MT3DMS建模过程简介

1.建立溶质运移模型

构建溶质运移模型之前须已建立水流模型。MT3DMS采用块中心的有限差分网格来对模拟区进行离散,其节点位于每个网格的中心。计算时,首先采用某种地下水流数值模型(如MODFLOW)确定模拟区各节点处水头,然后将水头模拟结果作为MT3DMS的输入数据,通过求解对流-弥散方程即可得到网格节点处污染物浓度随时间的变化规律。建立溶质运移模型,一般包括以下步骤。

(1)确定模拟区范围。MT3DMS一般建立在MODFLOW模型基础之上,因此模拟区范围应当与MODFLOW模拟区范围一致。MODFLOW模型中对应于污染晕范围的流速(水头)数据被用于MT3DMS模块的输入。

(2)边界条件的概化。MT3DMS模块有三类边界条件:指定边界浓度条件、指定边界上的浓度梯度条件和同时指定边界浓度与浓度梯度的边界条件。这与MODFLOW中的三类边界条件并非对应关系,在使用时应当注意。

指定边界浓度条件通常代表溶质的源。例如,积聚有大量NAPL(非水相流体)的模型单元,通常可按指定浓度单元处理,NAPL积聚区附近地下水中的溶解度长期保持NAPL的溶解度,并且基本是常数。对于有一口注水井的单元,如果注入流量快速充满单元的孔隙体积,通常也可按指定浓度处理,该情况下的指定浓度为所注入水中的浓度(郑春苗和Bennett,2009)。

不透水边界和潜水面可视为指定浓度梯度边界条件。水流模拟中的零流量边界通常可以作为溶质运移模型中的零质量通量边界,因为零流量边界的对流迁移量为零,溶质质量弥散通量很小,可以忽略。如果边界条件有溶质流场,即边界单元的作用与汇的作用相同,在这种情形下,不需要指定单元的类型,把这类边界称为“自由质量出流”边界。

(3)源汇项的概化。MT3DMS与MODFLOW对源汇项的概化基本相似。MT3DMS中的源汇项主要包含井、渠、河流、入渗补给、蒸发蒸腾及通用水头边界等,这些模块可以根据模拟区的实际情况进行选择。值得注意的是,某些过程虽然作为溶质源处理,但并非水流和溶质运移控制方程中的水力源,处理时可认为它们不会对流场产生显著影响(郑春苗和Bennett,2009)。

模拟前需要指定污染源处的浓度。蒸腾作用与一般的汇不同,蒸腾只消耗水分而不影响溶质,因此蒸腾的浓度可以视为零。一些类型的源浓度会随时间变化,常见的有浓度-时间函数,模拟时要分时段输入污染物的浓度。

(4)含水层系统结构的概化。MT3DMS是在MODFLOW的基础上建立,因此对含水层结构的概化方式与MODFLOW相同。

(5)水文地质参数分区。根据室内实验、抽水试验或其他野外试验求得的孔隙度、弥散度(横向弥散度和纵向弥散度)等水文地质参数,并结合地貌、岩性等特征,建立水文地质参数分区,对不同分区给定水文地质参数,并作为溶质运移模型识别计算的初始值。在模型识别过程中,可对分区以及参数进行调整,但应与水文地质特征相符。MT3DMS参数赋值方式与MODFLOW相同。

根据经验,当缺乏场地的实测数据时,水平横向弥散度取值应该比纵向弥散度约小一个数量级,垂直横向弥散度取值应比纵向弥散度约小两个数量级(郑春苗和Bennett,2009)。

(6)水力特征概化。MT3DMS的地下水流水力特征与MODFLOW相同,对于准三维含水层情况,即在水流模拟中隔水层或弱透水层仅用上覆及下伏透水层之间的垂向导水率表示,这将忽略低渗透含水层的储水效应,如果隔水层或弱透水层存储或释放溶质,会导致相邻含水层浓度计算值过大或过小。(www.xing528.com)

(7)初始条件概化。溶质运移模型需要设置初始条件,即初始时刻的浓度值或初始时刻污染晕的浓度分布。对于重现现有污染晕从最初到目前的演变过程,初始浓度常常取零或该区的背景值。对于评价现有污染晕的扩散或者对治理措施的响应,需要以现有污染晕的浓度分布作为初始条件。通常浓度监测数据是有限的,一般借助插值方法或地质统计学工具生成现有污染晕的浓度分布。

2.选择合适的模拟程序包

(1)基本程序包。MT3DMS在基本程序包(Basic Transport Package)中定义整个模拟过程中需要的基本数据,包括单位、溶质类型、单元类型、初始浓度、应力期、输出内容等;MT3DMS中提供的可选程序包有5个:对流子程序包(Advection Package)、弥散子程序包(Dispersion Package)、源汇项子程序包(Source/Sinkmixing Package)、化学反应子程序包(Chemical Reaction Package)、运移监测子程序包(Transport Observation Package)。可以根据具体的研究问题选择合适的子程序包。

(2)求解程序包。MT3DMS中采用了混合Euler-Lagrange方法来求解对流弥散方程。弥散项的求解采用常规的有限差分方法,而对流项的求解方法有5种:质点向前追踪特征线方法(MOC)、向后追踪特征线方法(MMOC)以及两者的结合-混合特征线方法(HMOC)、三阶总变差减小方法(TVD)和标准有效差分法。当前最常用的是三阶总变差减小方法。

(3)源汇项子程序包。GMS选项卡中将外部源汇项(边界条件)和内部源汇项放在一起供用户选择。在源汇项子程序包内可定义源汇项的类型及浓度数据,包括井、渠、河流、蒸发、入渗补给等。应当根据模拟区的水文地质条件选择相应的程序包。

3.数值模拟模型的建立

MT3DMS的时间剖分和空间离散与MODFLOW的原则基本相同。对于污染晕而言,很难在应力期内达到稳定,因此大多数的模拟须按非稳定模型处理。在非稳定溶质运移模拟中需要将总模拟时间离散为应力期,每个应力期对应的指定污染物浓度为常量。应力期可依次划分为一个或多个时间步长。溶质运移的时间步长通常比水流模拟的更小,水流模拟的一个时间步长可能对应于几个更小的溶质运移模拟时间步长,从而降低数值弥散或人为振荡。

通过GMS建立溶质运移概念模型之后,需将溶质运移模型中定义的属性数据转换到所剖分的网格单元和结点上,即把溶质运移概念模型转化为数值模拟模型,通过GMS来实现对模拟区的计算。

4.模型运行

(1)模型检查。与MODFLOW相同,GMS对溶质运移模型进行求解前,需要对模型进行检查。

(2)模型运行。如果模型检查无误,可以直接运行MT3DMS。运行结束之后,在GMS的可视化界面中将显示指定时间的模拟区指定污染物浓度分布图。可以根据需要调整输出图像的内容及均衡项等信息。