地下水流數值模擬軟件介紹

1、GMS 地下水流數值模擬軟件地下水流數值模擬軟件GMS 地下水流數值模擬軟件地下水流數值模擬軟件1、什么是、什么是GMS？2、GMS模塊介紹模塊介紹3、GMS建模方法建模方法GMS軟件軟件介紹介紹 GMS是是Groundwater Modeling System的簡寫，是美國的簡寫，是美國Brigham Young University的的環(huán)境模型研究室和美國軍隊排水工程試驗工環(huán)境模型研究室和美國軍隊排水工程試驗工 作站開發(fā)的用于作站開發(fā)的用于地下水模擬地下水模擬的軟件包。的軟件包。GMS是具有功能強大的圖形界面、綜合化的地下水模型構建和數值模擬環(huán)境的軟件包是具有功能強大的圖形界面、綜合化的地

2、下水模型構建和數值模擬環(huán)境的軟件包 該軟件在該軟件在Windows平臺下開發(fā)，繼承了平臺下開發(fā)，繼承了Windows軟件直觀、便于學習和使用等軟件直觀、便于學習和使用等特點，特點，GMS不僅全面包容了模擬地下水流每一個階段所需的工具，如邊界概化、建模、后不僅全面包容了模擬地下水流每一個階段所需的工具，如邊界概化、建模、后處理、調參、可視化，同時，它也是目前唯一支持處理、調參、可視化，同時，它也是目前唯一支持TINs、Solids、鉆孔數據、鉆孔數據、2D與與3D等地質統(tǒng)計學的地下水流模擬軟件。等地質統(tǒng)計學的地下水流模擬軟件。 前后處理更強 結合結合GMSGMS眾多的輔助模塊，可方便的輸入一系列

3、文件，實現(xiàn)眾多的輔助模塊，可方便的輸入一系列文件，實現(xiàn)了可視化的輸入；同時計算模塊的計算結果又可調入輔助模塊中進行后處理，實了可視化的輸入；同時計算模塊的計算結果又可調入輔助模塊中進行后處理，實現(xiàn)了計算結果的可視化?，F(xiàn)了計算結果的可視化。GMS界面界面menus菜單欄Tool Palette工具面板Project Explorer項目資源管理器Graphics Window圖形窗口Modules軟件模塊status bar狀態(tài)欄GMS軟件模塊GMS 它 包 MODFLOWFEMWATERMT3D RT3D SEAM3DMODPATH SEEP2D T -PROGS UTCHEM PEST和UC

4、ODE 等計算模塊 與MAP 、Boreholes 、TINs 、Solids 、Grid、Mesh 、Scatter Points 、Grid 和 GIS 等輔助模塊GMS計算模塊MODFLOW：由美國地質勘探局的McDonald 和 Harbaugh在 1988開發(fā)， 2000年推出MODFLOW_2k版。MODFLOW用可變有限差分網格，單元中心算法，可求解飽和地下水的穩(wěn)定和非穩(wěn)定流動問題三維數值模型。可分析的地下水流動影響因素的水文地質特性有（1）各類地理層滲透系數；（2）點源或匯（反映了潛水層及承壓層的井流特性）；（3）面源或匯（反映了地表入滲或蒸發(fā)特性）；（4）線及面元屬性（反映河

5、渠及水庫等滲透、水位）。 2、MODPATH：由美國地質勘探局為MODFLOW開發(fā)的后處理軟件，其將MODFLOW的輸出生成質點軌跡并將其顯示出來。該軟件可用于分析污染源的擴散問題、演示污染影響區(qū)域。3、 FEMWATER：是由美國環(huán)境保護署的Athens實驗室和美國軍工水道實驗站在1990年分別開發(fā)后經整合而成的三維有限元地下水數值模型。該模型可分析地下飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)下的地下水流動和輸運問題中的穩(wěn)定、非穩(wěn)定問題；還可模擬密度相關問題，這為分析海水入浸問題提供了有力的分析工具。GMS計算模塊4 SEEP2D：是二維有限元穩(wěn)定流動模型。主要用以模擬土壩、防滲樁墻區(qū)域內的二維滲流流場分析。5

6、 MT3DMS：是三維有限差分數值模型，用于分析地下水中的溶質間的對流、擴散和化學反應的數值模擬。MT3DMS是在完成了MODFLOW模擬后進行的，它需要MODFLOW提供網格水頭值和網格間通量值。6 RT3D：為多物種三維模型，用于模擬自然衰減和生物恢復過程。7 SEAM3D：用于模擬復雜的生物衰減問題中的反應輸運模型。由Virginia Tech University的Mark Widdowson開發(fā)。8 NUFT：用輸運問題的3維有限差分模型。由德州大學 Geosystems 工程和石油中心開發(fā)。10 ADH：是3維有限元流動和輸運模型。除能模擬地下水的流動、輸運外，它還可以模擬3維 N

7、avier-Stokes 表面流動，且具有水文自適應能力。11 ART3D ：是3維反應輸運問題的解析幕景模型。用戶可隨意設置觀測點， ART3D可準確計算每一觀測點的每種物質的集度。ART3D可進行前進計算，反向計算和隨機計算。GMS軟件模塊 Tins模塊即三角不規(guī)則網絡(Triangulated Irregular Net-works)，通常用來表示相鄰地層的界面，多個TINs就可以被用來建立實體(Solid)模型或三維網格。TIN module點右鍵點右鍵修改修改DisplayDisplay選項選項GMS軟件模塊 Boreholes鉆孔數據用來管理樣品和地層這兩種格式的鉆孔數據。樣品數據

8、用來作等值面和等值線；地層數據用來建立TIN、實體和三維有限元網格。（例8）Borehole module雙擊雙擊Cross SectionGMS軟件模塊 Solids實體模型是在不規(guī)則的三角形網絡(TIN)建立完成后，通過一系列操作產生的實際地層的三維立體模型。GMS軟件模塊 2D Scatterer Point二維散點模塊，將地面及含水層頂底板控制點，水位控制點，溶質濃度控制點等導入模型，通過插值生成等值線，從而將每個活動單元格賦值GMS軟件模塊 3D Scatterer Point三維散點模塊，用于三維地質統(tǒng)計學，用垂向列、等距的數據，可以將其導入網格，以圖形來表示污染羽。GMS軟件模塊

9、 2D Mesh,包括SEEP2D模塊，它是用來計算壩堤剖面滲漏的二維有限元穩(wěn)定流模型?？梢杂糜谀M承壓和無壓流問題，也可以模擬飽和和非飽和帶的水流；對無壓流問題，模型可以只局限于飽和帶。根據SEEP2D的結果可以作出完整的流網。 GMS軟件模塊 3D Mesh，包括FEMWATER模塊，它是用來模擬飽和流和非飽和流環(huán)境下的水流和溶質運移的三維有限元耦合模型，還可用于模擬咸水入侵等密度變化的水流和運移問題。 GMS軟件模塊 2D Grid模塊，將控制點數據插值后分配到二維網格； 3D Grid包括MODFLOW模塊，MODPATH模塊，MT3D模塊，UTCHEM模塊，ART3D模塊。其中：o

10、MODFLOW包括水井、補給、河流、溝渠、蒸發(fā)蒸騰和邊界等子程序包，分別用來處理相關的水文地質條件，用來進行地下水流數值模擬； GMS軟件模塊oMODPATH是確定給定時間內穩(wěn)定或非穩(wěn)定流中質點運移路徑的三維示蹤模型。它和MODFLOW一起使用，它利用由MODFLOW計算出的逐個單元的水頭聯(lián)合土壤的孔隙度來計算每個粒子通過水流區(qū)域的軌跡。MODPATH可以追蹤一系列虛擬的粒子來模擬從用戶指定地點溢出污染物的運動。MODPATH可以使用正向追蹤和反向追蹤方法來模擬單井抽水的影響范圍和描述給定時間內井的截獲區(qū)。oMT3D是三維地下水溶質運移程序，能夠模擬地下水系統(tǒng)中的平流、擴散、衰減、溶質化學反應

11、、線性與非線性吸附作用等現(xiàn)象； GMS軟件模塊oUTCHEM是模擬多相流和運移的模型，主要應用于抽水和恢復。oRT3D是處理多組分反應的三維運移模型，適合于模擬自然衰減、生物恢復、重金屬、石油烴等在地下水中的遷移。GMS軟件模塊 Map模塊，用來建立水文地質概念模型，在MAP模塊下，以TIFF、JEPG等圖件為底圖，在圖上確定表示源匯項、邊界、含水層不同參數區(qū)域的點、曲線、多邊形的空間位置，快速建立起概念模型。 GMS軟件模塊 GIS模塊，可以將shape文件導入模型，在mapping中通過shapes to Feature Objects將文件導入map模塊。使用GIS模塊可以在GMS中直接

12、顯示 GIS數據庫的數據，而不必將數據轉化為GMS數據格式。GMS軟件的建模方法 1、網格法建模是一種最簡單、最基本的建模方法, 用于水文地質條件比較簡單、研究區(qū)面積比較小的模型, 網格法也是一種有效的方法。 但是網格法建模是基于對網格的直接操作，因此參數分區(qū)的賦值、邊界條件的指定和調參都非常繁瑣，工作量巨大。因此，在實際應用中概念模型法應用更為廣泛。u所需模塊（所需模塊（Module）3D Gridu主要操作主要操作GridMODFLOW 2、 概念模型建模的思想就是把三維網格的屬性用圖層相應實體的屬性表示, 模型賦值和調參直接操作圖層上的實體。o概念模型建模運用的模塊有 MAP 、Grid

13、 、Scatter Points ， 計算模塊采用 MODFLOW 模塊。其中 Map 模塊提供了簡單的 GIS 工具，用于創(chuàng)建模擬區(qū)的概念模型。在Map模塊里里，可以定義模型的類別以及與類別對應的各種屬性。 在概念模型下需要建立圖層，圖層里 包含點點(node/vertices分別代表曲線的端點/結點)、弧弧(arc，代表線性實體，如河流、溝渠)和多邊形多邊形(polygon，代表面狀實體，如滲透系數分區(qū)，面狀補給區(qū)，面狀開采區(qū)等)，在應用中可以根據需要在點、弧、面上賦屬性。 如井可以賦值開采量如井可以賦值開采量(可以是常數、也可以隨時間變可以是常數、也可以隨時間變化化),河流可以賦值水力傳

14、導系數、沿程上結點的水位和河流可以賦值水力傳導系數、沿程上結點的水位和河床底板標高河床底板標高,GMS可以根據河流所經單元的長度把單可以根據河流所經單元的長度把單位長度上的水力傳導系數自動換算為相應單元的等效水位長度上的水力傳導系數自動換算為相應單元的等效水力傳導系數力傳導系數,同時同時GMS也可以把已知結點的水位和河床也可以把已知結點的水位和河床底板標高通過線性插值底板標高通過線性插值,得到河流沿程上每個網格結點的得到河流沿程上每個網格結點的水位和底板標高。多邊形可以賦值滲透系數、給水度等水位和底板標高。多邊形可以賦值滲透系數、給水度等屬性。屬性。概念模型建模的思想就是把三維網格的屬性用概念模型建模的思想就是把三維網格的屬性用coverage圖層相圖層相應的屬性表示實際條件應的屬性表示實際條件,模型賦值和調參直接操作模型賦值和調參直接操作coverage上的上的實體。比如河流與溝渠的處理、面狀降水強度的處理。隨時間實體。比如河流與溝渠的處理、面狀降水強度的處理。隨時間變化的參數可以以函數的形式賦值給實體變化的參數可以以函數的形