GMS_地下水應用說明

1、2022-7-41GMSGMS及其基本功能簡介及其基本功能簡介一、一、GMS簡介簡介二、各數(shù)值模型及功能二、各數(shù)值模型及功能三、三、GMS的建模模塊的建模模塊四、四、GMS的后處理的后處理2022-7-42一、一、GMSGMS簡介簡介GMS是地下水模型系統(tǒng)（是地下水模型系統(tǒng)（Groundwater Model System）的英文縮寫。）的英文縮寫。GMS由由Brigham Yong University的環(huán)境模型實驗室和美國軍工水道的環(huán)境模型實驗室和美國軍工水道實驗站合作開發(fā)。實驗站合作開發(fā)。GMS是具有功能強大的圖形界面、綜合化的地下水模型構(gòu)建和數(shù)值是具有功能強大的圖形界面、綜合化的地下水

2、模型構(gòu)建和數(shù)值模擬環(huán)境的軟件包。模擬環(huán)境的軟件包。GMS按模型前處理（建模、初值和邊界條件給定），數(shù)值模擬計算，按模型前處理（建模、初值和邊界條件給定），數(shù)值模擬計算，和后處理（數(shù)據(jù)處理、計算結(jié)果圖形圖像及動畫顯示等）結(jié)構(gòu)設計。和后處理（數(shù)據(jù)處理、計算結(jié)果圖形圖像及動畫顯示等）結(jié)構(gòu)設計。GMS的數(shù)值模型是由其他大學或研究機構(gòu)開發(fā)，的數(shù)值模型是由其他大學或研究機構(gòu)開發(fā)，GMS為這些數(shù)值模為這些數(shù)值模型提供了前處理和后處理開發(fā)程序。型提供了前處理和后處理開發(fā)程序。GMS實現(xiàn)了程序間的無縫聯(lián)結(jié)，而實現(xiàn)了程序間的無縫聯(lián)結(jié)，而所有這些程序都是開放的，提供了所有這些程序都是開放的，提供了FORTRAN程序

3、源代碼，使用戶可在程序源代碼，使用戶可在GMS基礎上進行二次開發(fā)?；A上進行二次開發(fā)。GMS不斷更新發(fā)展，不斷更新發(fā)展，2000年推出了年推出了GMS4.0版，版，2003年新的年新的GMS5.0已通過測試，投放市場。已通過測試，投放市場。2022-7-43二、各數(shù)值模型及功能二、各數(shù)值模型及功能GMS可使用的數(shù)值模型有可使用的數(shù)值模型有11個，將其功能簡介如下：個，將其功能簡介如下：1.MODFLOW：由美國地質(zhì)勘探局的：由美國地質(zhì)勘探局的McDonald 和和 Harbaugh在在 1988開開發(fā)，發(fā)， 2000年推出年推出MODFLOW_2k版。版。MODFLOW用可變有限差分用可變有限

4、差分網(wǎng)格，單元中心算法，可求解飽和地下水的穩(wěn)定和非穩(wěn)定流動問題三網(wǎng)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(shù)值模型?？煞治龅牡叵滤鲃佑绊懸蛩氐乃牡刭|(zhì)特性有維數(shù)值模型?？煞治龅牡叵滤鲃佑绊懸蛩氐乃牡刭|(zhì)特性有（1）各）各類地理層滲透系數(shù)；（類地理層滲透系數(shù)；（2）點源或匯（反映了潛水層及承壓層的井流特）點源或匯（反映了潛水層及承壓層的井流特性）；（性）；（3）面源或匯（反映了地表入滲或蒸發(fā)特性）；（）面源或匯（反映了地表入滲或蒸發(fā)特性）；（4）線及面）線及面元屬性（反映河渠及水庫等滲透、水位）。元屬性（反映河渠及水庫等滲透、水位）。2. MODPATH：由美國地質(zhì)勘探局

5、為由美國地質(zhì)勘探局為MODFLOW開發(fā)的后處理軟件，其開發(fā)的后處理軟件，其將將MODFLOW的輸出生成質(zhì)點軌跡并將其顯示出來。該軟件可用于分的輸出生成質(zhì)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。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：是由美國環(huán)境保護署的Athens實驗室和美國軍工水道實驗室和美國軍工水道實驗站在實驗站在1990年分別開發(fā)后經(jīng)整合而成的三維有限元地下水數(shù)值模型。年分別開發(fā)后經(jīng)整合而成的三維有限元地下水數(shù)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該模型可分析地下飽和狀態(tài)和非飽和狀態(tài)

6、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。問題提供了有力的分析工具。2022-7-444。 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(nèi)的二維滲流流場分析。5。 MT3DMS：是三維有限差分數(shù)值模型，用于分析地下水中的溶質(zhì)間的對流、擴散和化學反應的數(shù)值模擬。MT3DMS是在完成了MODFLOW模擬后進行的，它需要MODFLOW提供網(wǎng)格水頭值和網(wǎng)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：

7、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：用于模擬三相非等熱的流動、輸運模型。由Lawrence Livermore National Laboratory （國家實驗室）的John Nitao開發(fā)。9。 UTCHEM：是多相流動和輸運問題的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 Navier-Stokes 表面流動，且具有水文自適應能力。11。ART3D ：是3維反應輸

8、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(zhì)的集度。ART3D可進行前進計算，反向計算和隨機計算。2022-7-45三、三、GMS的建模模塊的建模模塊1.TINs：不規(guī)則三角形網(wǎng)絡；2.Borehole Module：探孔地質(zhì)資料；3.Solid Module：地理層實體；4.2D Scatter Module：2維散點；5.3D Scatter Module：3維散點；6.2D Grid Module：2維有限差分網(wǎng)格；7.3D Grid Module：3維有限差分網(wǎng)格；8.2D Mesh Module：2維有限元網(wǎng)格；9.3D Mesh Modul

9、e：3維有限元網(wǎng)格；10. Map Module：與GIS相接的水文地質(zhì)概念化建模地圖模塊。2022-7-461、TINs模塊功能模塊功能TINs可將離散的點按Delauney法構(gòu)建三角形網(wǎng)絡，可表示3維空間曲面（如地質(zhì)構(gòu)造層面，潛水面等）并可選用立體圖、等值線或色層圖表示；由TINs面可拉出Solid實體；兩個TINs面可填充出Solid實體；TINs可構(gòu)造2D和3D有限元網(wǎng)格；TINs和Scatter聯(lián)用可按給定插值規(guī)律對曲面進行插值、對網(wǎng)格加密；可將TINs上的線段、等值線或區(qū)域轉(zhuǎn)化為Map中的弧與復蓋以表示河流及湖泊等。 TINs例子2022-7-472、Borehole 模塊的功能模

10、塊的功能Borehole用于將勘探所得水文地質(zhì)資料輸入模型；Borehole可以反應潛水面；Borehole可以構(gòu)造地理層次圖；Borehole可構(gòu)造Horizons，進而可構(gòu)造Solid實體和HUF（水文單元模型）；HUF能將Solid實體的地質(zhì)參數(shù)輸入給數(shù)值計算模型。2022-7-483、Solid模塊的功能模塊的功能構(gòu)造好的Solid實體可任意切割，以檢查地質(zhì)地層是否滿足要求；對Solid給定的地質(zhì)參數(shù)可轉(zhuǎn)換到MODFLOW中，用于計算；可將Solid實體參數(shù)轉(zhuǎn)化為HUF;Solid實體參數(shù)可轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格層參數(shù)。Solid Modul 例子2022-7-494、2D和3D Scatter模

11、塊該模塊提供了多種插值方法，為其它模塊所用，如TINs、Grid和Mesh等。2022-7-4105、3D有限差分模塊有限差分模塊該模塊集成了建模、初值與邊界值給定、數(shù)值模擬計算及輸出顯示等功能；有限差分網(wǎng)格為可調(diào)尺寸的矩形網(wǎng)格；邊初值條件按點源（匯）、面源（匯）給定到網(wǎng)格單元上；值的給定和計算結(jié)果都可按網(wǎng)格的行、列、層觀察或顯示；網(wǎng)格具有切割顯示功能和增減行、列、層功能；在3D有限差分模塊下運算的數(shù)值模擬模型有MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、NUFT、ART3D和UTCHEM。2022-7-4116、2D及及3D有限元網(wǎng)有限元網(wǎng)格模塊格模塊 2D和3D

12、Mesh 模塊用于構(gòu)建、運行和顯示有限元網(wǎng)格計算模型，是基本的模型計算模塊；FEMWATER、ADH和SEEP2D（2D 模型）可在該模塊下運行；在該模型下除可設置水文地質(zhì)參數(shù)外還可設置不同流體性質(zhì)參數(shù)；可根據(jù)求解問題，選用三棱錐、三棱柱、六面體單元；該模塊邊界條件給定方便、準確，可對單元節(jié)點和面元給定水位和通量條件，可模擬井流和給定點匯源，可分析渠道流動；在該模塊下可進行飽和和非飽和狀態(tài)下的地下水流動、輸運和軌跡跟蹤分析；模擬結(jié)果可以在有限元網(wǎng)格上或給定切割面用等值線、色層圖顯示 。2022-7-4127、Map 概念化模塊概念化模塊 Map 模塊提供了一組將 GIS 數(shù)據(jù)、CAD圖形文件（

13、DXT）、掃描圖文件（TIFF）、圖像文件（ JPEG）及由TINs構(gòu)建的圖形轉(zhuǎn)化為地下水分析概念化模型工具；Map 為大流域地下水建模提供了強有力的工具；由Map構(gòu)建的模型可直接轉(zhuǎn)化為有限差分格（3D Grid和2D Grid）和有限元網(wǎng)格（3D Mesh 和2D mesh）計算模擬模型；在Map中水文地質(zhì)資料的輸入是以孤立點（Points）、節(jié)點（Nodes）、弧點（Vertices）、弧與弧族（Arc and Arc Group）、多邊形（Polygons）和覆蓋（Coverage）來表示；孤立點表示井流與觀測站；弧段表示河渠的滲透、位置與流向（由弧點細化）；節(jié)點表示河渠的底高和水位；多

14、邊形表示湖泊及污染源堆放地區(qū)；覆蓋表示地質(zhì)屬性；上述屬性都是3維的。2022-7-413四、四、GMS的后處理的后處理GMS的后處理功能由菜單和工具窗實現(xiàn)；輸出結(jié)果顯示基本形式為：等值線，軌跡線，色層圖，圖像動畫；可以以平面、曲面和立體圖形顯示；輸出結(jié)果可沿X、Y、Z分層顯示，也可在隨意切割的面上顯示分析計算結(jié)果。2022-7-414第二部分第二部分 北京市地下水分析模型構(gòu)想北京市地下水分析模型構(gòu)想2022-7-415一、地下水資源一、地下水資源地下水資源可分為： 深層礦藏水 可開采地下水，包括： 承壓地下水 潛水地下水土壤水毛細管水重力水2022-7-416二、北京市地下水分析需解決的問題二

15、、北京市地下水分析需解決的問題可開采地下水的儲量與分布；水文周期內(nèi)地下水量的平衡分析；給定區(qū)域內(nèi)的可開采水量及給定開采周期內(nèi)的容許開采水量分析；地下水資源隨時變化分析及地下水的近期、中和長期預報；土壤墑情預測、預報；地下水資源保護，污染源對地下水質(zhì)的影響預測。2022-7-417三、地下水資源模型實現(xiàn)的基本條件三、地下水資源模型實現(xiàn)的基本條件需要有一個適用的數(shù)值模型；需要有功能強大的計算機系統(tǒng)；需要有適量的地質(zhì)勘探資料和一定數(shù)量的觀測井；地下水資源模型的建設和校正維護是一個長期工作，一個模型須經(jīng)過一個或多個水文周期（枯水年、豐水年及正常降水年）的驗證，所以需要有一個固定的單位負責這項工作，需要有一定的資金保障。2022-7-418四、模型構(gòu)想與展望四、模型構(gòu)想與展望GMS系統(tǒng)對地下水資源分析是較為全面而適用、易用的軟件系統(tǒng)；將建設的并行計算機為地下水分析模型提供了硬件保證；近期計劃：在2005年底前，將GMS應