介紹以及PMWIN的使

1、地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)的重要性

地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)是當(dāng)代水文地質(zhì)學(xué)研究和應(yīng)用的最重要手段之一。這是因為地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)具有特殊的優(yōu)越性：1.1地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)可以通過系統(tǒng)地分析和整理已有的水文地質(zhì)、物探、鉆探、調(diào)查、監(jiān)測、同位素、遙感等資料信息，建立地下水流動和污染物運移的數(shù)值模型，從而在總體上刻畫地下水及污染物在空間與時間上的分布與運移規(guī)律；1.2地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)具有超前預(yù)報預(yù)測地下水水位變化、污染物運移、包氣帶水分變化等功能，從而可為工程方案設(shè)計（如污染治理方案、供水方案等）提供科學(xué)的依據(jù)；1.3

地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)與計算機(jī)可視化技術(shù)相結(jié)合，可以及時的以動畫與數(shù)字化生動的表達(dá)地下水運動、地下水水位變化、污染物擴(kuò)散范圍等，得到對地下水資源及環(huán)境污染的實時管理與監(jiān)控，從而進(jìn)行風(fēng)險評價分析與調(diào)控2常見地下水模擬軟件簡介2.1MODFLOW、綜合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型而開發(fā),可進(jìn)行三維水流模擬、溶質(zhì)運移模擬，但無法進(jìn)行熱量的運移模擬。MODFLOW可以模擬水井、河流、溪流、排泄、蒸散和補(bǔ)給對非均質(zhì)地質(zhì)條件和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響，Modflow的可視化版本:visualmodflow和processingmodflow2.2Feflow由德國Wasy水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所研制開發(fā)的地下水模型軟件包。它采用迦遼金有限單元法進(jìn)行復(fù)雜二維和三維穩(wěn)定、非穩(wěn)定流和污染物運移模擬，能夠解決下列地下水模擬問題：完全瞬時、半瞬時、穩(wěn)態(tài)地下水流動與溶質(zhì)運移；隨時間變化的實體屬性和約束邊界條件；飽和與不飽和流動；包含潛水面的承壓與不承壓含水層；帶有非線性吸附作用、衰變、對流、彌散的化學(xué)質(zhì)量運移；考慮貯存、對流、熱散失、熱運移的流體和固體熱量運移；密度變化的流動(海水入侵等)。2.3GMS、GMS是地下水模擬系統(tǒng)(Groundwatermodelingsystem)的簡稱,是美國一所大學(xué)綜合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、PEST、等地下水模型而開發(fā)的可視化三維地下水模擬軟件包?？墒褂糜邢薏罘只蛴邢拊Ｐ蛯Φ叵滤鬟M(jìn)行模擬、可進(jìn)行溶質(zhì)運移模擬。建立三維地層實體,任意切割剖面,產(chǎn)生逼真的圖像、進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)管理、二維(三維)地質(zhì)統(tǒng)計。但也無法模擬熱量運移。Modflow是GMS的核心模塊，因此GMS軟件也存在著Modflow的缺陷，對混合井流以溫度流的模擬有待完善HST3D:一個三維熱及溶液運移模型(3DHeat&SoluteTrasportModel)?？梢阅M三維空間地下水流及有關(guān)的熱、溶液運移,進(jìn)行地質(zhì)廢物處置、填埋物浸出、鹽水入侵、淡水回灌與開采、放射性廢物處理、水中地?zé)嵯到y(tǒng)和能量儲藏等問題的分析。但HST3D迄今為止還是DOS版本，三維可視化方面有待提高。兩大地下水模擬軟件比較Modflow以其求解方法的簡單實用、適應(yīng)范圍的廣泛及可視化功能的強(qiáng)大正成為最有影響的地下水模擬平臺環(huán)境,其使用范圍還將會不斷擴(kuò)大。然而，ModFlow由于采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，因而對于處理復(fù)雜地質(zhì)體中的地下水三維滲流場模擬方面存在著不足，沒有有限元三角剖分靈活多變。實踐也證明,它往往并不適合非飽和流動、密度變化的流動(海水入侵)、熱對流等問題。

Feflow使用有限單元法，用戶可以快速構(gòu)建模型來精確地進(jìn)行復(fù)雜三維地質(zhì)體的地下水流及運移分析，在這方面其功能要強(qiáng)于ModFlow。并且由于Feflow是為滿足專門從事復(fù)雜地下水模擬工程的專家對技術(shù)的要求而設(shè)計的,因此,在這些VisualModflow及其它主流軟件陷于困境的問題中,它更可以發(fā)揮其獨特的作用。Feflow為德國軟件，與平常使用的美國軟件有一定差異，上手可能稍慢些。

MODFLOW的應(yīng)用Modflow在全世界地下水模擬應(yīng)用中占了40%以上,僅visualModflow的全世界用戶就達(dá)到了1萬3千多家.Feflow主要在加拿大和歐洲的一些國家應(yīng)用1MODFLOW的發(fā)展MODFLOW:Themodularfinite–differencegroundwaterflowmodel

由美國地質(zhì)調(diào)查局(ＵＳＧＳ)開發(fā)的用來模擬地下水流動和污染物遷移等特性的計算機(jī)程序，Modflow使用有限差分方法。其主要局限是僅在DOS模式下運行。

主要的版本：83—88—96—2000---20052MODFLOW的特點程序結(jié)構(gòu)的模塊化離散方法的簡單化引進(jìn)了應(yīng)力期概念求解方法的多樣化

2.1程序結(jié)構(gòu)的模塊化MODFLOW采用模塊化結(jié)構(gòu)（ModularStructure），即由一個主程序（MainProgram）和若干個相對獨立的子程序包（Package）組成，各個子程序包又由不同的模塊（Module）組成，供主程序隨時調(diào)用。例如河流子程序包用來模擬河流與含水層之間水力聯(lián)系；井流子程序包用來模擬抽水井和注水井對含水層的影響。MDFLOW的這種模塊化結(jié)構(gòu)使得其程序易于理解、操作、修改和添加MODFLOW問世以來，不斷有新的子程序包被開發(fā)出來，例如:

用來模擬抽水引起地面沉降的子程序包(Leake和Prudic,1998)，用來模擬水平流動障礙(Horizontalflow-barrier)的子程序包(Hsieh和Freckleton,1993)等。新子程序的加入，使MODFLOW的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。優(yōu)點2.1.1主程序

對于任意單元(I,j,k),MODFLOW的主程序還可以寫成方程2:根據(jù)達(dá)西定律可以寫出向鄰單元間的滲流量:同理,可以寫出其它5個面的滲流量:方便大家應(yīng)用,引入水力傳導(dǎo)系數(shù):公式3-8可以寫成10-15:將公式10-15代入上式:進(jìn)行時間離散,向后差分得:公式23可以改寫成:到此,對任意單元(I,j,k)的計算方程推導(dǎo)完畢,方程24中包含?個未知數(shù).對于建立的整個模型,總共n個單元,可以寫出?個類似的方程,共含有?個未知數(shù).那么我們就可以利用線性代數(shù)的知識進(jìn)行求解.2.1.2子程序MODFLOW采用有限差分法對地下水流進(jìn)行數(shù)值模擬。差分法易于程序的普及和數(shù)據(jù)文件的規(guī)范。其主要缺點是當(dāng)對某些單元網(wǎng)格加密時，會增加許多額外不必要的計算單元，延長程序的運行時間，隨著計算機(jī)速度的迅速提高，計算機(jī)受網(wǎng)格數(shù)量的限制越來越小，差分法的優(yōu)勢越來越大，MODFLOW解決地下水流運動問題已經(jīng)將含水層剖分到多達(dá)500×500×80個網(wǎng)格單元。2.2離散方法的簡單化2.2.1三維空間的離散2.2.1單元中心法2.3引進(jìn)了應(yīng)力期(STRESSPERIOD)概念它將整個模擬時間分為若干個應(yīng)力期，每個應(yīng)力期又可再分為若干個時間段(TimeStep)。在同一應(yīng)力期，各時間段既可以按等步長，也可以按一個規(guī)定的幾何序列逐漸增長。而在每個應(yīng)力期內(nèi)，所有的外部源匯項的強(qiáng)度應(yīng)保持不變這樣就簡化、規(guī)范了數(shù)據(jù)文件的輸入，而且使得物理概念更為明確。最多可分成1000個應(yīng)力期強(qiáng)隱式法(SIP)strongimplicitprocedure逐次超松弛迭代法(SOR)successiveoverrelaxation預(yù)調(diào)共軛梯度法(PCG)Pre-conditionedconjugateGradient2.4求解方法的多樣化大量實際工作表明，只要恰當(dāng)使用，MODFLOW也可以用來解決裂隙介質(zhì)中的地下水流動問題。不僅如此，經(jīng)過合理的概化，MODFLOW還可以用來解決空氣在土壤中的流動（Guo,1995）；將MODFLOW與溶質(zhì)運移模擬的軟件結(jié)合起來，還可以用來模擬諸如海水入侵等地下水密度發(fā)生變化的問題(Guo和Benett,1997)。三維地下水模式PMWIN3D-GroundwaterModelingwithPMWINPMWIN的簡介它是MODFLOW的可視化工具幾乎包含了MODFLOW的所有功能和擴(kuò)充模塊,例如:MODFLOW2000,PMPATH,ZoneBudget,MT3D/RT3D,WinPEST

PMWIN的特點(1)面向用戶的完全可視化菜單設(shè)計,符合一般操作習(xí)慣,容易上手;菜單功能區(qū)簡單劃分為輸入、運行和輸出3大部分,使用方便(2)軟件可非常容易地在計算機(jī)上確定模型區(qū)域和完全自動剖分,可在原有剖分基礎(chǔ)上任意擴(kuò)大剖分范圍或加密網(wǎng)格而不破壞原有的輸入數(shù)據(jù).(3)可視化的為邊界條件賦值,智能化判別補(bǔ)排邊界的性質(zhì),無須事先確定;允許模型設(shè)置根據(jù)地下水埋深變化調(diào)整潛水蒸發(fā)量及泉水流量.PMWIN的特點(4)有豐富的邊界類型供選擇.(5)對任意劃定范圍,能進(jìn)行分區(qū)水量均衡計算,解決了水資源評價與規(guī)劃中水資源量分區(qū)計算難題.(6)擴(kuò)展模塊能解決諸多的特殊水文地質(zhì)問題.如地面沉降、湖泊萎縮、承壓水頂托補(bǔ)給、泉水溢出減少等.適于復(fù)雜條件的應(yīng)用,是我國目前開發(fā)的同類軟件所不具備的.1:地下水運動模擬_____Modflow20002:粒子運動軌跡和傳播時間模擬_____PMpath3:污染物質(zhì)在地下水中的運動和轉(zhuǎn)化模擬_____MT3D:目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的溶質(zhì)運移數(shù)值模擬軟件,zheng1990

4:水文地質(zhì)參數(shù)的估計和優(yōu)化_____Pest澳大利亞WatermarkComputing公司開發(fā)的PEST新版本，是功能強(qiáng)大的模型獨立的參數(shù)估計程序，廣泛應(yīng)用于地下與地表水文地質(zhì)學(xué)、地球物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)與地質(zhì)技術(shù)工程以及其它許多領(lǐng)域的模型校正和數(shù)據(jù)插值。5:區(qū)域的水平衡計算_____ZoneBudget,PMWIN的功能介紹1模擬地下水區(qū)域流場及制定地下水資源規(guī)劃和管理方案;

2模擬礦區(qū)露天開采或地下開采對區(qū)域地下水的影響及其最優(yōu)對策方案;

3模擬由于近海岸地下水開采或者礦區(qū)抽排地下水引起的海水或深部鹽水入侵問題;

4模擬飽和帶地下水流及其溫度分布問題;

PMWIN的用途介紹5模擬污染物在地下水中遷移過程及其時間空間分布規(guī)律（分析和評價工業(yè)污染物及城市廢物堆放對地下水資源和生態(tài)環(huán)境的影響，研究最優(yōu)治理方案和對策）;

6模擬地下水過量開采引起的地面沉降等;PMWIN的邊界條件處理在輸入?yún)?shù)的時候:定水頭邊界:賦值為-1無流邊界:賦值為0其余的邊界:賦值為1層數(shù)以及邊界條件柵格數(shù)目和大小各層的相對高程建立模型的空間結(jié)構(gòu)輸入水文地質(zhì)參數(shù)應(yīng)力期水平和垂向?qū)禂?shù)給水度和有效空隙率確定子模型運行提取結(jié)果進(jìn)行分析河流、井、水庫、蒸發(fā)、補(bǔ)給等水平衡或者三維顯示PMWIN的使用過程詳圖PMWIN在西安廣運潭項目的初步應(yīng)用要求：評價有無防滲措施對周圍地下水的影響，預(yù)測防滲層出現(xiàn)身樓以后對周圍地下水的影響1）無防滲措施的模擬結(jié)果2）有防滲措施的模擬結(jié)果3）防滲措施出現(xiàn)問題的模擬結(jié)果實例講解1:Step1:空間結(jié)構(gòu)的劃分Step2:模型參數(shù)輸入對話框Step3:時間的劃分Step4:子程序包的調(diào)入對話框4.1蒸發(fā)子程序包的調(diào)入4.2水庫或者湖泊子程序的調(diào)入

3-314.３補(bǔ)給子程序的調(diào)入4.４河道子程序的調(diào)入運行結(jié)果３年以后井的影響范圍１００天以后井的影響范圍３年以后污染物的影響范圍監(jiān)測井中的濃度＿時間關(guān)系曲線實例演示2:空間劃分1年后的地下水位分布填充以后的顯示空間流場分布剖面的流場分布確定出不同時間長度以后污染的范圍:1年3年