数值模拟软件介绍及使用

第六章 地下水数值模拟软件介绍;地下水模拟(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 MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、 MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的软件。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用 模块、工具栏、快捷键和帮助条6部分组成，使用起来非常便捷，下面简要介绍一下各主要模块的功能。界面由图形区、菜单条、工具栏和显式框组成，上端横条为菜单条，左侧为工具栏，包括模块选择区、其中包括模块;MODFLOW 模块 MODFLOW是美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件。MODFLOW自从问世以来，由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化等优点，已被广泛用来模拟井流、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。FEMWATER 模块 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。MT3DMS 模块 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。RT3D 模块 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。;SEAM3D 模块 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。MODPATH 模块 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。SEEP2D 模块 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地下水流动问题; 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。 ;NUFT 模块 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。UTCHEM 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。PEST和UCODE 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。;FEFLOW ( Finite Element subsurface FLOW system );FEFLOW 的应用领域水量模拟: 模拟水源地开采或者油田注水对区域地下水流场的影响、模拟水库放水或者河流断流时, 河道沿线地下水流场的变化等; 水质模拟: 模拟污染物在地下水中的迁移过程及其时间空间分布模式、模拟沿海地区抽取地下水引起的海水入侵等; 温度模拟: 模拟非饱和带以及饱和带温度场的分布。;系统输入特点通过标准数据输入接口, 用户既能直接利用已有的GIS 空间多边形数据生成有限单元网格,也可以基于地图用鼠标设计, 网格的数目可以自己指定, 可以方便地调整网格的几何形状, 增加和放疏网格大小等。用户可以视具体情况定义第一、第二和第三类边界, 而且还可以对边界条件增加特定的限制条件; 能方便地定义复合含水层中的分层开采井和混合开采井以及注水井。所有边界条件及其限制条件、渗透系数、补排量既可设置为常数, 也能定义为随时间变化的函数。FEFLOW提供了克里格(Kriging )、阿基玛Akima ) 和距离反比加权( IDW) 三种方法, 对离散的空间抽样数据进行内插或外推。输入数据格式既可以是ASCII码文件, 也可以是GIS 地理信息系统文件, 如ArcView 的shp 格式。;FEFLOW 先进的数值求解法快速直接求解法, 如PCG,BICGSTAB , CGS, GMRES 以及带预处理的再启动ORTHOMIN法; 灵活多变的up2wind 技术, 如流线up2wind , 奇值捕捉法Shock capturing , 以减少数值弥散