地下水流模型MODFLOW简介

MODFLOW 模型原理模块化地下水三维流有限差分模型MODFLOW (Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water Flow Model)是由美国地质调查局(USGS)的Mcdonald 和Harbaugh 于20世纪80年代采用FORTRAN 语言开发的地下水三维有限差分数值模拟工具。

MODFLOW 开发之初采用了模块化(Modularization)的设计概念，MODFLOW-2000和MODFLOW-2005延续并扩展了这种模块化的设计方法。

MODFLOW-2000以前的版本由一个主程序和许多具有类似功能的子程序包(Packages)组成，子程序包由若干高度独立的子程序（也称模块，Modules ）组成，各子程序包间也相互独立，分别用于处理各种特定的边界条件和源汇项。

MODFLOW-2000又增加了过程(Processes)这一新概念（Harbaugh et al., 2000; Harbaugh, 2005）。

GMS(Groundwater modeling system)是由美国Brigham Young University 环境模拟研究实验室和美国军队排水工程实验工作站开发的基于概念模型和网格模型的地下水模拟软件，它以MODFLOW 为内核,集成了MODPATH, MT3DMS, PEST 等软件包。

与其他同类应用软件相比，GMS 具有模块齐全、使用范围广泛的特点，特别是概念化方式建立模型，使得建模过程更加直观，操作更加简便，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的标准可视化专业软件系统（周宇渤，2011）。

1地下水流运动方程MODFLOW 模型多孔介质中恒定密度的三维地下水流运动基本方程由如下偏微分方程描述（Harbaugh, 2005）：th S W z h K z y h K y x h K x s zz yy xx ∂∂=+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂ 式中，xx K , yy K 和zz K 分别为渗透系数在x, y 和z 方向上的分量（L T -1），这里假定 渗透系数主轴方向与坐标轴方向一致；h 为水头（L ）；W 为单位体积流量（T -1），代表源汇项；s S 代表孔隙介质的贮水率（L -1），t 为时间（T ）。

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。

modflow实验报告Modflow实验报告引言：地下水是地球上重要的自然资源之一，它对于人类的生存和发展起着至关重要的作用。

地下水的合理利用和管理对于维护生态平衡和人类的可持续发展至关重要。

为了更好地了解地下水的流动规律和预测地下水资源的变化，许多地下水模型被开发出来，其中Modflow是最为常用和广泛应用的一种。

1. Modflow的概述Modflow是由美国地质调查局（USGS）开发的一种三维有限差分地下水流模型。

它可以模拟地下水的流动、水位变化和水量交换等过程，从而帮助我们更好地理解地下水系统的动态变化。

Modflow的应用范围广泛，包括水资源管理、地下水污染监测和地下水资源评估等领域。

2. Modflow的基本原理Modflow的基本原理是基于流体力学和质量守恒定律的。

它将地下水系统划分为一系列的网格单元，通过求解流体力学方程和质量守恒方程，模拟地下水的流动和水位变化。

在模型中，地下水系统的边界条件、材料属性和水文过程等参数需要通过野外调查和实验获得，以确保模型的准确性和可靠性。

3. Modflow的应用案例3.1 地下水资源评估Modflow可以用于评估地下水资源的可持续性和优化地下水开采方案。

通过构建地下水流模型，可以模拟地下水系统的水位变化和水量交换，进而预测地下水资源的变化趋势和响应。

这对于水资源管理者和决策者来说是非常重要的，可以帮助他们合理规划和管理地下水资源。

3.2 地下水污染监测Modflow还可以用于模拟地下水中的污染物传输和扩散过程。

通过建立污染物传输模型，可以模拟污染物在地下水中的迁移路径和浓度分布，从而评估地下水污染的程度和影响范围。

这对于环境保护和污染治理具有重要意义。

3.3 地下水补给研究Modflow还可以用于研究地下水的补给过程和补给机制。

通过建立地下水补给模型，可以模拟降雨入渗和地表水与地下水之间的相互作用，从而揭示地下水补给的规律和影响因素。

这对于水文学研究和水资源管理具有重要意义。

地下水流模型MODFLOW简介课件-页 (一)地下水流模型是一种计算机模型，用于研究地下水流的运动。

为了更好地了解和应用地下水流模型，我们首先需要了解该模型的常用软件，其中一种叫做MODFLOW。

本文将会对MODFLOW进行详细介绍。

1. MODFLOW是什么？MODFLOW是一种流行的地下水流计算机模型软件，由美国地质调查局（USGS）开发而来，自1979年开始使用。

MODFLOW是一种模块化软件，意味着不同的模块可以组合使用以应对不同的地下水问题。

2. MODFLOW的使用MODFLOW可以用于以下方面：- 地下水流动力学研究- 水文地质研究- 地下水管理- 地下水资源研究3. MODFLOW的特点- 模块化设计：不同的模块可以组合使用，而且每个模块都有其独立的输入和输出。

- 开放源代码：MODFLOW的源代码已经被公开，用户可以基于其开发新的模块，或是基于现有模块进行改进。

- 灵活性：用户可以根据实际情况调整模型中的参数，并进行敏感性分析和不确定性分析。

- 数据处理能力：MODFLOW可以处理多种文件格式，包括地理信息系统（GIS）数据。

4. MODFLOW模型输出- 地下水流量：模型可以计算不同地点和时间水量的流量。

- 水头数据：模型可以计算每个时间点的水头，这对于了解地下水水文和地下水资源管理都是非常重要的。

- 地下水位分布：模型可以显示地下水位变化，这对于地下水资源管理和地下水污染研究非常有用。

- 土壤水分分布：MODFLOW还可以计算并显示土壤水分的分布，这对于农业和生态系统研究都是非常重要的。

总结：MODFLOW是一种流行的地下水流模型软件，开放源代码，模块化设计，具有灵活性和数据处理能力，并能够提供地下水流量、水头数据、地下水位分布和土壤水分分布等输出数据。

如果您需要在地下水管理、地下水资源研究和水文地质研究方面进行研究，那么MODFLOW 这个工具将是一个非常可靠的选择。

实例1——MODFLOW操作说明一、前言MODFLOW是一种用于地下水流动模拟的计算机模型，它是世界上最流行的地下水模拟软件之一，也是经常被用于环境工程和地下水资源管理的工具。

本文档旨在提供对MODFLOW的基本了解，以及针对实例1的操作说明。

二、MODFLOW简介1. MODFLOW的基本概念MODFLOW是一种水文地质模型，它可以通过使用数学模型来描述地下水流动过程。

这种模型可以帮助我们预测地下水位、渗透率和水流速度等参数，从而对地下水资源进行评估和管理。

2. MODFLOW的主要功能MODFLOW具有多种地下水流动过程中所需的模型，包括均匀流动、非均匀流动、非饱和-饱和流动、多孔介质输运、热传递等。

此外，MODFLOW也提供了一系列可视化和数据处理工具，方便用户从数据的角度对模型进行优化和调整。

3. MODFLOW的应用范围MODFLOW常被用于地下水资源管理、水文地质建模、地下水源热泵技术等领域。

此外，还可以用于模拟污染物在地下水系统中的传输和分布情况。

三、实例1——操作说明本实例基于MODFEOW中的单层稳态模型，目的是模拟一处地下水流流出的水源的情况。

以下为具体操作步骤。

1. 模型建立首先，需要在MODFLOW中创建相关的文件，包括模型输入文件、模型控制文件、模型数据文件等。

模型控制文件通常包括以下基本信息：•模型描述与标题•模型的计算规格（如时间步长、上限时间、和计算方法等）•输入输出文件的名称和路径•模型计算参数（如最小计算增量、最小收敛值、最大迭代次数等）等模型数据文件则描述了地形和水源的情况。

根据实际情况，可以选择导入COM 文件或手动输入数据。

2. 模拟计算完成模型建立后，可以开始进行模拟计算。

MODFLOW通常是使用迭代算法进行求解，计算结果会在控制文件中显示。

为了使计算结果更加准确，通常需要进行多次迭代。

在这个过程中可以根据需要对参数进行调整，如调整时间步长、收敛值等。

1.1 Modflow 計算地下水流程式原理運用PMWIN(processing modflow)程式中之Modflow 來地下水模擬，模式採用有線差分法(FDM )來求得近似數值解。

模擬之前需將模擬區域劃分成網格(Cell )，每一網格假設為均勻物質，以網格節點或網格中心之水頭代表網格水頭，含水層厚度在水平方向上可以變化，但在數值上會有較大的誤差。

在Modflow 中使用的固定密度(Constant Density)地下水流偏微分方程式(McDonald and Harbaugh ，1988，p.2-1)如下所示： th S W z h K z y h K y x h K x s zz yy xx ∂∂=+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂)()()( 式1-1 式中xx K 、yy K 、zz K 分別為沿著x 、y 、z 座標軸的水力傳導係數。

h=壓力水頭(Potentiometric Head)W=地下水每單位體積的體積流量(Volumetic Flux)的補注源(Sources)或輸出源(Sinks)。

當W<0.0表示流出地下水系統(Out Flow of Ground-Water System)，反之，W>0.0表示流進地下水系統。

Ss=孔隙介質之儲水率。

t = 時間(T)。

當式1-1結合邊界及初始條件時，描述在非均質性及非等向性介質(提供主軸方向的水力傳導係數)中的暫態三維地下水流。

左側代表含水層在不同方向之入滲與水頭變化及地下水補給與抽水造成之三向度地下水流動模式；在均向性穩定流含水層系統中，因為流率為一常數，多孔介質之儲水量為定值，此式即為Laplace 方程式，可由給定之含水層流況、初始水位狀況與邊界條件獲得正確解。

惟在大多數非穩定流系統中，含水層之水位變化在整個模式中是個變數，因此需將水層系統分隔成小區塊，以求得滿足各小區塊間之解與整個系統之近似解；在此假設環境下每一小區塊在單位時間內體積流率即可設定是一常數(McDonald and Harbaugh ，1988)。