第21期总第151期内蒙古科技与经济
No.21,the 151th issue
2007年11月Inner Mongolia Science Technology &Economy Nov.2007
地下水系统数值模拟的研究进展
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杨春玲1,邢世录1,韩爱中2
(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院;2.中铁六局呼和浩特铁建公司,内蒙古呼和浩特 010051)
摘 要:地下水系统数值模拟是定量评价和合理开发地下水资源、优化设计地下水开采方案及防治
地下水污染的重要方法。数值法在地下水模拟中的应用己有近半个世纪的历史,现在己经比较成熟,但其有效的应用还受到多方面的制约,仍然存在一些问题,有待进一步研究、解决。本文介绍了国内外地下水系统数值模拟研究进展,对比分析了各类模型的特点,并提出了现阶段地下水系统数值模拟中存在的问题。
关键词:地下水;数值模拟;研究进展 中图分类号:P64118 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2007)21—0305—03 利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法,并受到越来越多的重视和广泛的应用。数值模拟法就是在电子计算机上用离散化的方法解数学模型。离散化就是把整体部分分成若干个小区域,化整为零,经过近似处理后,再积零为整。这样,各个单元可根据需要选择合适的水文地质参数,单元形状也可以不同,把本来形状不规则,非均质问题转化为容易计算的形状规则的均质问题。其求得的解为数值解,它是数学模型的近似解,但可以较好的反映复杂条件下的地下水流状态,具有较高的仿真度。地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法、有限单元法、边界元法和有限分析法等。随着计算机技术的发展和应用,地下水数值模拟技术也得到了长足的发展。1 国外地下水数值模拟的研究现状
国外开发了许多功能多样的地下水数值模拟软件,以其模块化、可视化、交互性、求解方法多样化等特点得到广泛的使用。1.1 最有影响的几个传统地下水模拟软件1.1.1 MODFLOW 是由美国地质调查局(U SGS )的McDonald 和Harbaugh 于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。自从它问世以来,MODFLOW 已经在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。MOD 2FLOW 具有如下的特点:1.1.1.1 应用广泛。MODFLOW 不仅可以用于模
拟孔隙介质地下水的运动,而且也可以用来解决裂
隙介质中的地下水流动问题。经过合理的概化,MODFLOW 还可以用来解决空气在土壤中的流动(Guo ,1995);将MODFLOW 与溶质运移模拟的软件结合起来,还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度发生变化的问题(Guo 和Benett ,1997)。1.1.1.2 MODFLOW 引进了应力期(Stress Peri 2od )概念,它将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间段。在同一应力期,各时间段既可以按等步长,也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内,所有的外部源汇项的强度应保持不变。从而不但简化、规范了数据文件的输入,而且使得物理概念更为明确。1.1.1.3 离散方法的简单化。MODFLOW 采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。有限差分法易于理解,适用于许多现实条件。其主要缺点是当对某些单元网格加密时,会增加许多额外不必要的计算单元,延长程序的运行时间,随着计算机速度的迅速提高,计算机受网格数量的限制越来越小,差分法的优势越来越大,MODFLOW 解决地下水流运动问题已经将含水层剖分到多达360×360×18个网格单元。
1.1.1.4 求解方法的多样化。迄今为止,MOD 2FLOW 已经含有强隐式法迭代法SIP 、逐次超松弛迭代法SOR 、预调共轭梯度迭代法PCG 2、SSOR 等。1.1.1.5 程序结构的模块化。MODFLOW 包括一主程序和若干个相对独立的子程序包(Package )。每个子程序中有数个模块,每个模块用釉完成数值模拟的一部分。MDFLOW 的这种模块化结构便于用户根据实际需要添加程序、完善功能。
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收稿日期:2007-10-16
作者简介:杨春玲(1976—
),女,内蒙古工业大学能源与动力工程学院在读硕士研究生。
总第151期 内蒙古科技与经济
1.1.2 M T3D99是美国S.S.Papodopulos&Associ2 ates公司的Zheng博士设计的模拟三维地下水溶质运移程序M T3D(1990)的增强版,M T3D99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。
M T3D99能够灵活有效地处理各种源汇项和边界条件,适用于承压、无压以及承压—无压含水层中的污染物运移问题。M T3D中包括多种求解算法可供选择,因此特别适合实际问题的研究。
经过近20年的发展,MODFLOW、MOD2 PA TH、M T3D、PEST等软件已经成为三维地下水流动和污染溶质运移模拟的世界标准。特别是MODFLOW,已经获得政府部门的认同,运用MODFLOW的计算结果,在有关地下水资源超量开采、地下水污染等诉讼案件中,甚至成为一个有力的法律依据。MODFLOW能得到广泛的应用,一个很重要的因素就在于其设计上的合理性。但是,这些软件都仅仅适用于地下水模拟过程中的特定问题,并且软件的界面、交互性、前后处理等方面都还存在不小的差距,因此,开发这些软件的集成系统,谋求对这些软件缺陷的改进就成为地下水模拟软件开发研究的一个重要方向,由此产生了如PMWIN、Vi2 sual MODFLOW等Windows软件包。
1.2 可视化模拟平台环境软件
随着Windows在操作系统中统治地位的确立,传统的地下水模拟软件纷纷在windows的基础上进行修改、扩充与功能增强,特别是在人机交互、计算机图形学和科学可视化等计算机技术的推动下,带有可视化功能的地下水模拟软件发展迅速,目前已经占据国际地下水模拟软件市场的主流地位。它们的共同特点是适应的问题广,将数值模拟的前处理、模型计算和后处理全过程中的各个步骤很好地连接起来,从建模、网格剖分、输入或修改各类水文地质参数和几何参数、运行模型、反演校正参数,一直到显示输出结果,整个过程从头至尾寻求计算机化。其中较有影响的有PMWIN、Visual MOD2 FLOW、GMS、MSVMS、Argus ON E、FEFLOW等。
1.2.1 Visual MODFLOW。由加拿大Waterloo水文地质公司在Modflow的基础上,应用现代可视化技术开发研制的Visual MODFLOW(1994),是目前国际上最为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评价的标准可视化专业软件系统。该系统在无缝集成MODFLOW-96、Win2 PEST、M T3D99、MODPA TH(平面和剖面流线示踪分析)、R T3D等软件的基础上,建立了系统合理的Windows菜单界面与可视化功能。增强模型数值模拟能力、简化三维建模复杂性,是Visual MOD2 FLOW软件系统界面设计的主要目的。
其特点在于:1.2.1.1 具有高度集成的软件包,包括了用于地下水流模拟的MODFLOW、粒子运动轨迹和传播时间模拟的MODPA TH、污染物在地下水中运移过程模拟的M T3D,以及用于水文地质参数估计与优化的PEST,并且具有直观的、强有力的图形交互界面。1.2.1.2 菜单结构便于用户对研究区离散及选择有效计算单元、确定边界条件与参数赋值、运行及校正模型,以及用等值线或颜色阴影实现结果的可视化,真正实现了人机对话。
1.2.1.3 在模型的开发及结果显示过程中,模型网格、输入参数和模拟结果,都可以用剖面图或平面图显示。
1.2.2 Visual Groundwater是惟一的一个主要用于地下水模拟后处理的三维可视化软件包,它将图形技术与专业工具有效结合,用于处理、显示、动画包括地层、土壤污染带、地下水高程、地下水浓度、地下水模拟结果等在内的复杂的地下水表面数据。将Visual Groundwater与模拟软件集成使用,就可以构建可视化功能强大的地下水模拟平台环境。
Visual Groundwater有一个钻孔数据管理系统,用于方便地输入和处理地形、地质、土壤化学,地下水高程以及地下水化学数据等。
Visual MODFLOW已经成为最有影响的地下水模拟平台环境,其使用范围还会不断扩大,因为其具有简单实用的求解方法、广泛的适应范围及强大的可视化功能这些特点。缺点是其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。而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及其他主流软件陷于困境的问题中,它更可以发挥其独特的作用。
2 国内地下水数值模拟的研究现状
我国自1973年以来在地下水的数值模拟方面发展很快,它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。我国科学家在建立地下水系统数值模拟模型中发现问题,在理论和方法上不断创新,通过数值模型理论与相关研究方向的理论结合,不断提高模拟结果的可靠性。
另外,国内也积极的探索结合相邻学科的模型,运用地下水系统数值模拟软件以及地理信息系统的强大功能。地下水系统数值模拟软件以其组件化、智能化、可视化和多样化受到普遍欢迎,GIS与地下水系统数值模拟模型的整合具有整体化、自动化、可视化和实时性的优点,相关领域模型的耦合更使其有了广泛的发展空间,目前国内外对具体问题的处理方法具有很好的参考应用价值,大量的研究强化了地下水系统数值模拟方法的优势。
3 地下水系统数值模拟中存在的问题
随着计算机技术的飞速发展,国内外关于地下
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杨春玲,等?地下水系统数值模拟的研究进展2007年第21期
水系统数值模拟的研究有了长足的进步,但由于实际水文地质条件的复杂性,野外试验数据的缺乏,模拟技术的不合理运用,多学科交叉存在的难度等,发展中还存在一些问题:
3.1 模型反演求参时,解的不惟一问题
模型中参数的不确定性将导致计算的水头、流速的不确定性,从而影响到模拟结果的可靠性。
3.2 各学科之间难以沟通,侧重的时间或空间尺度存在较大差异
地下水、地表状况、土壤、植被、气候变量和土地利用等都存在时空变异性,模型的耦合集成存在较大的难度。
3.3 勘探技术水平还有待于进一步提高
随着计算机的广泛应用,计算机软浸实现了对大量水文地质学及地下水动力学问题的模拟,其计算能力远远超过人们获取数值模型所需野外资料的能力。因此,野外资料的准确性及全面性就决定了数值模拟的精度。
3.4 尚未建立地下水动态模赔体系
近几年来,随着GIS技术的发展和普及,GIS已被广泛接受为管理、存储、查询分析有关地理空间分布信息的成熟的工具和技术。随着其本身空间分析功能和相关学科的迅猛发展,应用领域不在拓宽。随着信息化成为当今社会发展的潮流和趋势,地下水动态模拟评价信息化已成为水文地质工作的工作方向。如何充分利用GIS在数据采集、存储、处理和可视化表达等地下水模拟重要环节上的优势,把GIS与地下水模型结合起来,为地下水模拟工作提供更为简单适用的新方法和统一高效的GIS平台环境,已成为目前地下水动态评价信息化建设的关键步骤,也是GIS在地下水研究应用中向深层次发展的瓶颈问题。尽管地下水模型与GIS集成的重要性已为越来越多的专业人员所共识,但是,GIS与地下水模型的集成研究基本上尚处于空白。
4 结语
本文介绍了国内外地下水系统数值模拟的研究进展,对比分析了各类模型的特点,并提出了现阶段地下水系统数值模拟中存在的问题,能为地下水的开发利用提供参考。
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(3).
(上接第304页)城乡一体化,必须改变我国的二元经济社会结构,把城市和广大农村做一个整体,根据城乡发展的目标和任务统筹安排社会生产力,合理配置乡镇生产要素,充分利用和开发城乡的经济、社会资源,把城乡之间的各自优势有机地结合起来,建立统一的城乡社会经济网络。
2.3 加强政策引导,促进城镇产业集聚
提升西部产业在城市化过程中,要有计划地吸引一些大企业。大集团的总部迁入城市,或在城市设立分支机构,并以此为载体,聚集人才、资金,技术和产业,促进城市经济的发展,同时必须想办法留住西部原有的大企业扎根西部,避免城市支撑体的散落。
2.4 重点抓好西部城市基础设施建设
加快基础设施建设是实现西部大开发的基础,加强公路、铁路、机场、邮电、通讯、天然气管道等设施建设。加快形成交通、邮电、通讯等网络、对西部地区提高经济运行效率和对外开放具有非常重要的意义。但是,构筑各种网络体系的最终目的是为了
形成人流物流信息流资金流。这些都必须以城市为依托,因此加快城市基础设施建设要体现“超前性”、“先导性”、
“基础性”。
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高 校 地 质 学 报 Geological Journal of China Universities 2010 年 3 月，第 16 卷，第 1 期，1-6页March 2010，Vol. 16， No.1， p. 1-6中国地下水数值模拟的现状与展望 薛禹群 （南京大学 地球科学与工程学院 水科学系, 南京 210093） 摘要：回顾了中国地下水数值模拟的发展历程，指出了当前地下水模拟研究领域中存在的问题：基础理论的实验研究重视不够；过多依赖模拟技术，盲目追求软件的版本和模拟结果的可视化程度；轻视水文地质问题和条件的研究；以致于取得的成果跟踪性的占多数，原始创新的很少等。因此作出地下水数值模拟的展望，并指出该领域今后十年（2011~2020年）优先发展的8个研究方向。 关键词：地下水；数值模拟；优先发展方向 中图分类号：P641 文献标识码：A 文章编号：1006 -7493（2010） 01-0001-06 Abstract: The present situation of research on groundwater numerical simulation in China is briefly reviewed and analyzed. Problems existing in the development process are summarized. The prospect of the groundwater numerical simulation and some preferential development orientations of this field in the coming decade (2011~2020) is put forward.Key words: groundwater; numerical simulation; preferential development orientation XUE Yu -qun Department of Hydrosciences, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China Present Situation and Prospect of Groundwater Numerical Simulation in China 收稿日期：2009-11-20；修回日期：2010-02-05 作者简介：薛禹群，男，1931年生，教授，中国科学院院士，主要从事水文地质和地下水模拟的教学和科研工作；E -mail: yuqunx@https://www.doczj.com/doc/5818626130.html, 经过三十五、六年的发展，地下水模拟在中国经历了从无到有、从简单的水流模型到比较复杂的物质和热量运移模型；从仿制到独立研制，最后走向世界的艰难发展历程。现在可以说中国已经差不多建立了国际上讨论的各类模型：预报模型、管理模型和识别模型。研究范围涉及饱和带、非饱和带和饱和－非饱和带。基本满足了国民经济发展建设的需要。但还应从更高的角度冷静地查看我们发展中存在的问题，还应从国际上地下水模拟的发展趋势和国民经济发展对地下水的要求来制订发展规划，把我国地下水模拟事业推向一个新的、更高的高度，做出与中国作为世界大国相匹配的贡献。 1 研究现状 近几十年来，随着地下水科学和计算机科学的发展，地下水数值模拟也得到了快速发展，主要体现在：加拿大Borden基地、美国Cape Cod基地与Columbus基地开展的大型野外试验场研究，大大丰富了地下水溶质运移的理论和方法，取得不少新的认识，并为发展和检验溶质运移理论和相应数学模型提供了大量数据（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991； Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；随机方法在非均质介质渗流和溶质运移的模拟中得到比较多的应用，从而加深、甚至改变了人们对此类介质中流体运 DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2010.01.005
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
地下水数值模拟在我国——回顾与展望——为《水文地质工程地质》创刊40年而作 薛禹群 吴吉春(南京大学地球科学系,南京 210093) 今年《水文地质工程地质》将迎来它创刊40周年。40年来,它为发展我国的水文地质工程地质事业,提高我国水文地质学和工程地质学的整体水平作出了不可磨灭的贡献。回顾过去,成绩斐然;展望未来,前景灿烂。仅以此文纪念《水文地质工程地质》双月刊创刊40周年。 1 概貌 我国自1973年以来在地下水的数值模拟方面发展很快,它的应用已遍及与地下水有关的各个领域和各个产业部门。高校、科研院所与生产部门相结合,已运用数值模拟解决了很多国民经济建设中急需解决的各类问题,其中包括: 水资源评价问题(包括供水、排水、水利等各类问题中的地下水水位或压强预报和水量计算等);地下水污染问题,水2岩作用和生物降解作用的模拟;非饱和带水分和盐分运移问题;海水入侵、高浓度咸水 卤水入侵问题;热量运移和含水层贮能问题;地下水管理与合理开发、井渠合理布局和渠道渗漏问题;地下水2地面水联合评价调度问题;地面沉降问题;参数的确定问题。它所涉及的地质情况多种多样,有潜水,也有承压水;有单个含水层的情况,也有多个含水层存在越流的情况,以及种种复杂的地质构造和岩相变化情况。由此,探讨了相应的模型概化与边界条件的处理。模型有二维的(平面的、剖面的),也有三维的,但以二维为主。虽然国内一共建立了多少个模型无法精确统计,但从有限的资料可以看出,从模型类型上看,按国际地下水模拟中心(IG WM C)的分类,几种类型的模型我们都有了,即: (1)预报模型包括水流模型 物质运移模型(溶质运移模型);热量运移模型;形变模型;多目标模型。 (2)管理模型; (3)识别模型其中大部分(估计在90%左右,甚至有可能超过)是预报模型,用来预测水流、污染物、热量、地面变化的时空变化,包括水资源(水量)评价、矿山涌水量、渠系及水库渗漏量预测等。在这些模型中以水流模型为主(80年代早期以前基本上是清一色的水流模型),溶质运移模型次之,其它几类模型占的比例很少。水流模型有饱和的、非饱和的、饱和2非饱和的、地下水2地表水联合的几类,以饱和带模型为主。同时考虑地下水2地表水的模型只是个别的、探讨性的。水流模型一般只考虑均质流体,非均质流体的水流模型则是作为子模型和盐分运移子模型同时处理的。溶质运移模型在我国多数是处理低浓度的水质(地下水污染)问题。因此,由水流方程和对流2弥散方程分别组成的两个子模型可以独立求解,运动方程也以传统的达西定律为基础。只有少数研究海水入侵、卤水 咸水入侵和污水中高浓度污染物运移问题中,密度、粘度要由状态方程决定。此时,上述两个子模型要耦合起来求解。迭代法是解这类问题常用的解法。我国最早的三维可混溶海水入侵模型,是在80年代末期建立的。根据《W ater R esou rces R esearch》的评审意见,该模型发展了潜水含水层条件下的海水入侵模型。在此以前,国际上一直把潜水含水层简化作承压含水层处理,以回避处理降水入渗、潜水面波动对溶质运移的影响。在我国这些海水入侵、卤水 咸水入侵模型以及以后将要谈到的热量运移模型、运动方程中,除了根据传统的达西定律考虑以水头梯度为基础的强迫对流外,还考虑了自然对流。卤水 咸水入侵由于浓度高还考虑了由于粘滞性产生的切应力对水流运动的阻滞。溶质运移模型中,只考虑污染物运移的模型在我国粗略看来略多于同时考虑吸附、解吸等的模型。少数模型已深入探讨了海水入侵过程中,水2土间发生的N a+2Ca2+、M g2+2Ca2+阳离子交换。但,处理更为复杂的如氮素生物化学转换的模型尚未见报导。我国研究热量运移、形变的模型不多,且都和一些大城市的地面沉降及为控制地面沉降进行的回灌联系在一起。热量运移模型,已考虑了与热量运移有关的各种主要因素(对流、传导、热机械弥散、自然对流、水
第一部分：数值模拟技术研究文献综述 浅析数值模拟技术 1．引言 近年来，随着我国大规模地进行“西部大开发”和“南水北调”等巨型工程，越来越多的岩土工程难题摆在我们面前，单纯依靠经验、解析法显然已不能有效指导工程问题的解决，迫切需要更强有力的分析手段来进行这些问题的研究和分析。自R.W. Clough 上世纪60年代末首次将有限元引入某土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的普及及计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能。在这样的背景下，数值模拟特别是三维数值模拟技术逐渐成为当前中国岩土工程研究和设计的主流方法之一，也使得岩土工程数值模拟技术成为当今高校和科研院所岩土工程专业学生学习的一个热点。 采用大型通用软件对岩土工程进行数值模拟计算，在目前已成为项目科研、工程设计、风险评估等岩土类项目的必须，学习和掌握Ansys、FLAC3D、UDEC 等数值计算软件已成为学校、科研院所对工程从业人员的基本要求。 数值模拟方法主要有限元法、边界元法、加权余量法、半解析元法、刚体元法、非连续变形分析法、离散元法、无界元法和流形元法等，各种方法都有其对应的软件。 2.数值模拟的发展趋势 可以说, 继理论分析和科学试验之后, 数值模拟已成为科学技术发展的主要手段之一。随着软件技术和计算机技术的发展, 目前国际上数值模拟软件发展呈现出以下一些趋势： （1）. 由二维扩展为三维。早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。随着第三代、第四代计算机的出现, 才开始研制和发展更多的三维计算程序。现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如LS-DYNA2D 和LS - DYNA3D、AUTODYN2D 和AUTO-DYN3D。 （2）.从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值模拟方法。近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流等求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时，空气冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播，这就需要用固体力学和流体动力学的数值模拟结果交叉迭代求解。 （3）.由求解线性问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决。众所周知，非线性的数值模拟是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和资金，开发了诸如LS- DYNA3D、ABAQUS和AU-TODYN等专长求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效
国外地下水模拟软件的发展现状与趋势 丁继红 (吉林大学数学科学学院) 周德亮, 马生忠 (吉林大学综合信息矿产预测研究所) 通过对目前国际上最有影响的几个地下水模拟软件的分析，概述了地下水模拟软件的发展现状，指出组件化、与GIS 集成、前后处理功能强化、科学可视化的深入应用将是未来地下水模拟软件发展的主要趋势。 一、引言 利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用。一个完整的地下水模拟过程包含3个部分：前处理、模型计算和后处理。前处理是指在进行模拟计算之前对计算过程中所需数据的整理、组织、输入及计算网格的编号与生成。模型计算是进行地下水流动或水质运移正反演计算，常用的方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等。后处理是将计算所产生的结果数据，用图形或表格显示或存放起来，以供研究人员方便地进行分析和使用。传统的地下水模拟过程复杂繁琐，前后处理所花费的时间往往是计算时间的几倍，甚至是几十倍。如何获取、组织和输入模拟计算所必备的含水层复杂结构、庞大的数据与参数，如何分析和理解模拟计算过程中所产生的庞大的结果数据，如何减轻研究人员的劳动强度，缩短研究工作时间，成为传统地下水模拟研究工作面临的突出问题和困难。计算机技术的快速发展，在不断驱使研究人员对更为复杂的含水层系统中的地下水运动及溶质运移进行数值模拟的同时，又不断为解决问题提供新的技术和手段。近年来，在人机交互、计算机图形学和科学可视化等技术的推动下，国外地下水模拟软件不论是在数量还是质量上都有了巨大的发展和提高，前后处理的可视化功能日益强大。 二、最有影响的几个传统地下水模拟软件 通过近二十年的研究与发展，国际上已经形成了一批非常有影响的地下水模拟DOS版本的软件，它们今天在国际地下水模拟研究领域依旧非常活跃，如MODFLOW、MT3DMS、MT3D99、PEST、MODPATH、UCODE等。 1、MODFLOW MODFLOW是由美国地质调查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。自从它问世以来，MODFLOW已经在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。这种普及性是由其如下的特点决定的。 程序结构的模块化。MODFLOW包括一主程序和若干个相对独立的子程序包(Package)。每个子程序中有数个模块，每个模块用以完成数值模拟的一部分。例如河流子程序包用来模拟河流与含水层之间水力联系；井流子程序包用来模拟抽水井和注水井对含水层的影响。MDFLOW的这种模块化结构使得其程序易于理解、操作、修改和添加。MODFLOW问世以来，不断有新的子程序包被开发出来，例如用来模拟抽水引起地面沉降的子程序包(Leake和Prudic,1998)，用来模拟水平流动障碍(Horizontal flow-barrier)的子程序包(Hsieh和Freckleton,1993)等。新子程序的加入，使MODFLOW的应用范围不断扩大。 离散方法的简单化。MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。差分法易于程序的普及和数据文件的规范。其主要缺点是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元，延长程序的运行时间，随着计算机速度的迅速提高，计算机受网格数量的限制越来越小，差分法的优势越来越大，MODFLOW解决地下水流运动问题已经将含水层剖分到多达360×360×18个网格单元。 MODFLOW引进了应力期(Stress Period)概念，它将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间段。在同一应力期，各时间段既可以按等步长，也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内，所有的外部源汇项的强度应保持不变。这样就简化、规范了数据文件的输入，而且使得物理概念更为明确。 求解方法的多样化。迄今为止，MODFLOW已经含有强隐式法、逐次超松弛迭代法、预调共轭梯度法等子程序包。可以预见，MODFLOW的求解子程序包必将更加多样化，应用范围也更为广泛。大量实际工作表明，只要恰当使用，MODFLOW也可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。不仅如此，经过合理的概化，MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动
地下水数值模拟任务、步骤及常用软件 1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。 2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。
中国地质大学 研究生课程论文封面地下水数值模拟模型建立的一般步骤 课程名称：地下水数值模拟 教师： 研究生： 研究生学号： 研究生专业： 所在院系： 类别： B.硕士 日期：2014 年12月31日
注：1、无评阅人签名成绩无效； 2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效； 3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。
随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，水资源的供需矛盾日渐突出，大量开采地下水，产生了诸多的地质环境问题，如区域水位大幅下降，漏斗不断扩大，产生地面沉降、塌陷、水质恶化、泉水干涸等问题。因此对地下水资源的合理开发利用提出了更高的要求，即要从定量角度对地下水资源进行预测和评价，建立合理的开发利用方案。但水文地质条件客观的复杂性，限制了用地下水动力学中建立的解析法解决问题的广泛性。于是，70年代初以来，随着电子计算机的发展，地下水数值模拟技术逐渐渗透到水文地质学科，开拓了水文地质领域的定量计算。人们通过地下水数值模拟技术，来获得满足一定工程要求的数值解，尤其在水量计算、资源评价、地下水污染预测、地下水的合理开发和地下水资源管理等方面应用更加广泛。经过20年的探索和实践表明，地下水数值模拟对水文地质学科中某些理论和实际问题的解决起了很大作用，构成现代水文地质学科形成和发展的重要推动力之一，己成为人们揭示水文地质规律和资源评价与管理中必不可少的工具。 地下水系统数值模拟是定量分析地下水资源和地下水环境变化的手段。其实现过程为：在给定的地下水系统水文地质条件下，从初始状态开始，根据初始水位及地面标高等确定初始蒸发量、灌溉入渗量及泉水溢出量，再由边界附近的初水力梯度确定边界流量，然后通过上述定解条件对数学模型离散求解，得到下一时刻各点的水位（包括边界水位）。根据求得的水位，确定新的蒸发量、灌溉入渗量、泉水溢出量、边界水力梯度和边界流量，为下一步计算提供依据。不断重复上述过程，就可实现地下水动态数值模拟。此模拟过程避免了定解条件的先验给定，由具体的开采规划和开采后的水文地质环境来确定新的补排关系。 地下水数值模拟广泛应用于地下水位预测、地下水资源开发利用规划、地下水循环机制研究、地下水溶质及热运移研究、地下水资源预报与评价等，并在我国取得了巨大成就。 关键词：地下水数值模拟；溶质运移；模型建立；
地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势 郝治福，康绍忠 (中国农业大学中国农业水问题研究中心) 目前地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世纪60年代中期以来，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用，数值计算方法在地下水资源分析评价中得到逐步推广，具有明显的通用性和广泛的适用性。尤其近十几年，地下水系统数值模拟取得了长足进步。 一、国外地下水系统数值模拟研究现状 目前，国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。 1、该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序、步骤方面达成了一 致，强调对水文地质条件合理概化的重要性，并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。 根据Anderson等提出的工作程序，要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型，应进行以下工作：确定模型目标，建立水文地质概念模型，建立数学模型，模型设计及模型求解，模型校正，校正灵敏度分析，模型验证和预 报，预报灵敏度分析，模型设计与模型结果的给出，模型后续检查以及模型的再设计。Ewing提出地下水污染流模拟和建模需要强调3个方面的问题：①有效地模拟复杂的流体之间以及流体与岩石之间的相互作用；②必须发展准确的离散技术，保留模型重要的物理特性；③发挥计算机技术体系的潜力，提供有效的数值求解算法。针对Newman等的推测，Wood提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。Kim等对抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse water level fluctuation)现象进行数值模拟，阐述了其机理性原 因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。Ghassemi指出三维模型可以详细说明含水层系统的三维边界条件以及抽水应力情况，而二维模型就不能恰当处理。Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各种各样的水文学、地质学和地球物理学的数据及模型的不确定性，可以用于地下水系统数值模拟的数据整合和模型校准。Mazzia等提出特别的数值方法用于求解重盐地下水运移模拟的二维非线性动力学控制方程，效果很好。Li Shu-guang 等指出数值模型还不能解决预报的不确定性因素问题，并开创性地提出一种随
地下水数值模拟研究进展与发展趋势 摘要：地下水数值模拟的应用研究进展国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距，主要应用研究在地下水位预测、地下水资源开发利用、地下水循环机制研究、地下水资源预报评价等水量、水位问题方面，但在加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题方面的应用研究逐渐增多，并已取得了一定的成果。 关键词：数值模拟、进展、发展趋势 随着计算机技术的快速发展，科学有效的数值计算方法在处理地下水污染、分析地下水资源评估等问题中的应用越来越广泛; 利用数值模拟软件对地下水流等问题进行模拟，以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法［1］。尤其针对加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题，建立准确的数值模型进行预测是查明污染物污染潜水范围、程度及其分布特征最有效最直观的方法之一，同时还可以为污染区实施污染防治与修复等优化配置提供科学技术支持［2］。 地下水数值模拟的应用研究进展国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距，主要应用研究在地下水位预测、地下水资源开发利用、地下水循环机制研究、地下水资源预报评价等水量、水位问题方面，但在加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题方面的应用研究逐渐增多，并已取得了一定的成果［4］。 近几十年来，随着地下水科学和计算机科学的发展，地下水数值模拟也得到了快速发展，主要体现在：加拿大Borden基地、美国Cape Cod基地与Columbus基地开展的大型野外试验场研究，大大丰富了地下水溶质运移的理论和方法，取得不少新的认识，并为发展和检验溶质运移理论和相应数学模型提供了大量数据（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991；Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；随机方法在非均质介质渗流和溶质运移的模拟中得到比较多的应用，从而加深、甚至改变了人们对此类介质中流体运动和溶质运移的认识（Dagan and Neuman，1997； Zhang D，2002）；通过多孔介质中水流运动、溶质运移和化学反应，甚至生物过程的耦合建立模型来集成地研究这些过程也取得很多进展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。此外，计算方法也取得不少进展，但溶质运移模拟中数值弥散和振荡问题的解决和地下水模拟逆问题的求解进展比较缓慢（Sun and Yeh，2007）。 由于种种原因，国内地下水数值模拟开展得比较晚，始于20世纪70年代初，当时文化大革命还没有结束，所以从事这项工作困难重重，而且人也不多，主要来自高等学校和研究部门，以后才逐步扩展到产业部门。为了加快我国地下水数值模拟的发展，深切感到有必要
地下水数值模拟任务、步骤及常用软件1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。 2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。
目前地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世纪60年代中期以来，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用，数值计算方法在地下水资源分析评价中得到逐步推广，具有明显的通用性和广泛的适用性。尤其近十几年，地下水系统数值模拟取得了长足进步。 一、国外地下水系统数值模拟研究现状 目前，国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。 1、该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序、步骤方面达成了一致，强调对水文地质条件合理概化的重要性，并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。 根据Anderson等提出的工作程序，要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型，应进行以下工作：确定模型目标，建立水文地质概念模型，建立数学模型，模型设计及模型求解，模型校正，校正灵敏度分析，模型验证和预报，预报灵敏度分析，模型设计与模型结果的给出，模型后续检查以及模型的再设计。Ewing提出地下水污染流模拟和建模需要强调3个方面的问题：①有效地模拟复杂的流体之间以及流体与岩石之间的相互作用；②必须发展准确的离散技术，保留模型重要的物理特性；③发挥计算机技术体系的潜力，提供有效的数值求解算法。针对Newman等的推测，Wood提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。Kim等对抽取地下水造成的noordbergum effect (reverse water level fluctuation)现象进行数值模拟，阐述了其机理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。Ghassemi指出三维模型可以详细说明含水层系统的三维边界条件以及抽水应力情况，而二维模型就不能恰当处理。Porter等指出DFM (data fusion modeling)可以量化各种各样的水文学、地质学和地球物理学的数据及模型的不确定性，可以用于地下水系统数值模拟的数据整合和模型校准。Mazzia等提出特别的数值方法用于求解重盐地下水运移模拟的二维非线性动力学控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出数值模型还不能解决预报的不确定性因素问题，并开创性地提出一种随机地下水模型，可以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题。Mehl等提出二维局部网格细分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和错误分析的方法。模拟结果的可靠性得到了提高。 2、国外开发了许多功能多样的地下水系统数值模拟软件，以其模块化、可视化、交互性、求解方法多样化等特点得到广泛的使用，尤其MODFLOW，据美国地质调查局统计，MODFLOW几乎占地下水系统数值模拟软件总应用次数的一半，这些年其功能更是不断完善。地理信息系统(GIS)与地下水模型的整合强化了数据的输入、传递、方案调整和空间分析等。遥感(RS)提供了判断地质边界、地貌单元和估算地表蒸发等的工具。地
地下水模拟系统(G MS )软件 祝晓彬 (南京大学地球科学系,南京 210093) 摘要:国外在应用通用标准软件进行地下水数值模拟时,G MS 软件以其友好的使用界面,强大的前处理、后处理功能及其优良的三维可视效果正受到人们越来越广泛的应用。本文在对G MS 软件各模块进行简单介绍的基础上,对其优缺点进行了分析。并结合实际应用经验,列举了该软件在使用过程中常遇到的一些典型问题,以供使用G MS 软件的工作人员借鉴。 关键词:G MS 软件;地下水;数值模拟 中图分类号:P64112 文献标识码:A 文章编号:100023665(2003)0520053203 收稿日期:2003204209;修订日期:2003205230 作者简介:祝晓彬(19802),男,博士研究生,研究方向为地下水 数值模拟。E 2mail :jcwu @https://www.doczj.com/doc/5818626130.html, 地下水模拟系统(G roundwater M odeling System ),简称G MS ,是美国Brigham Y oung 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M ODF LOW 、FE MW ATER 、MT3DMS 、RT3D 、SE AM3D 、M ODPATH 、SEEP2D 、NUFT 、UTCHE M 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。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条6部分组成,使用起来非常便捷。 由于G MS 软件具有良好的使用界面,强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果,目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。 1 G MS 各模块简介 功能十分齐全的G MS 除了包含上述M ODF LOW 、FE M W A TER 、MT 3D MS 、RT 3D 、SE A M3D 、M ODP A TH 、SEEP 2D 、NUFT 、UT CHE M 等主要计算模块外,还包含PEST 、UC ODE 、M AP 、B oreh ole Data 、TI Ns 、S olid 等辅助模块。 M ODF LOW 是美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差 分数值模拟软件[1] 。M ODF LOW 自从问世以来,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[2] ,已被广泛用来模拟井流、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。 FE MW ATER 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化的水流和运移问题。 MT3DMS 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,MT3DMS 需和M ODF LOW 一起使用。 RT3D 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恢复。 SE AM3D 是用于模拟复杂生物降解问题(包括多酶,多电子接收器)的模型。它包含有NAP L 溶解包和多种生物降解包,NAP L 溶解包用于准确地模拟作为污染源的飘羽状NAP L ,生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应。 M ODPATH 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示踪模型。它和M ODF LOW 一起使用,根据M ODF LOW 计算出来的流场,M ODPATH 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。 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,也可以模拟饱和和非饱和带的水流;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。 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。 UTCHE M 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,是一个已经被广泛运用的成熟模型。 PEST 和UC ODE 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PEST 或UC ODE 来调 ? 35? 2003年第5期水文地质工程地质
浅谈地下水数值模拟 在地下水资源评价中，需要通过求解相应的数学模型得到地下水位的变化过程与水文地质参数等。数学模型是用来描述一个系统的结构、空间形式、边界条件和系统内部运动状态等的一组数学关系式。许多描述实际问题的数学模型往往归结为求解一些很复杂的非线性偏微分方程，通常用经典的解析法处理是很困难的。一般的处理办法是把偏微分方程转化为线性代数方程组，然后求解，这属于离散近似的计算方法，所要寻求的不是域内的连续函数而是域内各结点上函数的近似值。 自从地下水非稳定运动理论问世以来，对求解地下水运动的解析方法有了很大的发展。解析方法是用数学上的积分方法或积分变换等方法直接求得数学模型的解，解是某计算点的精确解。计算公式的物理概念清楚，且将表征地下水运动规律的各因素都包含在一个表达式之内，有利于分析各有关因素之间相互联系与相互制约的内在规律及对地下水运动的影响，其计算步骤比较简便，计算工作量相对较少，因此在生产实践中得到广范应用。 地下水非稳定运动理论是以质量守恒性(连续性原理)与能量转换性(达西定律)为基础，对任何复杂的地下水流系统都可以建立其相应的数学模型，即支配地下水运动的偏微分方程及决定其解的初始条件与边界条件。
但数学模型的求解常取决于地下水流系统中水文地质条件能够概化的程度。一般来说，只有当渗流区域的几何形状比较简单，其含水层是均质、各向同性的情况下才能获得其解析解。但在实际应用中，所遇到的水文地质条件往往是比较复杂的，如渗流区域形状不规则；含水层是非均质的，含水层的厚度随时间、空间而变化，隔水底板起伏不平；地下水的补给源中包含有线性补给或局部的面状(小区域)补给；排泄条件的复杂性与变化；含水层不同地段的各向异性；由于抽水而使含水层中部分区域由承压水变成无压水等等。对于这样的区域，采用解析法从理论上求解地下水流运动规律就十分困难，以至无法求解，或者即使得到解析表达式，也仍难于用常规的数学方法求解。如果不顾具体水文地质条件，而一味套用地下水流运动的解析公式必定会因实际问题的过度简化而使所得的计算结果与实际不符，从而失去了实用价值。由于地下水流系统的复杂性，极大地制约了解析解的应用。对于复杂条件下的地下水运动问题，当前最有效的方法是采用数值计算方法。 20世纪60年代以来，随着计算机技术的迅速发展，数值方法作为一种求解近似解的方法被广泛用于地下水水位预报和资源评价中。数值方法是采用离散化的方法来求解数学模型，从而得到研究区域内有限个离散点上的未知函数值。离散化的方法是将研究区域划分成为若干个较小的子区域或称为单元，即化整为零，这些单元的集合体代表的研究区域，即又积零为整。虽然所得解为数值解(即是数值的集合，是数学模型的近似解)，但是只要将单元大小和时段长短划分得当，即对空间步长和时间步长取值合适，计算所得的数值解便可较好的逼近实际情况而满足
地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势
地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势 郝治福，康绍忠 (中国农业大学中国农业水问题研究中心) 目前地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世纪60年代中期以来，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用，数值计算方法在地下水资源分析评价中得到逐步推广，具有明显的通用性和广泛的适用性。尤其近十几年，地下水系统数值模拟取得了长足进步。 一、国外地下水系统数值模拟研究现状 目前，国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。 1、该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序、步骤方面达成了一致，强调对水文地质条件合理概化的重要性，并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。 根据Anderson等提出的工作程序，要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型，应进行以下工作：确定模型目标，建立水文地质概念模型，建立数学模型，模型设计及模型求解，模型校正，校正灵敏度分析，模型验证和预报，预报灵敏度分析，模型设计与模型结果的给出，模型后续检查以及模型的再设计。Ewing提出地下水污染流模拟和建模需要强调3个方面的问题：①有效地模拟复杂的流体之间以及流体与岩石之间的相互作用；②必须发展准确的离散技术，保留模型重要的物理特性；
③发挥计算机技术体系的潜力，提供有效的数值求解算法。针对Newman等的推测，Wood 提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。Kim等对抽取地下水造成的noordbergum effect (reverse water level fluctuation)现象进行数值模拟，阐述了其机理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。Ghassemi指出三维模型可以详细说明含水层系统的三维边界条件以及抽水应力情况，而二维模型就不能恰当处理。Porter等指出DFM (data fusion modeling)可以量化各种各样的水文学、地质学和地球物理学的数据及模型的不确定性，可以用于地下水系统数值模拟的数据整合和模型校准。Mazzia等提出特别的数值方法用于求解重盐地下水运移模拟的二维非线性动力学控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出数值模型还不能解决预报的不确定性因素问题，并开创性地提出一种随机地下水模型，可以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题。Mehl等提出二维局部网格细分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和错误分析的方法。模拟结果的可靠性得到了提高。 2、国外开发了许多功能多样的地下水系统数值模拟软件，以其模块化、可视化、交互性、求解方法多样化等特点得到广泛的使用，尤其MODFLOW，据美国地质调查局统计，MODFLOW几乎占地下水系统数值模拟软件总应用次数的一半，这些年其功能更是不断完善。地理信息系统(GIS)与地下水模型的整合强化了数据的输入、传递、方案调整和空间分析等。遥感(RS)提供了判断地质边界、地貌单元和估算地表蒸发等的工具。地下水系统数值模拟模型与相关领域模型的耦合更扩展了其发展