介绍以及PMWIN的使用.pptx

<p>1、地下水数值模拟技术的重要性n n地下水数值模拟技术是当代水文地质学研究和应用的最重要手段之一。这是因为地下水数值模拟技术具有特殊的优越性：n n1.1地下水数值模拟技术可以通过系统地分析和整理已有的水文地质、物探、钻探、调查、监测、同位素、遥感等资料信息，建立地下水流动和污染物运移的数值模型，从而在总体上刻画地下水及污染物在空间与时间上的分布与运移规律；n n1.2 地下水数值模拟技术具有超前预报预测地下水水位变化、污染物运移、包气带水分变化等功能，从而可为工程方案设计（如污染治理方案、供水方案等）提供科学的依据；n n1.3 地下水数值模拟技术与计算机可视化技术相结合，可以及时的以动画与数字化生动的表达地下水运动、地下水水位变化、污染物扩散范围等，得到对地下水资源及环境污染的实时管理与监控，从而进行风险评价分析与调控2 常见地下水模拟软件简介n n2.1MODFLOW、n n综合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型而开发,可进行三维水流模拟、溶质运移模拟，但无法进行热量的运移模拟。MODFLOW可以模拟水井、河流、溪流、排泄、蒸散和补给对非均质地质条件和复杂边界条件的水流系统的影响，n nModflow的可视化版本:n nvisual modflow 和processing modflown n2.2 Feflown n由德国Wasy水资源规划系统研究所研制开发的地下水模型软件包。它采用迦辽金有限单元法进行复杂二维和三维稳定、非稳定流和污染物运移模拟，能够解决下列地下水模拟问题：完全瞬时、半瞬时、稳态地下水流动与溶质运移；随时间变化的实体属性和约束边界条件；饱和与不饱和流动；包含潜水面的承压与不承压含水层；带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学质量运移；考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；密度变化的流动(海水入侵等)。n n2.3GMS、n nGMSGMS是地下水模拟系统是地下水模拟系统(Groundwater(Groundwater modeling system)modeling system)的简称的简称,是美国一所大学综合是美国一所大学综合已有的已有的MODFLOWMODFLOW、MODPATHMODPATH、MT3DMT3D、PESTPEST、等地下水模型而开发的可视化三维地下水、等地下水模型而开发的可视化三维地下水模拟软件包。可使用有限差分或有限元模型对地模拟软件包。可使用有限差分或有限元模型对地下水流进行模拟、可进行溶质运移模拟。建立三下水流进行模拟、可进行溶质运移模拟。建立三维地层实体维地层实体,任意切割剖面任意切割剖面,产生逼真的图像、进产生逼真的图像、进行钻孔数据管理、二维行钻孔数据管理、二维(三维三维)地质统计。但也无地质统计。但也无法模拟热量运移。法模拟热量运移。ModflowModflow是是GMSGMS的核心模块，的核心模块，因此因此GMSGMS软件也存在着软件也存在着Modflow Modflow 的缺陷，对混的缺陷，对混合井流以温度流的模拟有待完善合井流以温度流的模拟有待完善 n nHST3D:n n一个三维热及溶液运移模型(3D Heat&amp;Solute Trasport Model)。可以模拟三维空间地下水流及有关的热、溶液运移,进行地质废物处置、填埋物浸出、盐水入侵、淡水回灌与开采、放射性废物处理、水中地热系统和能量储藏等问题的分析。但HST3D迄今为止还是DOS版本，三维可视化方面有待提高。两大地下水模拟软件比较n nModflowModflow以其求解方法的简单实用、适应范围的广泛及可以其求解方法的简单实用、适应范围的广泛及可视化功能的强大正成为最有影响的地下水模拟平台环境视化功能的强大正成为最有影响的地下水模拟平台环境,其使用范围还将会不断扩大。然而，其使用范围还将会不断扩大。然而，ModFlowModFlow由于采用由于采用矩形网格进行剖分，因而对于处理复杂地质体中的地下水矩形网格进行剖分，因而对于处理复杂地质体中的地下水三维渗流场模拟方面存在着不足，没有有限元三角剖分灵三维渗流场模拟方面存在着不足，没有有限元三角剖分灵活多变。实践也证明活多变。实践也证明,它往往并不适合非饱和流动、密度它往往并不适合非饱和流动、密度变化的流动变化的流动(海水入侵海水入侵)、热对流等问题。、热对流等问题。n nFeflowFeflow使用有限单元法，用户可以快速构建模型来精确地使用有限单元法，用户可以快速构建模型来精确地进行复杂三维地质体的地下水流及运移分析，在这方面其进行复杂三维地质体的地下水流及运移分析，在这方面其功能要强于功能要强于ModFlowModFlow。并且由于。并且由于FeflowFeflow是为满足专门从是为满足专门从事复杂地下水模拟工程的专家对技术的要求而设计的事复杂地下水模拟工程的专家对技术的要求而设计的,因因此此,在这些在这些Visual ModflowVisual Modflow及其它主流软件陷于困境的问及其它主流软件陷于困境的问题中题中,它更可以发挥其独特的作用。它更可以发挥其独特的作用。Feflow Feflow 为德国软件，为德国软件，与平常使用的美国软件有一定差异，上手可能稍慢些。与平常使用的美国软件有一定差异，上手可能稍慢些。MODFLOW的应用n nModflow在全世界地下水模拟应用中占了40%以上,仅visual Modflow 的全世界用户就达到了1万3千多家.n nFeflow主要在加拿大和欧洲的一些国家应用1 MODFLOW的发展n nMODFLOW:The modular finite difference groundwater flow model n n由美国地质调查局()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。n n其主要局限是仅在DOS模式下运行。n n主要的版本：8388962000-20052 MODFLOW的特点n n程序结构的模块化n n离散方法的简单化 n n引进了应力期概念 n n求解方法的多样化 2.1 程序结构的模块化程序结构的模块化MODFLOW采用模块化结构（Modular Structure），即由一个主程序（Main Program）和若干个相对独立的子程序包（Package）组成，各个子程序包又由不同的模块（Module）组成，供主程序随时调用。例如河流子程序包用来模拟河流与含水层之间水力联系；井流子程序包用来模拟抽水井和注水井对含水层的影响。nMDFLOW的这种模块化结构使得其程序易于理解、操作、修改和添加 nMODFLOW问世以来，不断有新的子程序包被开发出来，例如:n 用来模拟抽水引起地面沉降的子程序包 (Leake和Prudic,1998)，n 用来模拟水平流动障碍(Horizontal flow-barrier)的子程序包(Hsieh和Freckleton,1993)等。n新子程序的加入，使MODFLOW的应用范围不断扩大。2.1.1主程序对于任意单元(I,j,k),MODFLOW的主程序还可以写成方程2:根据达西定律可以写出向邻单元间的渗流量:同理,可以写出其它5个面的渗流量:方便大家应用,引入水力传导系数:公式3-8可以写成10-15:将公式10-15代入上式:进行时间离散,向后差分得:公式23可以改写成:n n到此,对任意单元(I,j,k)的计算方程推导完毕,方程24中包含?个未知数.n n对于建立的整个模型,总共n个单元,可以写出?个类似的方程,共含有?个未知数.n n那么我们就可以利用线性代数的知识进行求解.n n2.1.2 子程序n nMODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。差分法易于程序的普及和数据文件的规范。其主要缺点是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元，延长程序的运行时间，随着计算机速度的迅速提高，计算机受网格数量的限制越来越小，差分法的优势越来越大，MODFLOW解决地下水流运动问题已经将含水层剖分到多达50050080个网格单元。2.2离散方法的简单化2.2.1 三维空间的离散2.2.1 单元中心法2.3 引进了应力期(STRESS PERIODSTRESS PERIOD)概念n n它将整个模拟时间分为若干个应力期，每个应力期又可再分为若干个时间段(Time Step)。在同一应力期，各时间段既可以按等步长，也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内，所有的外部源汇项的强度应保持不变 n n这样就简化、规范了数据文件的输入，而且使得物理概念更为明确。n n最多可分成1000个应力期n n强隐式法强隐式法(SIP)n nstrong implicit procedure strong implicit procedure n n逐次超松弛迭代法逐次超松弛迭代法(SOR)n nsuccessive over relaxationsuccessive over relaxationn n预调共轭梯度法预调共轭梯度法(PCG)n nPre-conditioned conjugate GradientPre-conditioned conjugate Gradient2.4 求解方法的多样化n n大量实际工作表明，只要恰当使用，MODFLOW也可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。不仅如此，经过合理的概化，MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动（Guo,1995）；将MODFLOW与溶质运移模拟的软件结合起来，还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度发生变化的问题(Guo和Benett,1997)。PMWIN的简介n n它是MODFLOW的可视化工具几乎包含了MODFLOW的所有功能和扩充模块,例如:MODFLOW2000,nPMPATH,nZoneBudget,nMT3D/RT3D,nWinPEST PMWIN的特点(1)(1)面向用户的完全可视化菜单设计面向用户的完全可视化菜单设计,符合一般操作符合一般操作习惯习惯,容易上手容易上手;菜单功能区简单划分为输入、运菜单功能区简单划分为输入、运行和输出行和输出 3 3 大部分大部分,使用方便使用方便(2)(2)软件可非常容易地在计算机上确定模型区域和软件可非常容易地在计算机上确定模型区域和完全自动剖分完全自动剖分,可在原有剖分基础上任意扩大剖可在原有剖分基础上任意扩大剖分范围或加密网格而不破坏原有的输入数据分范围或加密网格而不破坏原有的输入数据.(3)(3)可视化的为边界条件赋值可视化的为边界条件赋值,智能化判别补排边界智能化判别补排边界的性质的性质,无须事先确定无须事先确定;允许模型设置根据地下水允许模型设置根据地下水埋深变化调整潜水蒸发量及泉水流量埋深变化调整潜水蒸发量及泉水流量.PMWIN的特点(4)有丰富的边界类型供选择.(5)对任意划定范围,能进行分区水量均衡计算,解决了水资源评价与规划中水资源量分区计算难题.(6)扩展模块能解决诸多的特殊水文地质问题.如地面沉降、湖泊萎缩、承压水顶托补给、泉水溢出减少等.适于复杂条件的应用,是我国目前开发的同类软件所不具备的.n n1:1:地下水运动模拟地下水运动模拟地下水运动模拟地下水运动模拟n n_Modflow2000_Modflow2000n n2:2:粒子运动轨迹和传播时间模拟粒子运动轨迹和传播时间模拟粒子运动轨迹和传播时间模拟粒子运动轨迹和传播时间模拟n n_PMpath_PMpathn n3:3:污染物质在地下水中的运动和转化模拟污染物质在地下水中的运动和转化模拟污染物质在地下水中的运动和转化模拟污染物质在地下水中的运动和转化模拟n n_MT3D_MT3D:n n目前国内外应用最为广泛的溶质运移数值模拟软件目前国内外应用最为广泛的溶质运移数值模拟软件,zheng 1990,zheng 1990 n n4:4:水文地质参数的估计和优化水文地质参数的估计和优化水文地质参数的估计和优化水文地质参数的估计和优化n n_Pest_Pestn n澳大利亚澳大利亚Watermark ComputingWatermark Computing公司开发的公司开发的PESTPEST新版本，是功能新版本，是功能强大的模型独立的参数估计程序，广泛应用于地下与地表水文地质学、强大的模型独立的参数估计程序，广泛应用于地下与地表水文地质学、地球物理、化学、结构与地质技术工程以及其它许多领域的模型校正地球物理、化学、结构与地质技术工程以及其它许多领域的模型校正和数据插值。和数据插值。n n5:5:区域的水平衡计算区域的水平衡计算区域的水平衡计算区域的水平衡计算n n_ ZoneBudget,_ ZoneBudget,n n1 1 模拟地下水区域流场及制定地下水资源规划和模拟地下水区域流场及制定地下水资源规划和管理方案管理方案;n n2 2 模拟矿区露天开采或地下开采对区域地下水的模拟矿区露天开采或地下开采对区域地下水的影响及其最优对策方案影响及其最优对策方案;n n3 3 模拟由于近海岸地下水开采或者矿区抽排地下模拟由于近海岸地下水开采或者矿区抽排地下水引起的海水或深部盐水入侵问题水引起的海水或深部盐水入侵问题;n n4 4 模拟饱和带地下水流及其温度分布问题模拟饱和带地下水流及其温度分布问题;n n5 模拟污染物在地下水中迁移过程及其时间空间分布规律（分析和评价工业污染物及城市废物堆放对地下水资源和生态环境的影响，研究最优治理方案和对策）;n n6 模拟地下水过量开采引起的地面沉降等;n nPMWIN的边界条件处理的边界条件处理n n在输入参数的时候在输入参数的时候:n n定水头边界定水头边界:赋值为赋值为-1n n无流边界无流边界:赋值为赋值为0n n其余的边界其余的边界:赋值为赋值为1层数以及边界条件栅格数目和大小各层的相对高程建立模型的空间结构输入水文地质参数应力期水平和垂向导水系数给水度和有效空隙率确定子模型运行提取结果进行分析河流、井、水库、蒸发、补给等水 平 衡 或者 三 维 显示PMWIN的的使使用用过过程程详详图图PMWIN在西安广运潭项目的初步应用要求：评价有无防渗措施对周围地下水的影响，预测防渗层出现身楼以后对周围地下水的影响1）无防渗措施的模拟结果2）有防渗措施的模拟结果3）防渗措施出现问题的模拟结果实例讲解1:Step1:空间结构的划分Step2:模型参数输入对话框Step3:时间的划分Step4:子程序包的调入对话框4.1蒸发子程序包的调入4.2水库或者湖泊子程序的调入 3-314.补给子程序的调入4.河道子程序的调入运行结果年以后井的影响范围天以后井的影响范围年以后污染物的影响范围监测井中的浓度时间关系曲线实例演示2:空间划分1年后的地下水位分布填充以后的显示空间流场分布剖面的流场分布确定出不同时间长度以后污染的范围:1年 3年 5年5年后,垂直剖面的污染物浓度分布(右图)5年后,三维空间的污染物浓度分布实例演示问题：西安市郊区要计划建设一个大型工厂，该工程每天需水量为3000立方米，但是要求取水量不得引起工厂周围500米以外地区水位下降0.5米。已知水文地质条件如下：2层各向同性的水文地质条件,上层的K为20米/天,下层的为15米/天,上层厚10米,下层为8米,给水度为0.3,有效空隙率为0.35.边界与初始条件:四周均为定水头边界初始水头为16米</p>