地下水数值模拟任务、步骤及常用软件

一、地下水模拟任务

大多数地下水模拟主要用于预测，其模拟任务主要有4种：

1)水流模拟

主要模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。

2)地下水运移模拟

主要模拟地下水、热和溶质组分的运移速率。这种模拟要特别考虑到“优先流”。所谓“优先流”就是局部具有高和连通性的渗透性，使得水、热、溶质组分在该处的运移速率快于周围地区，即水、热、溶质组分优先在该处流动。

3)反应模拟

模拟水中、气-水界面、水-岩界面所发生的物理、化学、生物反应。

4)反应运移模拟

模拟地下水运移过程中所发生的各种反应，如溶解与沉淀、吸附与解吸、氧化与还原、配合、中和、生物降解等。这种模拟将地球化学模拟(包括动力学模拟)和溶质运移模拟(包括非饱和介质二维、三维流)有机结合，是地下水模拟的发展趋势。要成功地进行这种模拟，还需要研究许多水-岩相互作用的化学机制和动力学模型。

二、模拟步骤

对于某一模拟目标而言，模拟一般分为以下步骤：

1)建立概念模型

根据详细的地形地貌、地质、水文地质、构造地质、水文地球化学、岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等，确定所模拟的区域大小，含水层层数，维数(一维、二维、三维)，水流状态(稳定流和非稳定流、饱和流和非饱和流)，介质状况(均质和非均质、各向同性和各向异性、孔隙、裂隙和双重介质、流体的密度差)，边界条件和初始条件等。必要时需进行一系列的室内试验与野外试验，以获取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。

2)选择数学模型

根据概念模型进行选择。如一维、二维、三维数学模型，水流模型，溶质运移模型，反应模型，水动力-水质耦合模型，水动力-反应耦合模型，水动力-弥散-反应耦合模型。

3)将数学模型进行数值化

绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。常用数值化有有限单元法和有限差分法。

4)模型校正

将模拟结果与实测结果比较，进行参数调整，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。调参过程是一个复杂而辛苦的工作，所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。所幸的是，最近国外已花费巨力开发研究了自动调参程序(如PEST)，大大提高了模拟者的工作效率。

5)校正灵敏度分析

校正后的模型受参数值的时空分布、边界条件、水流状态等不确定度的影响。灵敏度分析就是为了确定不确定度对校正模型的影响程度。

6)模型验证

模型验证是在模型校正的基础上，进一步调整参数，使模拟结果与第二次实测结果吻合，以进一步提高模型的置信度。

7)预测

用校正的参数值进行预测，预测时需估算未来的水流状态。

8)预测灵敏度分析

预测结果受参数和未来水流状态的不确定度的影响。灵敏度分析就是定量给出这些不确定度对预测的影响。

9)给出模拟设计与结果

10)后续检查

后续检查在模拟研究结束数年后进行。收集新的野外数据以确定预测结果是否正确。如果模拟结果精确，则该模型对该模拟区来说是有效的。由于场址的唯一性，故模型只对该模拟区有效。后续检查应在预测结束足够长的时间后进行，以便有足够的时间发生明显的变化。

11)模型的再设计

一般来说，后续检查会发现系统性能的变化，从而导致概念模型和模型参数的修改。一般来说，所有模拟研究都应该进行到第五步，即校正灵敏度分析。

三、常用模拟软件简介

3.1 GMS

地下水模拟系统(GroundwaterModeling 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、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、SUBSUR-FACECHARACTERIZATION、BoreholeData、

TINs(Triangulated Irregular Nets)、Solid、GEO-STATISTICS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。

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。

FEMWATER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种物质的运移和相互作用。它包含有NAPL(nonaqueousphase liquid，非水相)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MAP模块下，以TIFF、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 SURFACECHARACTERIZATION(地质特征)被用来建立三角形不规则网(TINs)和实体(Solid)模型，显示钻孔数据。

钻孔数据(BoreholeData)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(TriangulatedIrregular Net-works)，通常用来表示相邻地层的界面，多个TINs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TINs，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。

GEOSTATISTICS(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(Solid)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，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。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。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PEST.UCODE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 VisualMODFLOW

VisualMODFLOW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。VisualMODFLOW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择的对象。

VisualMODFLOW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。VisualMODFLOW的特别设计将模拟的复杂性降到最小，用户的工作效率达到最高。输入模块包括网格设计、抽水井、参数、边界条件、质点、观察井、区段预算等。

运行模块可使用户选择、调整MODFLOW、MODPATH、MT3D和RT3D的运行时间，开始模型计算并进行模型校正。模型校正既可用手工进行，也可用WinPEST自动进行。WinPEST是PEST的WINDOWS版本。输出模块可自动地阅读每次模拟结果，可输出等值线图、流速矢量图、水流路径图、区段预算和打印，并可借助VisualGroundwater软件进行三维显示和输出，如三维等值面和三维路径。

3.3 VisualGroundwater

VisualGroundwater[4]是由加拿大Waterloo水文地质公司开发的地下数据和地下水模拟结果三维可视化与动画软件。可显示和打印地层、土壤污染、水头、地下水物质浓度和地下水模拟的三维结果，计算污染土壤和地下水的体积。

3.4 PHREEQC

PHREEQC[5]是用C语言编写的进行低温水文地球化学计算的计算机程序，可进行正向模拟和反向模拟，几乎能解决水、气、岩土相互作用系统中所有平衡热力学和化学动力学问题，包括水溶物配合、吸附-解吸、离子交换、表面配合、溶解-沉淀、氧化-还原。正向模拟能根据给定的反应机理来预测水的组分和质量的转移，可进行下列计算：

1)配分和饱和指数计算；

2)一次投药反应和一维运移计算，包括可逆和不可逆反应，双重介质的对流、弥散(扩散)和反应耦合。其中，可逆反应包括水溶物、矿物、气体、固溶体、表面配合和离子交换平衡；不可逆反应包括给定物质的量的反应物、动力学控制的反应、溶液混合、温度变化。动力学反应既可以是程序中已给出的反应表达式，也可以是用户自定义反应表达式。

反向模拟根据观测的化学和同位素资料来确定水-岩反应机理，说明沿水流路径演化时所发生的化学变化，即计算造成水流路径上初始和最终水组分差异所必须溶解或析出的矿物和气体物质的量。

PHREEQC由输入、运行、输出3个模块组成。

输入是由关键词数据块组成的。每一数据块都是从带有关键词(和其它可能附加数据)的行开始的，以后各行都是与关键词有关的数据。每一个数据块都是按一定的句法组成的自由格式。在运行开始时，PHREEQC从数据文件中阅读关键词及其相关数据，以确定元素、交换反应、表面配合反应、矿物相、气体组分和速率表达式。从数据中所阅读到的任何数据项都可以在输入文件中用关键词数据块重新确定。阅读了数据文件后，就从输入文件中阅读数据直至遇到第一个END关键词，然后进行运算；之后，又阅读数据文件，直至第二个END关键词，进行运算，如此继续到最后一个END关键词。这种由END结尾的关键词数据块确定的运算称之为模拟分析。运行就是这一系列模拟分析。

PHREEQC有一个强大的热力学数据库供输入和运行使用。PHREEQC共有phreeqc.dat、wateq4f.dat、winteq.dat3个数据库。每一数据库均有水溶液主要组分，水溶液一般组分，相(气体和矿物)、表面主要组分和表面一般组分数据块。phreeqc.dat和wateq4f.dat还有交换器主要组分、交换器一般组分和反应速率数据块。其中wa-teq4f.dat包括48种元素、400多种组分、300多种矿物。

PHREEQC中水溶组分的活度系数计算采用Davies和WATEQDebye-Hückel公式，分别适用的离子强度为小于0.5和1mol/L。

3.5 HST3D

HST3D是一个三维热及溶液运移模型(3DHeat&SoluteTransport 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。具体地说，可进行以下工作：

1)评价井的性能，包括井孔类型；

2)分析密度和粘变可变的饱和区水力驱动流、热和溶液运移；

3)进行地下水水流、热或溶质运移耦合模拟或单独进行地下水流模拟；

4)预测化学组分迁移，包括填埋场污染物运移；

5)预测废物向盐水含水层的注入；

6)分析盐水含水层中淡水及滨海含水层盐水入侵；

7)分析含水层中液相地热系统和热储藏；

8)模拟原生水中海水处置及迁移；

9)模拟复杂的三维含水层中单组分污染物的迁移；

10)模拟水障、底垫和水质保护系统。

3.6 TNTmips

TNTmips为图像处理系统，是用于地质空间统计的最先进的软件，包括光栅、矢量、TIN、CAD、地域、数据库和文本等目标模块。可以制作地貌、地质、水文地质、地形、地质构造、卫星遥感、土壤及农业等图，定量刻画出模拟目标的体积、面积、深度和形状等。可用于：

1)矿产储量测绘及其它地质资源评估，如金属矿物、水、砂与砾石、建筑石材、石油、天然气、煤、地热等；

2)危害图测绘，如边坡失稳、塌方、地震、火山爆发、洪水、滨海入侵、环境污染、全球变暖等；

3)工程选址，如废物处置场(都市填埋场、核废物处置井)、管道、公路与铁路、坝、建筑设计等；

4)不同空间数据组环境关联原因探讨，如与废石、土壤、水中地球化学有关的植物、动物或人类疾病事件(疾病可能与空间环境因素的复杂组合有关)；

5)地质研究过程中数据组之间的内在空间关系的探讨，如Ⅰ类和S类花岗岩区域地球化学标记和地球物理特征的探讨，岩性和植被的卫星图像光谱特征的辨识。

四、结论

1)尽管世界上地下水及其相关模拟软件多达数百个，但由于地下水系统的复杂性，到目前为止，还没有任何一种地下水软件能解决一切地下水问题。模拟者应根据自己所从事的研究领域及模拟任务选择合适的软件。上述的GMS、VisualMODFLOW、Visual Groundwater、PHREEQC、HST3D和TNTmips都是比较流行的软件。

2)模拟的关键是概念模型的建立和模型的校正与验证。概念模型的建立是一个非常复杂的过程，即需要充分了解模拟区的地质、构造、水文地质、水文地球化学、岩石矿物、气象、水文、地形地貌、工农业利用等一切与地下水的关系，并明确模拟的任务后，才能建立一个比较合理可靠的概念模型。任何用于预测的模型都必须经过校正和验证，未经校正和验证的模型观测是不能被认可的。

3)任何模型都是建立在一定基础理论之上的，模型的发展与完善也依据于基础理论的完善与发展。在进行地下水模拟过程中不应忽视基础理论的研究和野外现象的观察。

4)根据国外经验，新的模拟软件的开发研究不仅时间长，而且费用高。目前，国际上许多地下水模拟软件能解决较复杂的模拟问题，并随研究的深入作进一步完善。为缩短我国地下水模拟与国外的差距并节省人力和财力，应从国外引进一些软件。

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