GMS软件模块介绍-方便地下水数值模拟

功能齐全的GMS软件除了包含MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEAWAT、SEEP2D、NUFT、UTCHEM、PEST等主要计算模块外,还包含MAP、Borehole Data、TINs、Solid、2DMesh、Grid等辅助模块。

1.MODFLOW

MODFLOW是美国地质调查局(United States Geological Survey,USGS)于20世纪80年代开发的一套用于孔隙介质中地下水流的三维有限差分数值模拟程序(Harbaugh,2005)。MODFLOW自从发布以来,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、蒸发和补给等水文过程对非均质和复杂边界条件的地下水流系统的影响。MODFLOW包括水井、补给、河流、沟渠、蒸发蒸腾和通用水头边界6个子程序包,分别用来处理相关的水文地质条件。随着新功能子程序包的不断加入,如模拟水位下降引起地面沉降的子程序包、模拟水平流动障碍(Horizontal-flow barrier)的子程序包等,MODFLOW的应用范围不断扩大。实践证明,经过合理的线性化处理,MODFLOW还可用于模拟空气在土壤中的运动过程。

2.FEMWATER

FEMWATER是由两个程序3DFEMWATER和3DLEWASTE合并而成,前者是地下水水流模块,后者是溶质运移模块,分别利用有限单元法来求解地下水流和溶质运移控制方程(Lin等,1997)。FEMWATER能够用于模拟饱和和非饱和条件下的三维水流和溶质运移过程,还可用于模拟海水入侵等变密度的溶质运移过程。

3.MT3DMS

MT3DMS用于模拟地下水系统中的对流、弥散和化学反应的三维溶质运移过程。GMS中MT3DMS需和MODFLOW联合使用。MT3DMS(Zheng和Wang,1999)是目前国际上最为通用的溶质运移模拟程序,为三维地下水溶质运移模拟程序MT3D(Zheng,1990)的修改版。MT3DMS能够模拟地下水溶质运移过程中的对流、弥散、衰减、化学反应、线性与非线性吸附等现象。MT3DMS提供了多种数值求解方法,如采用加速格式的广义共轭梯度(GCG)方法求解线性方程、采用三阶总变差减小(TVD)方法等求解对流项。

4.RT3D

RT3D是处理多组分反应的三维溶质运移模块,适用于模拟自然衰减和生物恢复过程。RT3D能够模拟地下水中污染物的自然降解过程,重金属、石油烃等在地下水中的迁移过程等。该模块具有较高的灵活性,用户可以自己指定反应动力学表达式或者从6个预先编好的程序包中选择一套。这些预先编好的程序包包括:①烃和氧的反应过程;②使用多个电子接受体(如O2、NO3-、Fe2+、SO2-4、CH 4)模拟烃的生物降解过程;③使用多个电子接受体模拟惰性烃的生物降解过程;④限制速度的吸附反应过程;⑤模拟有细菌参加的、给电子体和电子接受体两者间反应的双重莫诺模型(Monod Model);⑥PCE/TCE的好氧、厌氧生物降解过程。

5.SEAM3D

SEAM3D为模拟复杂生物降解问题(包括多酶、多电子接收器)的模块。SEAM3D在MT3DMS模块的基础上增加了先进的烃降解模型。它包含NAPL溶解包和多种生物降解包,NAPL溶解包通过指定每种污染羽的浓度和分解速率,可以模拟飘浮在地下水面上的NAPL污染羽在含水层中的迁移过程;生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应。

6.MODPATH

MODPATH为模拟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块。该模块与MODFLOW联合使用,其根据MODFLOW计算得到的流场,追踪一系列虚拟粒子来模拟从用户指定地点溢出污染物的运动轨迹。这种追溯跟踪方法可用于描述给定时间内井的截获区。MODPATH可以使用向前或向后追踪技术来模拟单井抽水的影响范围。

7.SEAWAT

SEAWAT为三维变密度地下水模拟模块,包括多组分溶质运移模型和热量运移模型(Langevin等,2003)。它由美国地质调查局(USGS)在MODFLOW和MT3DMS的基础上开发得到。SEAWAT主要用于解决沿海地区海水入侵及内陆地区咸(卤)水入侵问题。SEAWAT包括两个额外的程序包:变密度流(VDF)和变黏滞度(VSC)。GMS中SEAWAT的使用需结合MODFLOW和MT3DMS。

8.SEEP2D

SEEP2D是用于计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模块。它可用于模拟承压和无压流问题,也可模拟饱和、非饱和流问题;对无压流问题,模型可只局限于饱和带。根据SEEP2D的结果能确定坝体中的潜水面,显示渗流网格的流线、等水位线及计算渗漏量。

9.NUFT

NUFT是三维多相不等温水流及物质运移模块,它适用于解决包气带相关问题,如包气带中多组分污染物运移问题,以及CO2地质储存问题等。NUFT模块综合考虑热量、水流、化学组分(包括挥发性有机物)等因素间的相互作用,利用有限差分方法求解三维条件下的水-热-溶质耦合模型。(www.xing528.com)

10.UTCHEM

UTCHEM为多相流模拟模块,适用于使用表面活性剂进行含水层修复治理的模拟,是一个已经被广泛运用的成熟模型。UTCHEM最初用于模拟表面活性剂提高石油污染的修复效率,进行修正后可用于受NAPL污染含水层的修复模拟,可用于野外场地和实验室尺度的修复过程模拟。

11.PEST

PEST为自动调参模块。进行参数自动估计时,运用PEST来调整选定的参数,重复进行MODFLOW、FEMWATER等模块的计算,直到计算结果和野外观测值相吻合。PEST由Water mark Computing公司开发,具有强大的、独立的参数估计功能。它利用多个强健的数值反演算法来“控制”运行中的模型,程序在每次运行之后自动调整所选择的模型参数,直到将校正的目标最小化为止,其灵活性、稳定性和可靠性优于其他的参数估计程序。此外,PEST包含许多独特的分析能力,它允许对每个模型参数设置上下限,以确保参数的合理可信;模型参数可以是可调的、固定的或与其他参数相关联的。

12.MAP

MAP可让用户快速建立概念模型。在MAP模块下,以TIFF、JEPG等图件为底图,在底图上直接描绘代表源汇项、边界、含水层参数分区的点、曲线、多边形,快速建立概念模型。

13.Borehole Data

钻孔数据(Borehole Data)用于管理样品和地层两种格式的钻孔数据。样品数据用于绘制等值面和等值线;地层数据用于建立TIN、实体和三维有限元网格。

14.TINs

TINs即三角不规则网络(Triangulated Irregular Net works),通常用于表示相邻地层的界面,多个TINs可用于建立实体(Solid)模型或三维网格。

15.Soild

实体(Solid)是在不规则的三角形网络(TIN)建立完成之后,通过转换生成的代表实际地层的三维立体模型。

16.2DMesh

2DMesh是一种二维投影网格,在概念模型的初步设计阶段创建并用于确定外部边界条件设置。当2D Mesh创建后,加入适当的纵向网格空间性质,从而生成3DMesh。这两个辅助模块主要用于SEEP2D和FEMWATER两个计算模块。

17.Grid

Grid模块用于建立网格。其中3DGrid模块的使用范围最广泛,可用于MODFLOW、MT3DMS、RT3D、MODPATCH和UTCHEM等计算模块。

18.Scatter Points

Scatter Points为GMS散点数据导入模块,可以根据需要将二维或三维散点数据转入Mesh和Grid模块。