对
于实际应用中比较复杂的问题，采用概念化方式更简便、快捷。用这种方式建
立起来的
水文地质概念模型用不同的多边形来表示不同的参数值区域。
< br>在随后的参数拟合过程中，
即可直接对这些相应的多边形进行操作，
而无需对此多边形内的每一个网格都重复进行
同一操作。
2)
前、后处理功能更强。在前处理过程中，
GMS
软件可以采用
MODFLOW
等模块的输
入数据并自动保存为一系列文件，以便在
GMS
菜单中使用这些模块时可方便而直接地
调用，
且实现了可视化输入。
同时
MODFLOW
等模块的计算结果又可以直接导入到
GMS
中
进行后处理，实现计算结果的可视化。
GMS
软件除了可直接绘
制水位等值线图外，
还可以浏览观测孔的计算值与观测值对比曲线以及动态演示不同应力
期、
不同时段水位
等值线等效果视图。
3)
版本不断更新，
功能不断完善。<
/p>
和众多地下水数值模拟软件不同的是，
GMS
软件不是
一经开发后就变化不大，
而是在快速动态中不断完
善。该软件通过版本的升级来不断补
充新的应用程序、不断完善各模块的功能。短短两年
时间内，其
3.1
版较
3.0
版添加了
程序模块，新增了可识别
*.JPEG
格式的图形文件、批处理抽水井和观测
孔数据及对数插值等功能。而目前最新的
4.0
版更是将可用于
模拟地下水含水层空间分
布的转移概率统计程序包
TPROGS
集成进来，使
GMS
软件的功能得到进
一步加强。
3.2 Visual MODFLOW
Visual
MODFLOW
是综合已有的
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。
Vis
ual MODFLOW
最大的特点是易学易用。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
< br>择的对象。
Visual MODFLOW
分为输入模块、运行模块和输出模块。这些模块之间紧密连接以建
立或调整
模型输入参数、运行模型、显示结果
(
以平面和剖面形式
)
。
输入模块作为
建模之用。地下水水流和
(
或
)
运移模型的输入数据文件的建立过程通常是
最耗时、最繁琐的工作。<
/p>
Visual
MODFLOW
的特别设计将模拟的复杂性降到最小，用
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