数值模拟软件介绍及使用.优秀PPT.ppt

第六章第六章 地下水数值模拟软件介绍地下水数值模拟软件介绍1、GMS软件软件2、FEFLOW软件软件3、Visual MODFLOW4、Processing MODFLOW地下水模拟地下水模拟(Groundwater Modeling System)(Groundwater Modeling System)，简称，简称GMSGMS，是，是美国美国Brigham Young UniversityBrigham Young University的环境模型探讨试验室和美的环境模型探讨试验室和美国军队排水工程试验工作站在综合国军队排水工程试验工作站在综合 MODFLOW MODFLOW、FEMWATERFEMWATER、MT3DMSMT3DMS、RT3DRT3D、SEAM3DSEAM3D、MODPATH MODPATH、SEEP2DSEEP2D、NUFTNUFT、UTCHEMUTCHEM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、常用水模拟的软件。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用 模块、模块、工具栏、快捷键和帮助条工具栏、快捷键和帮助条6 6部分组成，运用起来特别便捷，下部分组成，运用起来特别便捷，下面简要介绍一下各主要模块的功能。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、其中包括模块菜单条，左侧为工具栏，包括模块选择区、其中包括模块GMS简介MODFLOW MODFLOW 模块模块 MODFLOW MODFLOW是美国地质调查局于是美国地质调查局于8080年头开发出的一套特地用年头开发出的一套特地用于孔隙介质中地下水流淌的三维有限差分数值模拟软件。于孔隙介质中地下水流淌的三维有限差分数值模拟软件。MODFLOWMODFLOW自从问世以来，由于其程序结构的模块化、离散方自从问世以来，由于其程序结构的模块化、离散方法的简洁化和求解方法的多样化等优点，已被广泛用来模拟法的简洁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困难边界条件的井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和困难边界条件的水流系统的影响。水流系统的影响。FEMWATER FEMWATER 模块模块 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更的三维有限元耦合模型，还可用于模拟咸水入侵等密度变更的水流和运移问题。水流和运移问题。MT3DMS MT3DMS 模块模块 MT3DMS MT3DMS是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维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，溶质运移模型。模拟计算时，MT3DMMT3DM和和MODFLOWMODFLOW一起运用。一起运用。RT3D RT3D 模块模块 RT3D RT3D是处理多组分反应的三维运移模型，适合于模拟自然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复原。衰减和生物复原。SEAM3D SEAM3D 模块模块 SEAM3D SEAM3D用于模拟困难生物降解问题用于模拟困难生物降解问题(包括多包括多 酶，多电子接酶，多电子接收器收器)的模型。它包含有的模型。它包含有NAPLNAPL溶解包和溶解包和 多种生物降解包，多种生物降解包，NAPLNAPL溶解包用于精确地模拟作为污染源的飘羽状溶解包用于精确地模拟作为污染源的飘羽状NAPLNAPL，生物，生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的困难降解反应。降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的困难降解反应。MODPATH MODPATH 模块模块 MODPATH MODPATH是确定给定时间内稳定或非稳定流中是确定给定时间内稳定或非稳定流中 质点运移质点运移路径的三维示踪模型。它和路径的三维示踪模型。它和MODFLOWMODFLOW一起一起 运用，依据运用，依据MODFLOWMODFLOW计算出来的流场，计算出来的流场，MODPATHMODPATH可以追踪一系列虚拟的粒可以追踪一系列虚拟的粒子来模拟从用户指定地点溢出子来模拟从用户指定地点溢出 污染物的运动。这种追溯跟污染物的运动。这种追溯跟踪方法可以用来描述给定踪方法可以用来描述给定 时间内井的截获区。时间内井的截获区。SEEP2D SEEP2D 模块模块 SEEP2D SEEP2D是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模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，型。它可以用于模拟承压和无压流问题，可以模拟饱和和可以模拟饱和和非饱和带的地下水流淌问题非饱和带的地下水流淌问题;对无压流问题，模型可以只局对无压流问题，模型可以只局限于饱和带。依据限于饱和带。依据SEEP2DSEEP2D的结果可以作出完整的流网。的结果可以作出完整的流网。NUFT NUFT 模块模块 NUFT NUFT是三维多相不等温水流和运移模型，它非是三维多相不等温水流和运移模型，它非 常适合常适合用来解决包气带中的一些问题。用来解决包气带中的一些问题。UTCHEMUTCHEM UTCHEM UTCHEM是模拟多相流和运移的模型，它对抽水和复原是模拟多相流和运移的模型，它对抽水和复原的模拟很志向，是一个已经被广泛运用的成熟模型。的模拟很志向，是一个已经被广泛运用的成熟模型。PESTPEST和和UCODEUCODE PEST PEST和和UCODEUCODE是用于自动调参的两个模块。在自动进行是用于自动调参的两个模块。在自动进行参数估计时，交替运用参数估计时，交替运用PESTPEST或或UCODEUCODE来调整选定的参数，来调整选定的参数，并且重复用于并且重复用于MODFLOWMODFLOW、FEMWATERFEMWATER等的计算，直到计算结等的计算，直到计算结果和野外观测值相吻合。果和野外观测值相吻合。MAP MAP可运用户快速地建立概念模型。在可运用户快速地建立概念模型。在MAP模块下，模块下，以以TIFF、JEPG等图件为底图（或应用等图件为底图（或应用SHP格式文件作为格式文件作为模型背景），在图上确定表示源汇项、边界、含水层不同模型背景），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，快速建立起概参数区域的点、曲线、多边形的空间位置，快速建立起概念模型。钻孔数据念模型。钻孔数据(BoreholeData)用来管理样品和地层这用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线;地层数据用来建立地层数据用来建立TIN、实体和三维有限元网格。、实体和三维有限元网格。TINs TINs即三角不规则网络即三角不规则网络(Triangulated Irregular Net works)，通常用来表示相邻地层的界面，多个，通常用来表示相邻地层的界面，多个TINs就可就可以被用来建立实体以被用来建立实体(Solid)模型或三维网格。实体是在不模型或三维网格。实体是在不规则的三角形网络规则的三角形网络(TIN)建立完成后通过一系列操作产生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。的实际地层的三维立体模型。总之总之GMS软件模块多、功能全，几乎可以用来模拟与地软件模块多、功能全，几乎可以用来模拟与地下下水相关的全部水流和溶质运移问题。相比其它同类软件如水相关的全部水流和溶质运移问题。相比其它同类软件如ModIME、MODFLOW和和Visual Modflow，GMS软件软件除模块更多之除模块更多之外，各模块的功能也更趋完善。外，各模块的功能也更趋完善。FEFLOW(Finite Element FEFLOW(Finite Element subsurface FLOW system)subsurface FLOW system)20 20 世纪世纪70 70 年头末年头末,德国德国 WASY WASY 水资源规划和系统探讨所开发了水资源规划和系统探讨所开发了基于有限单元法的基于有限单元法的FEFLOW(Finite element subsurface FEFLOW(Finite element subsurface FLOWsystem)FLOWsystem)软件软件,它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。从从FEFLOW FEFLOW 的问世起始终到现在的问世起始终到现在,在理论探讨和对实际问题的处理上在理论探讨和对实际问题的处理上,它经过了不断的发展、修改、提高它经过了不断的发展、修改、提高,在它的发展过程中在它的发展过程中,FEFLOW,FEFLOW 经经过过了大量的测试和检验了大量的测试和检验,它成功地解决了一系列与地下水有关的实质性它成功地解决了一系列与地下水有关的实质性问问题题,如推断污染物迁移途径、追溯污染物的来源如推断污染物迁移途径、追溯污染物的来源,地热的模拟地热的模拟,海水海水入入侵预料等。侵预料等。该软件包具有图形人机对话、地理信息系统数据接口、自动产生空间该软件包具有图形人机对话、地理信息系统数据接口、自动产生空间各种有限单元网格、空间参数区域化及快速精确的数值算法和先进的各种有限单元网格、空间参数区域化及快速精确的数值算法和先进的图图形视觉化技术等特点。形视觉化技术等特点。在在FEFLOWFEFLOW系统中系统中,用户可以很便利快速地产生空间有限单元网格用户可以很便利快速地产生空间有限单元网格,设设置模型的参数和定义边界条件置模型的参数和定义边界条件,运行数值模拟以及实时图形显示结果运行数值模拟以及实时图形显示结果与与成图。成图。FEFLOW FEFLOW 的应用领域的应用领域水量模拟水量模拟:模拟水源地开采或者油田注水对区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域地下水流场的影响、模拟水库放水或者河流断流时断流时,河道沿线地下水流场的变更等河道沿线地下水流场的变更等;水质模拟水质模拟:模拟污染物在地下水中的迁移过程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下水引起的海水入侵等;温度模拟温度模拟:模拟非饱和带以及饱和带温度场的模拟非饱和带以及饱和带温度场的分布。分布。系统输入特点系统输入特点通过标准数据输入接口通过标准数据输入接口,用户既能干脆利用已有的用户既能干脆利用已有的GIS GIS 空间多边形数空间多边形数据生成有限单元网格据生成有限单元网格,也可以基于地图用鼠标设计也可以基于地图用鼠标设计,网格的数目可以自己网格的数目可以自己指定指定,可以便利地调整网格的几何形态可以便利地调整网格的几何形态,增加和放增加和放疏网格大小等。疏网格大小等。用户可以视具体状况定义第一、其次和第三类边界用户可以视具体状况定义第一、其次和第三类边界,而且还可以对边而且还可以对边界条件增加特定的限制条件界条件增加特定的限制条件;能便利地定义复合含水层中的分层开采井和混合开能便利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。采井以及注水井。全部边界条件及其限制条件、渗透系数、补排量既全部边界条件及其限制条件、渗透系数、补排量既可设置为常数可设置为常数,也也能定义为随时间变更的函数。能定义为随时间变更的函数。FEFLOWFEFLOW供应了克里格供应了克里格(Kriging)(Kriging)、阿基玛、阿基玛Akima)Akima)和距离反比加权和距离反比加权(IDW)(IDW)三种方法三种方法,对离散的空间抽样数据进行内对离散的空间抽样数据进行内插或外推。插或外推。输入数据格式既可以是输入数据格式既可以是ASCIIASCII码文件码文件,也可以是也可以是GIS GIS 地理信息系统文件地理信息系统文件,如如ArcView ArcView 的的shp shp 格式。格式。FEFLOW FEFLOW 先进的数值求解法先进的数值求解法快速干脆求解法快速干脆求解法,如如PCG,BICGSTAB,CGS,GMRES PCG,BICGSTAB,CGS,GMRES 以及带预以及带预处理的再启动处理的再启动ORTHOMINORTHOMIN法法;敏捷多变的敏捷多变的up2wind up2wind 技术技术,如流线如流线up2wind,up2wind,奇值奇值捕获法捕获法Shock capturing,Shock capturing,以削减数值弥散以削减数值弥散;皮卡和牛顿迭代法求解非线性流场问题皮卡和牛顿迭代法求解非线性流场问题;自动调整模拟时间步长自动调整模拟时间步长;模拟污染物迁移过程包括对流、水动力弥散、线性模拟污染物迁移过程包括对流、水动力弥散、线性及非线性及非线性吸附、一阶化学非平衡反应吸附、一阶化学非平衡反应;为非饱和带模拟供应了多种参数模型为非饱和带模拟供应了多种参数模型,如指数式、如指数式、Van Van Genuchten Genuchten 式和多种形式的式和多种形式的Richard Richard 方程方程;垂向滑动网格垂向滑动网格(BASD)(BASD)技术处理自由表面含水系统技术处理自由表面含水系统以及非饱以及非饱和带的模拟和带的模拟;开放性外部程序接口开放性外部程序接口,以便用户在以便用户在FEFLOW FEFLOW 系统中连系统中连接和使接和使用自己的程序模块。用自己的程序模块。FEFLOWFEFLOW系统结果输出及显示系统结果输出及显示FEFLOW FEFLOW 供应了其他任何地下水模拟软件都无法比拟的、供应了其他任何地下水模拟软件都无法比拟的、丰富好用的图形显示和数据结果分析工具。丰富好用的图形显示和数据结果分析工具。其先进的图形视觉化及数据分析技术表现在其先进的图形视觉化及数据分析技术表现在:有限单元网、边界条件和模型参数的三维可视化及显示有限单元网、边界条件和模型参数的三维可视化及显示;标量数据的三维彩色标量数据的三维彩色(透亮或灰度透亮或灰度)等势面显示以及其二等势面显示以及其二维维平面彩色或等值线显示平面彩色或等值线显示;三维地下水流径追踪三维地下水流径追踪,流淌时间及流速动画显示流淌时间及流速动画显示(包括二包括二维平面、剖面投影或二维平面追踪维平面、剖面投影或二维平面追踪););三维体截段的空间显示和三维交叉剖面组的空间显示三维体截段的空间显示和三维交叉剖面组的空间显示;三维图形的随意旋转三维图形的随意旋转,二维、三维图形的放大或缩小二维、三维图形的放大或缩小;总体和局部水量平衡分析总体和局部水量平衡分析(包括随意几何多边形内的水流包括随意几何多边形内的水流通量分析通量分析););计算和图形显示通过各种边界条件的水通量、物质通量以计算和图形显示通过各种边界条件的水通量、物质通量以及其在特定时间区间内的积重量。及其在特定时间区间内的积重量。FEFLOW 中特殊水文地质问题的处理中特殊水文地质问题的处理2.1地层的不连续地层的不连续在在FEFLOW 中中,三维模型的空间结构是由很多层三维模型的空间结构是由很多层(layer)组成组成,这些这些层由片层由片(slice)隔开隔开,每两片中就是一层每两片中就是一层(图图1)。网格、边界条件、初。网格、边界条件、初始条件是对应于片始条件是对应于片,而参数而参数(给水度、渗透系数等给水度、渗透系数等)是对应于层。是对应于层。FEFLOW 只能处理延长到整个探讨区域的片和层只能处理延长到整个探讨区域的片和层,所以所以,理论上理论上FEFLOW 不能处理地层不连续等特殊状况。不能处理地层不连续等特殊状况。2.1.1 地层的缺失地层的缺失地层由于地壳的抬升而受猛烈的剥蚀地层由于地壳的抬升而受猛烈的剥蚀,含水岩层出露地面含水岩层出露地面(图图1),或者或者含水层缺失。含水层缺失。FEFLOW在处理这种状况时在处理这种状况时,仍旧认为地层是连续到整仍旧认为地层是连续到整个探讨区域个探讨区域;只是在地层缺失的地方只是在地层缺失的地方,认为厚度是无限小认为厚度是无限小,默认是默认是0.01 m,其参数参考相邻层的参数值。其参数参考相邻层的参数值。图图1层与片的概念层与片的概念2.1.2 2.1.2 断层断层断层是地层发生错位断层是地层发生错位,是一种特殊的水文地是一种特殊的水文地质条件。到目前为止质条件。到目前为止,FEFLOW,FEFLOW 还没有很好的还没有很好的方法来处理断层、跌水现象方法来处理断层、跌水现象,WASY,WASY 公司也始公司也始终设法解决这一难题。常用的处理方法是把终设法解决这一难题。常用的处理方法是把断层部分作为一个单独的参数分区断层部分作为一个单独的参数分区,依据断依据断层两边的水力联系程度来确定含水层的参数层两边的水力联系程度来确定含水层的参数(主要是渗透系数主要是渗透系数)。2.1.3 2.1.3 小面积强透水带的处理小面积强透水带的处理当遇到天窗或者渗透系数特别大的区域时当遇到天窗或者渗透系数特别大的区域时(这这些域的面积往往比较小些域的面积往往比较小),),可以把它隔离出可以把它隔离出来当成一单独的层来当成一单独的层(图图2)2)。在这一特殊的层上。在这一特殊的层上,强透水带位置的厚度、渗透系数等参数依据强透水带位置的厚度、渗透系数等参数依据实际赋值实际赋值;除此之外的地方除此之外的地方,参数考虑相邻参数考虑相邻层相应的参数。层相应的参数。图图2小面积强透水带小面积强透水带1.含水层;2.强透水带2.22.2第三类边界混合边界第三类边界混合边界河流在河流在FEFLOW FEFLOW 中是作为第三类边界处理。河流通过底积层和含水层发中是作为第三类边界处理。河流通过底积层和含水层发生水力联系生水力联系(图图3)3)。依据达西定律有。依据达西定律有 (2)(2)式中式中:qn:qn为横截面法线上的交换量为横截面法线上的交换量;ko,in;ko,in为河流底积层的渗透系数为河流底积层的渗透系数;-渗流区域渗流区域;k-含水层渗透系数含水层渗透系数;hR-河流水位河流水位;d-河流底积层厚度河流底积层厚度;h-地下地下水位水位.图图3河流横剖面示意图河流横剖面示意图从从(2)(2)式中看出式中看出,进入含水进入含水层的水量与河流的属性层的水量与河流的属性(底积底积层的厚度和渗透系数层的厚度和渗透系数)和水和水位有关位有关,属性值为常数属性值为常数,而而水位一般随时空变更。水位一般随时空变更。图图4没有考虑时间的没有考虑时间的一维线性插值一维线性插值图图5考虑时间的一维线性插值考虑时间的一维线性插值当动态地模拟一条河流时当动态地模拟一条河流时,须要知道河流在典型水文年的水位动态曲线。例须要知道河流在典型水文年的水位动态曲线。例如已知两个水文站的水位历时曲线如已知两个水文站的水位历时曲线,接受一维线性插值方法接受一维线性插值方法,可以得到沿主可以得到沿主流道流道随意结点的水位历时曲线。然而这种插值法用来模拟短期内洪水对地下水的随意结点的水位历时曲线。然而这种插值法用来模拟短期内洪水对地下水的影响影响时就会出现较大的误差时就会出现较大的误差,因为它认为上游和下游水位变更是同步的因为它认为上游和下游水位变更是同步的,没有考没有考虑时虑时间滞后的影响间滞后的影响;也就是说上游和下游的水位同时到达历时曲线的波峰和波谷也就是说上游和下游的水位同时到达历时曲线的波峰和波谷(图图4),4),这种结果并不是所须要的。为了解决上述问题这种结果并不是所须要的。为了解决上述问题,FEFLOW,FEFLOW 供应了一种考供应了一种考虑时虑时间滞后的一维线性插值方法间滞后的一维线性插值方法,通过这种插值通过这种插值(图图5),5),可以特别精确地模拟一可以特别精确地模拟一场暴场暴雨后雨后,沿河旁边区域地下水位的变更。沿河旁边区域地下水位的变更。FEFLOW FEFLOW 软件的缺点软件的缺点FEFLOW FEFLOW 最大的缺点是用于处理源汇项的最大的缺点是用于处理源汇项的In In Or Out Flow Or Out Flow 菜单功能过于集中菜单功能过于集中,各个补排项没有单独各个补排项没有单独的子程序包。这的子程序包。这样虽然节约了很多源代码样虽然节约了很多源代码,但是却给调参但是却给调参带来麻烦。为了带来麻烦。为了节约调参所需的时间节约调参所需的时间,在前处理中必需对在前处理中必需对各个补排项进行各个补排项进行累计累计,求出其代数和求出其代数和(借助自编的程序借助自编的程序)。这样在调参过程这样在调参过程中中,即使对补排项进行较小的改动即使对补排项进行较小的改动,只要只要运行自编的程序运行自编的程序,补排项的代数和就能瞬间得出补排项的代数和就能瞬间得出,然后按确然后按确定的格式存储于定的格式存储于固定的文件固定的文件,运行运行FEFLOW FEFLOW 时只要调用这一时只要调用这一文件即可。文件即可。最近上市的最近上市的FEFLOW 5.0,FEFLOW 5.0,其颜色已经不再局限于其颜色已经不再局限于256 256 色。随着处理蒸发和断层的子程序包的开发色。随着处理蒸发和断层的子程序包的开发,FEFLOW,FEFLOW 功能更加完善。功能更加完善。综上所述综上所述,FEFLOW,FEFLOW 软件能很好地处理相关的水文地质软件能很好地处理相关的水文地质条件条件,具有简便的操作、快速精确的数值算法和先进具有简便的操作、快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。的图形视觉化技术等特点。模型主要特点模型主要特点Visual MODFLOW Visual MODFLOW 是目前国际上最流行且被各国一样认可的三维地是目前国际上最流行且被各国一样认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统,该系统是该系统是由加拿大由加拿大Water-loo Water-loo 水文地质公司在原水文地质公司在原MODFLOW MODFLOW 软件的基础上应软件的基础上应用现代可视化技术开发研制的用现代可视化技术开发研制的,并于并于19941994年年8 8 月首次在国际上公开月首次在国际上公开发行。这个软件包由发行。这个软件包由Modflow(Modflow(水流评价水流评价)、Modpath(Modpath(平面和剖面平面和剖面流线示踪分析流线示踪分析)和和MT3D(MT3D(溶质运移评价溶质运移评价)三大部分组成三大部分组成,并且具有并且具有强大的图形可视界面功能。设计新颖强大的图形可视界面功能。设计新颖 的菜单结构允许用户特别简的菜单结构允许用户特别简洁地在计算机上干脆圈定模型区域和剖分计算单元洁地在计算机上干脆圈定模型区域和剖分计算单元,并可便利地为并可便利地为各剖分单元和边界条件干脆在机上赋值各剖分单元和边界条件干脆在机上赋值,做到真正的人机对话。做到真正的人机对话。Visual MODFLOW 模型介绍模型介绍MODFLOW 可以模拟潜水、承压水和隔水层中的稳定流与瞬变流的状况。可以模拟潜水、承压水和隔水层中的稳定流与瞬变流的状况。很多影响因素和水文过程很多影响因素和水文过程,如河流、溪流、排水沟、水库、作物蒸散量、如河流、溪流、排水沟、水库、作物蒸散量、降雨和浇灌入渗补给等降雨和浇灌入渗补给等,都可以用都可以用MODFLOW 来模拟。来模拟。MODFLOW 供应了求解地下水流有限差分公式的很多种方法供应了求解地下水流有限差分公式的很多种方法,如强隐式如强隐式迭代法迭代法SIP、逐次超松弛迭代法、逐次超松弛迭代法SOR、预调共轭梯度迭代法、预调共轭梯度迭代法PCG 2、SSOR 等。用户可以依据自己探讨的实际状况等。用户可以依据自己探讨的实际状况,选择适合的有效求解方选择适合的有效求解方法。由于实际地质及水文地质条件的差异法。由于实际地质及水文地质条件的差异,选择不同的求解程序包所得的选择不同的求解程序包所得的结果是不一样的。结果是不一样的。MODFLOW 在求解过程中在求解过程中,引入了应力期引入了应力期(Stress Period)概念概念,它将它将整个模拟时间分为若干个应力期整个模拟时间分为若干个应力期,每个应力期又可再分为若干个时段每个应力期又可再分为若干个时段(Time Step)。在同一个应力期。在同一个应力期,各时间段既可以按等步长各时间段既可以按等步长,也可以按一也可以按一个规定的几何序列渐渐增长。个规定的几何序列渐渐增长。而在每个应力期内而在每个应力期内,MODFLOW 规定全部的外部源汇项的强度应保持不变。规定全部的外部源汇项的强度应保持不变。这样做不但简化规范了数据文件的输入这样做不但简化规范了数据文件的输入,而且使得物理概念更为明确。而且使得物理概念更为明确。除了具有以上特点之外除了具有以上特点之外,MODFLOW,MODFLOW 还可便利地以平面和剖面两种方还可便利地以平面和剖面两种方式彩色立体显示计算模型的剖分网格、输入参数和输入结果。它式彩色立体显示计算模型的剖分网格、输入参数和输入结果。它的最大特点是将数值模拟评价过程中的各个步骤完备无缺似地连的最大特点是将数值模拟评价过程中的各个步骤完备无缺似地连接起来接起来,从起先建模、输入和修改各类水文地质参数与几何参数、从起先建模、输入和修改各类水文地质参数与几何参数、运行模型、反演校正参数运行模型、反演校正参数,始终到显示输出结果始终到显示输出结果,使整个过程从使整个过程从头至尾系统化、规范化。头至尾系统化、规范化。Visual MODFLOWVisual MODFLOW模型主要处理模块模型主要处理模块Visual MODFLOW Visual MODFLOW 界面设计的主要目的就是增加模型数界面设计的主要目的就是增加模型数值模拟实力值模拟实力,简化三维建模的困难性。界面设计包括三简化三维建模的困难性。界面设计包括三大彼此联系但又相当独立的模块大彼此联系但又相当独立的模块,即输入模块、运行模即输入模块、运行模块和输出模块。块和输出模块。输入模块输入模块 输入模块允许用户干脆在计算机上赋值全部必要的输入模块允许用户干脆在计算机上赋值全部必要的输入参数以便自动生成一个新的三维渗流模型。输入菜输入参数以便自动生成一个新的三维渗流模型。输入菜单把单把MODFLOW MODFLOW、MODPATH MODPATH 和和MT3D MT3D 的数据输入作为一个的数据输入作为一个基本建模块基本建模块,这些菜单以逻辑依次排列并显示这些菜单以逻辑依次排列并显示,指导用指导用户逐步完成建模和数据输入工作。户逐步完成建模和数据输入工作。软件系统允许用户干脆在计算机上定义和剖分模拟区域软件系统允许用户干脆在计算机上定义和剖分模拟区域,用户可随意增减剖分网格和模拟层数用户可随意增减剖分网格和模拟层数,确定边界几何形确定边界几何形态和边界性质态和边界性质,定义抽定义抽(排排)水井的空间位置和出水层位水井的空间位置和出水层位以及非稳定抽排水量。以及非稳定抽排水量。参数菜单允许用户干脆圈定各个水文地质参数的分区范参数菜单允许用户干脆圈定各个水文地质参数的分区范围并赋值相应参数围并赋值相应参数,同时上、下层全部参数可相互拷贝。同时上、下层全部参数可相互拷贝。用户在输入模块中还可预先定义水位校正观测孔的具体用户在输入模块中还可预先定义水位校正观测孔的具体空间位置和观测层位空间位置和观测层位,并输入其观测数据并输入其观测数据,以便在后续以便在后续的模型识别工作中模拟运用。的模型识别工作中模拟运用。运行模块运行模块 运行模块允许用户修改运行模块允许用户修改MODFLOW、MODPATH 和和MT3D 的各类参数与数值的各类参数与数值,包包括初始估计值、各种计算方法的限制参数、括初始估计值、各种计算方法的限制参数、激活疏干激活疏干-饱水软件包和设计输出限制参数饱水软件包和设计输出限制参数等等,这些均已设计了缺省背景值。这些均已设计了缺省背景值。用户依据自己模拟计算的须要用户依据自己模拟计算的须要,可分别单可分别单独或共同执行水流模型独或共同执行水流模型(MODFLOW)、流线示、流线示踪模型踪模型(MODPATH)和溶质运移模型和溶质运移模型(MT3D)。输出模块输出模块 输出模块允许用户以三种不同方式输出模块允许用户以三种不同方式展示其模拟结果。第一种方式就是在计展示其模拟结果。第一种方式就是在计算机屏幕上干脆彩色立体显示全部的模算机屏幕上干脆彩色立体显示全部的模拟结果拟结果;其次种方式就是干脆在各类打其次种方式就是干脆在各类打印机上输出各种模拟评价的成印机上输出各种模拟评价的成,k果表格果表格和成果图件和成果图件;最终一种方式就是将全部最终一种方式就是将全部模拟结果以图形或文本的文件格式输出模拟结果以图形或文本的文件格式输出,输出图形包括可以标记出渗流速度矢量输出图形包括可以标记出渗流速度矢量大小的平面、剖面等值线图和平面、剖大小的平面、剖面等值线图和平面、剖面示踪流线图以及局部区域水均衡图等面示踪流线图以及局部区域水均衡图等一系列图件。一系列图件。式中式中:Kxx Kxx,Kyy Kyy,Kzz Kzz 为沿为沿X X,Y Y,Z Z 坐标轴方向上的渗透系数坐标轴方向上的渗透系数LTLT-1-1;h h 为测压管水头为测压管水头L;L;w w 为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的通量为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的通量TT-1-1,即地下水的源和汇即地下水的源和汇;S Ss s 为孔隙介质的储水率为孔隙介质的储水率LL-1-1;t t 为时间为时间TT。2模型理论基础模型理论基础 Visual MODFLOW 是是MODFLOW 的一个可视化软件。的一个可视化软件。是一个三维有限差分地下水流淌模型是一个三维有限差分地下水流淌模型,它基于以下基本方它基于以下基本方程程:常密度地下水的三维流淌基本方程常密度地下水的三维流淌基本方程:式中式中:V x、V y、V z 为线性流淌流速矢量在坐标轴方向为线性流淌流速矢量在坐标轴方向的重量的重量L T-1;n 为含水层有效空隙率为含水层有效空隙率%;w 为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量T-1。对于地下水三维稳定流淌对于地下水三维稳定流淌,MODPA TH 的质量的质量平衡方程可用有效空隙率和渗流流速表达为平衡方程可用有效空隙率和渗流流速表达为:污染物输运模型污染物输运模型MT 3D 的基本方程的基本方程:式中式中:C 为地下水中污染物浓度为地下水中污染物浓度CL-1;t 为时间为时间T;xi 为沿坐标轴各方向的距离为沿坐标轴各方向的距离L;Dij 为水力扩散系数为水力扩散系数;Vi 为地下水渗流速度为地下水渗流速度L T-1;qs 表示源和汇的单位流量表示源和汇的单位流量L-1;Cs 为源和汇的浓度为源和汇的浓度CL-1;Q 为含水层孔隙率为含水层孔隙率%;R k 为化学反应项。为化学反应项。Processing MODFLOWModflow 是美国地质调查局（U.S.G.S）以有限差分方法为基础开发的一款模块化的地下水流淌模拟软件。目前，以Modflow为基础研发的模拟地下水运动及溶质运移过程的计算软件有很多，例如 Visual Modflow,GMS,Feflow,Processing Modflow等等。Processing Modflow for Windows(PMWIN)供应了一个可视化的界面，集成了MODFLOW-88,MODFLW-96,PMPATH,MT3D,MT3DMS,PEST和UCODE.Processing MODFLOW 内嵌的MODFLOW,MODPATH,MT3D等模块和visual MODFLOW，GMS等软件中的是一样的，唯一不同的是在Processing MODFLOW中添加了 Interbed-storage Package来实现由于抽取地下水引起的含水层的压缩量。由于MODFLOW,MODPATH,MT3D等的基本原理和前面介绍的比较一样，本节主要介绍下Processing MODFLOW 的Inerbed-storage Package。在Interbed-storage子程序包中,认为弹性压缩量与水头的变更成正比,非弹性压缩量与水头的削减量成正比,通过在水量方程等号右边添加一项,将储水率变更耦合到了地下水量方程中。在每个时间步长,该子程序包会依据模拟的水头与前期固结水头的关系合理安排储水量的变更,是由弹性压缩引起的还是由非弹性压缩引起的。应用该子程序包模拟由于含水层的非弹性变形引起的地面沉降时,不须要在模拟过程中人为修改储水率值。复合含水系统中拥有不同储水率的多层含水层,那么可以用单一的弹性或非弹性储水率说明含水层储水率的变更。假设n层含水层的储水率分别是Ss1,Ss2,Ssn,厚度分别为b1,b2,bn,并运用了一个等效储水因子Ssystem,则等效储水系数的值是:Ssystem=Ss1b1+Ss2b2+Ssnbn(1)在多孔介质中，描述地下水流运动的三维偏微分方程为：（1）式中：Kxx，Kyy，Kzz分别为沿x，y，z坐标轴方向的渗透系数（LT-1）；h为点（x，y，z）在t时刻水头值（L）；W为源汇项（T-1）；Ss为点（x，y，z）处的储水率（L-1）；t为时间（T）；为立体计算域。计算含水层的沉降量的沉降模型方程为：（2）上式中，表示厚度为A的含水层在 时间内的压缩量。当单元格水头大于前期固结水位（它表示土体在某一时刻之前粘性土中曾达到过的最低孔隙水压力水头）时，是含水层骨架部分弹性储水率；当单元格水头小于前期固结水位时，是含水层骨架部分非弹性储水率。对于任何模型，若给定的前期固结水头大于初始水头，则指定前期固结水头为初始水头值。将 qi 添加到方程（1）的右端，再加上计算压缩量的方程（2）及相应的初始条件和边界条件，构成了求解地下水流和地面沉降之间的耦合模型。