地下水模拟中的常用软件

吉吉 · 发表于 2011-12-20 10:27

摘要：本文主要介绍了当前地下水应用模拟软件的开发方向和程度，较为系统地说明了常用软件的利用特点，为地下水模拟提供技术支持。

关键词：地下水模拟软件

目前，计算机技术正呈现日新月异的发展态势并深刻影响着科学技术的各个领域，也推动着地下水信息化的发展，通过了解国内外的地下水应用模拟软件的动态，能够及时的了解当前地下水的研究方向和现状，因为软件的应用代表着行业信息化的发展程度，认识和分析当前的科技成果，对我们的研究工作有特殊的意义。

当前应用于地下水模拟领域内的常用软件：

1、MODFLOW (The modular finite –difference groundwater flow model)是由美国地质调查局(ＵＳＧＳ)开发的用来模拟地下水流动和污染物迁移等特性的计算机程序，MODFLOW使用有限差分方法。其局限是仅在DOS模式下运行。在MODFLOW的基础上，各国研究人员又开发了可视化的扩展型软件Visual MODFLOW。Visual MODFLOW是由加拿大waterloo hydrogeologic Inc.在MODFLOW软件基础上,应用现代可视化技术开发研制的,1994年8月首次在国际上公开发行，该系统目前国际上流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟的标准可视化专业软件系统。可应用于评价地下水安全供水量、评价地下水修复系统、优化灌溉抽水量等方面。

Visual MODFLOW 的最大特点是功能强大同时易学易用，合理的菜单结构，友好的可视化交互界面和强大的模型输入输出支持，使之成为许多地下水模拟专业人员的选择对象。

2、MT3D99是郑春苗博士设计开发的模拟三维地下水溶质运移程序MT3D(1990)的升级版，MT3D99的易于使用、精确、快速的优良性能使得它获得了政府有关部门、地下水研究咨询公司以及用户的广泛认可，成为目前世界上首屈一指的溶质运移模拟软件。

MT3D99能够模拟地下水系统中的平流、扩散、衰减、溶质化学反应、线性与非线性吸附作用等现象，能够对承压含水层，不承压含水层，承压与不承压交替的含水层以及倾斜的和单元厚度变化的含水层进行空间离散。

MT3D99提供了丰富的求解方法。一个隐含求解方法是基于带高效Lanczos/ORTHOMIN加速格式的广义共轭梯度法的迭代求解方法，能够花费比传统方法少得多的机时来求解范围广泛的问题。MT3D99采用了三阶TVD(total-variation-diminishing)格式用于求解对流项，具有保持质量守恒和使数值弥散和人为振动最小化的特点，在其它求解技术失败时，此格式往往是有效的。MT3D99还将三种常用的运移求解技术结合在统一的代码中，这三种求解方法是：标准有限差分法、基于Eulerian-Lagrangian的粒子跟踪方法和高阶有限体积TVD方法。这种灵活性确保了每一个问题都能按照所要求的精度和效率用最可能好的方法解决。

3、FEFLOW是由德国Wasy水资源规划系统研究所研制开发的地下水模型软件包。它采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维稳定、非稳定流和污染物运移模拟，颗粒跟踪和流线模拟；带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学物质运移;考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移;并可对污染物和温度场同时进行模拟。对于多含水层的混合井流分析，FEFLOW 有多种理论模式进行选择：多层井的水量按照导水系数分配；运用达西、泊松以及manning-strickler理论的离散单元分析，理论上比较完善，并且可以根据模型的要求进行选择。

Visual MODFLOW以其求解方法的简单实用、适应范围的广泛及可视化功能的强大正成为最有影响的地下水模拟平台环境，其使用范围还将会不断扩大。然而实践证明，它往往并不适合某些复杂的地质条件、不饱和流动、密度变化的流动(海水入侵)、热对流等棘手的问题。由于FEFLOW是为满足专门从事复杂地下水模拟工程的专家对技术的要求而设计的，因此，在这些Visual MODFLOW及其它主流软件陷于困境的问题中，它更可以发挥其独特的作用。

FEFLOW是现有的功能最复杂的、模拟多孔介质中饱和及非饱和地下水流和溶质运移的有限元软件包。它包括有交互式图形、GIS界面、数据分区化、可视化工具以及强大的数值技术。这使得它在建立有限元剖分网格、给模型赋参数值、设定边界条件、进行模拟计算和结果可视化等方面都保持更高的效率。

4、HST3D是一个三维热及溶液运移模型(3D Heat &Solute Transport Model)。可以模拟三维空间地下水流及有关的热、溶液运移,进行地质废物处置、填埋物浸出、盐水入侵、淡水回灌与开采、放射性废物处理、水中地热系统和能量储藏等问题的分析。但HST3D迄今为止还是DOS版本，三维可视化方面有待提高。

5、Visual Groundwater是一个功能强大的三维可视化与动画模拟软件，可以将包括钻孔或水质浓度数据在内的野外观测数据进行高质量的三维图形化展示。可应用于展现土壤或地下水污染羽的空间分布范围，显示复杂的土壤岩性及钻孔位置信息，利用野外现场的描述性数据绘制表面图等方面。

它包含任意格式的X、Y、Z数据转换工具，可以从以Tab制表符、逗号、空格或分号作为分隔符的ASCII文本文件中读入并识别时间序列的X、Y、Z数据。在任意数据转换工具中，可以选择使用距离反比插值法或自然邻近插值法。支持从其它任何数值模拟程序中导入X、Y、Z数据文件。将您的X、Y、Z水头或浓度数据导入到Visual Groundwater中。可以支持的模拟程序包括：Visual MODFLOW、FEFLOW及GMS。

其主要特点为：可通过定义并生成不透明或透明的等浓度面来将“热点”地区的数据展示出来；将场地地图（DXF）叠加在彩色的等值面图之上，可以将所谓的“热点”区域与道路、建筑物、地界线等联系起来；通过动画演示时间序列数据来展示土壤或地下水中化学物质 “实时”的运移或衰减过程；利用文字标注以及多种彩色的形状符号，例如立方体、球体或四面体来突出显示离散的数据点；自定义的参数设置信息（包括动画及旋转）可以保存到程序特定的配置文件中。

6、GMS(Groundwater Modeling System)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、用于地下水模拟的图形界面软件。是一个集各类软件于一体的，能够从钻孔到地层结构、从平面到空间、从单元到系统的综合性、系统性、全面性的软件。不仅具有地下水流模拟、地下水溶质运移模拟的功能，其在实现水文地质结构可视化方面功能亦同样突出。

GMS特点：

(1)便捷的图形界面

由于网格化方式要求对每个单元进行编辑，过程比较烦琐，因此通常只适合创建一些简单的概念模型。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。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、后处理功能强大

在前处理过程中，GMS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。特别要提到的是，GMS提供了一个内嵌的计算器，可以随时对其中的各种数据序列进行运算，例如后面将要建立的参数随机模型，在模型运行结束后，还需要对其随机解进行统计分析计算，这时计算器就会发挥强大作用。

(3)自检查功能

在地下水数值模拟中，我们建立的模型不可避免的有不合理或疏漏之处，如果模型复杂，常常会运行出错却不能找到错在哪里。针对这个问题，GMS提供了一个自检查的功能，在建立模型而未运行前，先运行自检查，它会列出模型设置不合理或可能存在问题的信息，对于我们调试模型提供了极大的方便。