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第一讲地下水流数值模拟软件介绍地下水流数值模拟软件是一种可以模拟地下水流动过程的计算工具。
它通过建立数学模型，基于地下水流动方程和物质输移方程，计算地下水流动的速度、压力、水位等参数，并提供可视化结果展示。
地下水流数值模拟软件广泛应用于水资源开发与管理、环境保护和地下水污染治理等领域。
它可以帮助工程师和科研人员预测地下水的流动规律，评估地下水资源的可利用性，优化水资源的开发利用方案，指导地下水环境保护和污染治理措施的设计。
目前市场上有多种地下水流数值模拟软件，如MODFLOW、FEMWATER、Visual MODFLOW、GMS等。
这些软件通常具有以下几个主要特点：1.建模能力：地下水流数值模拟软件能够建立复杂的地下水模型，包括地下水系统的几何形状、边界条件、材料性质等。
用户可以根据实际情况进行地下水模型的建立，以反映真实的地下水系统。
2.求解能力：地下水流数值模拟软件可以通过数值方法求解地下水流动的物理方程。
它使用迭代算法和数值计算技巧，计算得出地下水流动的速度、压力、水位等参数。
求解过程通常需要考虑地下水系统的复杂性和计算效率的平衡。
3.可视化能力：地下水流数值模拟软件可以将计算结果以可视化的方式展示出来。
用户可以通过图表、图像和动画等形式，直观地了解地下水流动的变化趋势和空间分布。
同时，软件还能够提供各种数据统计和分析功能，辅助用户对地下水系统进行定量分析。
4.模型优化能力：地下水流数值模拟软件可以使用模拟结果对地下水模型进行优化。
用户可以根据实际观测数据和模型结果进行比较，进一步改进地下水模型的参数和边界条件，提高模拟结果的准确性和可靠性。
由于地下水流数值模拟软件在不同应用领域具有不同的需求，因此市场上存在多种不同功能和特点的软件。
一些软件具有更高的计算效率和更精确的模型求解能力，适用于大规模地下水系统的模拟。
另一些软件则更加简单易用，适合初学者或小规模地下水系统的模拟。
总之，地下水流数值模拟软件是一种重要的计算工具，能够帮助人们研究地下水流动规律、预测地下水资源变化趋势、评估水资源利用方案和设计环境保护措施。
地下水模拟软件GMS中文使用手册地下水模拟是一种基于数学模型的水文学研究方法，通过模拟不同地下水流动情况，可以更好地了解地下水资源分布和变化规律，为工程建设和保护提供科学依据。
而在地下水模拟中，GMS是一个常用的软件工具，它可以用来建立和分析多种类型的地下水流动模型。
本篇文章将详细介绍GMS软件的基本操作和常用功能，以及地下水模拟的一些注意事项。
一、GMS软件介绍GMS即Groundwater Modeling System，是一款专业的地下水模拟软件，拥有强大的建模分析能力。
GMS可以创建多种类型的地下水模型，包括层状模型、地下水盆地模型、地下水河道模型等。
同时，GMS还拥有强大的数据处理和可视化功能，可以方便地将地下水模型的结果呈现出来。
二、GMS基本操作1、软件安装和启动下载GMS软件后，按照提示进行安装即可。
启动软件后，可以选择新建、打开或最近使用的工程文件。
2、新建工程在GMS中，地下水模型被称为“工程”，因此需要新建一个工程来开始建模。
点击菜单栏的“文件”>“新建工程”，然后设置工程名称、模型类型等参数即可。
3、添加模型在新建工程后，需要添加一个地下水模型。
点击“地下水模型”>“新建”来创建模型，选择模型类型和分析区域范围，然后导入数据（如DEM图像、土壤信息等）。
4、设置材料属性在添加地下水模型后，需要为各个材料设置属性（如渗透系数、孔隙度等），以方便地进行模拟分析。
点击“属性”>“材料属性”来设置材料属性。
5、添加边界条件和压头在进行地下水模拟时，需要将分析范围分为不同的区域，并分别设置边界条件和压头。
点击“水头”>“边界条件”和“水头”>“压头”，在地图上分别添加边界条件和压头所在的点。
6、生成计算网格在设置好材料属性、边界条件和压头后，需要生成计算网格来进行模拟分析。
点击“计算网格”>“自动生成”来生成计算网格，并根据需要进行调整。
7、设置时间步长在进行地下水模拟时，需要设置时间步长和时间范围，以控制分析精度和时间范围。
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。
地下水模拟系统软件介绍
一、GMS数值模拟技术
GMS（Groundwater Modeling System，地下水模拟系统）是一款面向工程师、科学家和行政管理部门的全功能的地下水管理软件。
它能够解决各类地下水模拟问题，提供多样化的模型输入，能够处理任意空间配置的地下水模型并快速进行数值模拟，从而使模拟过程更加高效。
GMS模拟技术源自威斯康星（Wisconsin）大学里克·拉米尔（Rick Lamer）和史蒂文·夏皮罗（Steven Shapiro）在1991年开发的
“U.S.G.S. Groundwater Modeling System”（U.S.G.S.地下水模拟系统），后来在2002年，U.S.G.S.将其开发模型持续完善，形成了GMS数值模拟技术。
二、GMS软件功能
GMS软件主要用于处理非定向地下水模型的数值模拟，它的主要功能是：
（1）地下水模型可视化：GMS软件支持非定向地下水模型，用户可以使用GMS来可视化地下水模型，查看和修改模型的网格参数以及边界条件。
还可以根据地形数据生成三维地形模型，以帮助用户可视化模型并做出正确的抽水控制规划。
（2）数值模拟：GMS支持多种地下水模型数值模拟，其中包括基于时间步长运算、拉格朗日插值方法和拉格朗日格式等多种数学模型。
地下水系统的数值模拟研究近年来，随着城市化进程不断加快和人口增长的逐步加剧，地下水资源的开发利用也变得越来越重要。
然而，地下水的数量、品质和空间分布都受到地质、气候等多方面因素的影响，给其管理和利用带来了极大的挑战。
因此，建立地下水数字模型，深入研究地下水系统是非常重要的。
一、地下水数值模拟的意义和现状地下水数值模拟研究是指通过对地下水流动、输运、化学行为等过程进行数学建模和模拟，以预测和评估地下水资源的分布情况和变化趋势，指导地下水资源的合理开发、管理和保护。
地下水数值模拟可以提供与地下水相关的诸如水文循环、地表地下水联系、水资源调控等决策支持，做好保障和利用水资源的工作。
目前，国内外已经对地下水数值模拟开展研究多年，应用范围也十分广泛。
国内一些城市、地区已经将地下水模型应用于地下水资源开发规划和绩效评估，而国外地下水模型研究则更加成熟，应用领域也包括了陆地水文、地质学、土力学等技术领域，具有较高的应用价值和现实意义。
二、地下水数值模拟的主要方法与技术地下水数值模拟研究方法主要依赖于计算机仿真和实验研究。
两者不同的是，仿真是通过计算机数值分析地下水流动、输运、地下水化学等液体流体力学行为，而实验则是在实际环境中监测和记录地下水的物理化学参数并进行实时分析，从而得出各种地下水特性，如渗透性、毒性、温度等。
数值模拟必要的步骤：1.设计数学模型：需要将地下水系统分成空间块，建立相应的液体物理力学方程组。
2.模型参数的处理和确定：需要了解并确定涉及该地区的一些物理、化学参数，如渗透性、温度、水化学含量和地表地层结构等参数，以及地表地下水的特性。
3.选定模拟参数和计算方法：通常文件计算流密度和地表流速、影响其流体行为的参数，以及计算规模和方法。
4.数值计算、分析结果和模型修正：利用数值方法对地下水流动、转移、质量变化等进行数值模拟计算。
通过模拟进行结果分析并对模型进行修正。
三、常见的地下水数值模拟技术与流程总的来讲，地下水模拟有三种基本技术：格网式有限元模拟（FE）、边界元模拟（BEM）和拉格朗日模拟（LSM）。
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。
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。
3常用模拟软件简介3.1 GMS地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)，简称GMS，是美国BrighamYoung 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(nonaqueous phase 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 SURFACE CHARACTERIZATION(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(Borehole Data)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(Triangulated Irregular 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。
