1、GMS 地下水流数值模拟软件地下水流数值模拟软件中国地质大学环境学院中国地质大学环境学院2010.10提提 纲纲 什么是数值模拟什么是数值模拟 什么是什么是GMS软件软件 实例操作实例操作 如何学习如何学习GMS软件软件 如何安装如何安装GMS软件软件什么是数值模拟什么是数值模拟 数值模拟也叫数值模拟也叫计算机模拟计算机模拟。它以电子计算。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。题研究的目的。引自百度（引自百度（http:/ 地下水数值模拟的基本目的
2、是预测地下水未来动态，为地下水数值模拟的基本目的是预测地下水未来动态，为水质水质和和水量水量的评价提供理论依据。的评价提供理论依据。任务：模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。任务：模拟地下水的流向及地下水水头与时间的关系。地下水流数值模拟资料需求地下水流数值模拟资料需求1|(,)BHH x y t00|(,)tHHx y2|(,)BHTq x y tntHqzHKzyHKyxHKxszyx)()()(水文地质参数：渗透系数，释水系数水文地质参数：渗透系数，释水系数源汇项源汇项研究区域范围研究区域范围边界条件边界条件初始条件初始条件模拟步骤模拟步骤建立概念模型建立概念模型 选择数学模型选择
3、数学模型 将数学模型进行数值化将数学模型进行数值化 模型校正模型校正 校正灵敏度分析校正灵敏度分析 模型验证模型验证 预测预测 预测灵敏度分析预测灵敏度分析 给出模拟设计与结果给出模拟设计与结果 后续检查后续检查 模型的再设计模型的再设计什么是什么是GMS软件软件GMS是是Groundwater Modeling System的简写，是美国的简写，是美国Brigham Young University的环境模型研究室和美国军队的环境模型研究室和美国军队排水工程试验工排水工程试验工 作站开发的用于作站开发的用于地下水模拟地下水模拟的软件包。的软件包。GMS软件的功能软件的功能 GMS运行方式以地
4、下水流模拟为基础运行方式以地下水流模拟为基础,在地下水流模拟的基础上在地下水流模拟的基础上,建立建立一系列的水质模拟。一系列的水质模拟。水量模拟软件：水量模拟软件：MODFLOW/FEMWATERMODFLOW:有限差分法有限差分法FEMWATER:有限元法有限元法水质模拟软件：水质模拟软件：MT3D/RT3DMT3D：a modular 3-D transport model RT3D：multi-species reactive transport model MODFLOW的由来的由来 MODFLOW是英文名称是英文名称Modular Three-Dimensional Finite-d
5、ifference Ground-water flow model(三维有限差分地下水流模型三维有限差分地下水流模型)的简称。由美的简称。由美国地质调查局于国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件。自问世以来地下水流动数值模拟的软件。自问世以来,MODFLOW已已经在全世界范围内经在全世界范围内,在科研、生产、环境保护、城乡发展规在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用,已经已经成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算机程序。成为最为普及的地
6、下水运动数值模拟的计算机程序。MODFLOW软件的程序包软件的程序包n水井水井n补给补给n河流河流n沟渠沟渠n蒸发蒸腾蒸发蒸腾n通用水头边界通用水头边界n模拟河流与含水层之间水力模拟河流与含水层之间水力联系联系n模拟由于抽水引起地面沉降模拟由于抽水引起地面沉降n模拟水平流动障碍模拟水平流动障碍MODFLOW地下水建模的方法地下水建模的方法Grid ApproachConceptual Model ApproachSolid Approach实例操作实例操作:MODFLOWo研究区域概况MODFLOW:Conceptual Model Importing the Background Image
7、Defining the BoundaryBuilding the Local Source/Sink CoverageDelineating the Recharge ZonesLocating the Grid FrameCreating the GridInitializing the MODFLOW DataConverting the Conceptual ModelRunning MODFLOW如何安装如何安装GMS软件软件安装文件安装文件破解文件破解文件双击双击将破解文件拷贝到安装目录下，将原有的文件覆盖将破解文件拷贝到安装目录下，将原有的文件覆盖安装目录安装目录操作说明操作说明
8、安装成功安装成功如何学习如何学习GMS软件软件o水流水流Chapter 2：Grid ApproachChapter 4：Conceptual Model Approacho溶质运移溶质运移Chapter 6：Grid ApproachChapter 7：Conceptual Model Approach概念模型概念模型 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、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、工农业利用情况等岩石矿物、水文、气象、工农业利用情况等模拟的区域模拟的区域:含水层层数含水层层数:分层数据分层数据维数维数:一维、二维
9、、三维一维、二维、三维水流状态：稳定流水流状态：稳定流/非稳定流、饱和流非稳定流、饱和流/非饱和流非饱和流介质状况介质状况:均质和非均质均质和非均质/各向同性和各向异性各向同性和各向异性孔隙孔隙/裂隙裂隙/双重介质双重介质流体的密度差流体的密度差边界条件和初始条件边界条件和初始条件 必要时需进行一系列的室内试验与野外试验必要时需进行一系列的室内试验与野外试验,以获取有关参数以获取有关参数,如渗透系如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等。选择数学模型选择数学模型 根据概念模型进行选择根据概念模型进行选择一维、二维、三维数学模型一维、二维、三维数学模
10、型 水流模型水流模型溶质运移模型溶质运移模型 反应模型反应模型 水动力水动力-水质耦合模型水质耦合模型(热热)水动力水动力-反应耦合模型反应耦合模型 水动力水动力-弥散弥散-反应耦合模型反应耦合模型将数学模型进行数值化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的，数值化就是将数学模型转化为可解的数值模型。值模型。有限差分法有限差分法:GMS-MOFLOW有限单元法有限单元法:FEFLOW模型校正模型校正 将模拟结果与实测结果比较将模拟结果与实测结果比较,进行参数调整进行参数调整,使模使模拟结果在给定的误差范围
11、内与实测结果吻合。拟结果在给定的误差范围内与实测结果吻合。调参过调参过程是一个复杂而辛苦的工作程是一个复杂而辛苦的工作,所调整的参数必须符合所调整的参数必须符合模拟区的具体情况。模拟区的具体情况。最近国外已花费巨力开发研究了自动调参程序最近国外已花费巨力开发研究了自动调参程序(如如PEST),PEST),大大提高了模拟者的工作效率。大大提高了模拟者的工作效率。校正灵敏度分析校正灵敏度分析 校正后的模型受参数值的时空分布、边界条校正后的模型受参数值的时空分布、边界条件、水流状态等件、水流状态等不确定度不确定度的影响。灵敏度分析的影响。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。就是为了确
12、定不确定度对校正模型的影响程度。模型验证模型验证 模型验证是在模型校正的基础上模型验证是在模型校正的基础上,进一步调进一步调整参数整参数,使模拟结果与第二次实测结果吻合使模拟结果与第二次实测结果吻合,以以进一步提高模型的置信度。进一步提高模型的置信度。预测预测 用校正的参数值进行预测用校正的参数值进行预测,预测时需估算未预测时需估算未来的水流状态。来的水流状态。预测灵敏度分析预测灵敏度分析 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。度对预测的影响。后续检查后续检查
13、后续检查在模拟研究结束数年后进行。收集新的野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。由于场址的唯一则该模型对该模拟区来说是有效的。由于场址的唯一性性,故模型只对该模拟区有效。故模型只对该模拟区有效。后续检查应后续检查应在预测结束足够长的时间后进行在预测结束足够长的时间后进行,以以便有足够的时间发生明显的变化。便有足够的时间发生明显的变化。模型的再设计模型的再设计 一般来说一般来说,后续检查会发现系统性能的变后续检查会发现系统性能的变化化,从而导致概念模型和模型参数的
14、修改。一从而导致概念模型和模型参数的修改。一般来说般来说,所有模拟研究都应该进行到第五步所有模拟研究都应该进行到第五步,即即校正灵敏度分析。校正灵敏度分析。Grid Approach 网格法是一种最简单、最基本的建模方法,对于水文地质条件比较简单、研究区面积比较小的模型,网格法也是一种有效的方法。Conceptual Model Approach 概念模型建模的思想就是把三维网格的属性用图层相应实体的属性表示,模型赋值和调参直接操作图层上的实体。概念模型建模概念模型建模需要三个基本的需要三个基本的coverage 图层图层oLocal Source/Sink Coverage:定义地下定义地下水系统的边界范围、井、河流、沟渠等参数水系统的边界范围、井、河流、沟渠等参数oLayer Properties Coverage:定义各含水定义各含水层分区的渗透系数、给水度等层分区的渗透系数、给水度等oArea Properties Coverage:定义降水、定义降水、蒸发蒸腾等参数。蒸发蒸腾等参数。Solid Approach GMS提供了一个Solids 模块用于组建地层的三维结构,一旦建立了地层的Solids 模型,就定义了地层的空间结构,然后转化为概念模型，最后转化为网格模型计算。
