GMS地下水模拟软件软件介绍

GMS软件介绍 　　地下水模拟系统（GroundwaterModelingSystem）,简称GMS，是由美国BrighamyoungUniversity的环境模型研究实验室在综合Modflow、Modpath等已有地下水模型基础上研发而成的，是一个具有综合性、用于地下水模拟的图形界面软件。　 　　GMS图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条六部分组成，使用起来非常便捷。 　　 　由于GMS软件具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。GMS简要介绍 GMS是EMS套装软件的一个部分，是模拟计算地下水渗流和溶质（污染质）运移的软件； 可以计算2D和3D地下水动力场（MODAEM、MODFLOW）和污染物浓度场（MT3DMS）； 计算并展示污染质的影响范围及其捕获区（MODPATH); 可以模拟计算包气带中的水流和溶质运移(FEMWATER)； 可以根据钻孔资料生成三维地层立体图和剖面图等； GMS的核心计算模块为MODFLOW，数学模型的计算采用有限差分法； GMS具有直观的可视化效果。 一、GMS各子模块功能简介 二、GMS数据的输入方式 三、基于GMS的地下水模拟模型一、GMS各子模块简介 　GMS子模块可分为两种类型，一种是计算模块，另一种是辅助模块。 　计算模块主要包括Modflow、Femwater、Mt3dms、Rt3d、Seam3d、Modpath、Seep2d、Nuft、Utchem等。 　辅助模块包括Pest、Ucode、Map、Tins、Borehole、Solid、T-progs、2D-Scatter　points、3D-Scatter　points等。 　下面将对各模块进行简要介绍。 Modflow子模块是由美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于模拟孔隙介质中地下水流动的三维有限差分软件。由于其结构的模块化、离散方法简单及求解方法的多样化等特点，已广泛用于模拟各类地下水流系统，并在应用中不断发展，目前已发展到Modflow2k，GMS4.0所采用是这一最新版本。 Femwater子模块是用来模拟饱和流和非饱和流条件下水流和溶质运移的三维有限元耦合模型，还可用于模拟咸水入侵等密度变化的水流和运移问题。 Mt3dms子模块用来模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。在计算过程中，需与Modflow联合使用。 Rt3d子模块用来处理多组反应的三维运移模型，适用于模拟自然衰减和生物恢复。 Seam3d子模块用来模拟复杂生物降解问题的模型，包括多酶、多电子接收器。 Modpath子模块是确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径的三维示踪模型，需与Modflow联合使用。 Seep2d子模块是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型，可用来模拟承压流和无压流问题，也可用来模拟饱和和非饱和问题。 Nuft子模块是用来模拟三维多相不等温水流和运移模型，它适合用来解决包气带中的一些问题。 Utchem子模块是用来模拟多相流和运移的模型，它对抽水和水位恢复的模拟较理想，是一个已经被广泛运用的成熟模型。　　以上是GMS所包括的九个子模块。下面简单介绍一下GMS中的九个辅助模块。 Pest和Ucode子模块一般在使用Modflow、Feflow等计算模块时交替运用，来调整选定的参数，直到计算结果和野外观测值相吻合。 Map子模块用来在GMS中建立概念模型。它可以Tiff、Jepg等格式图件为底图，在图上确定表示源汇项、边界、含水层不同参数区域点、线、面的空间位置，快速建立概念模型。 Borehole子模块用来管理钻孔地层数据。多与Solid、T-progs模块联合使用，用来建立地质结构模型。 Solid子模块是利用钻孔数据建立实体模型，结合Tins模块可产生实际地层的三维立体模型，并可任意方向进行切割、旋转。 T-progs子模块是利用钻孔地层数据，采用转移概率的计算方法对区域地层进行模拟，以建立实际的三维立体模型。　　Solid、T-progs子模块均可与Modflow子模块联合使用，建立真三维的地下水流模拟模型。 Tins是三维不规则网格，通常用来表示相邻地层的界面，多个Tins可用来建立Solid模型或三维网格。 2D-Scatterpoints和3D-Scatterpoints子模块分别用来管理二维和三维散点数据。利用散点数据，可进行空间插值。 　GMS软件模块多，功能全，几乎可以模拟与地下水有关的所有水流和溶质运移问题，与其它同类模型软件相比，具有许多优点。　　1、概念化方式建立水文地质概念模型　　建立概念模型是地下水数值模拟中重要的步骤之一，它除了网格化方式外，还有一种概念化的方式，即可利用Map模块，又可利用Gis中的Shp格式文件，建立以点线面表示的概念模型，通过模型转换，可将点线面所带有属性数据转换到相应网格的单元与节点上。与网格化方式相比，无需对每个网格单元进行操作、方便、快捷、准确。 　2、前后处理更强　　结合GMS众多的辅助模块，可方便的输入一系列文件，实现了可视化的输入；同时计算模块的计算结果又可调入辅助模块中进行后处理，实现了计算结果的可视化。 　3、版本更新快，功能不断完善　　GMS软件不断升级，补充许多新的应用程序，不断完善各模块的功能。在最新的5.0版本中，增加了GIS模块，加强了Map模块的功能（4.0调入的仅仅是位置数据，属性数据需用户在GMS中自己增加，5.0加强了这一功能），可以更方便、快速的建立概念模型。　二、GMS数据的输入方式 　由于GMS软件是由众多模块综合而成，因而GMS软件数据的输入方式有很多种，归纳起来，有三种方式：模块Map数据输入、外部GIS数据输入、工具性辅助模块数据输入。 　1、模块Map数据输入利用Map模块所提供的各种工具，直接在调入GMS中的栅格图像文件上，做出用户需要的特征体（点，线，面），如抽水井位置，河流，各种分区等，然后调入GMS模型。 　在Map模块中，*.tiff、*.jpg格式文件可以被调入GMS中做为底图使用。 　对于较复杂地区，由于Map模块本身的原因，这种方法不太适用，一般都采用下面的方法建立概念模型。 　2、外部GIS数据输入 　与Map模块有相似之处，也是用特征体来表示用户需要的概念模型，不同的是，这种方式的数据可以不依靠GMS，利用别的GIS软件，如Arcgis、Arcview等独立完成。GMS所需要的数据为.shp格式。这种方式实现了软件与数据间的无缝连接，用户可以更加自如的利用GIS软件建立自己的概念模型，对于复杂的地区，这种方式就更有优越性。 　当然，GMS还可兼容如CAD，sufer、Dem/Grid等文件，由于利用较少，只介绍shp文件数据。建模准备工作 收集研究区的工作底图，可以是TIF、GPG、DWG、DXF、GIS格式等； 收集研究区的钻孔资料，反映地层结构； 收集研究区大气降雨等气象资料； 收集观测孔的水位等相关资料； 收集研究区的河流湖泊的水位等属性信息； 收集抽水井的抽水量等数据。建模基础 选择计算单位； 定义坐标系； 导入地图 建立概念模型 计算单位 坐标系投影设置1、定义模型的坐标系2、实现不同坐标系之间的转换 导入底图 可导入GIS、CAD格式的底图； 导入图片，用2-3个已知点配准研究区底图的坐标。 建立概念模型研究区边界抽水井河流湖泊流量边界水头边界Point(抽水井)Arcs(河流)Polygon(一般水头边界)Arcs(流量边界)Arcs(定水头边界)特征对象类型：Point代表抽水井和回灌井Vertex(弧线中的顶点）Node(结点）Node(结点）Arc(弧线）代表边界、河流、排水渠等Polygon代表一般水头边界和面状补给、蒸发等polygonpolygon概念模型对象：可供选择的数学模型包括：MODFLOWFEMWATERMODAEMSEEP2DART3D等图层概念： 根据点、线、面等特征对象可以建立许多图层 每个图层代表用户定义的研究区的特性：可包括：研究区的范围图层研究区边界条件、源汇项图层含水层特征图层等；图层设置：数学模型及地层结构模块介绍1、Modaem（地下水流）2、Modflow-GridApproach（地下水流）3、地层结构生成4、Modflow-ConceptualApproach（地下水流）5、Modpath（粒子示踪）6、MT3DMS（溶质运移）地下水渗流模型区别：1、Modaem 单一含水层 稳定流计算 研究区边界不规则。 含水层厚度原则上不变，但可以按厚度分区。 含水层渗透系数原则上不变，但可以按参数分区2、Modflow-GridApproach 多层含水层 稳定流和非稳定流计算 研究区边界为规则矩形 每含水层厚度不变 各含水层渗透系数等参数原则上不变，参数分区繁琐。3、Modflow-ConceptualApproach多层含水层稳定流和非稳定流计算研究区边界不规则每含水层厚度可起伏变化各含水层参数分区简单 单一含水层稳定流水动力场计算 模块名称:Modaem 假定含水层中地下水的水头在垂向上不发生变化。 平面2D数学模型。 优点:不用剖分网格Modaem模型Modaem模型实例在MODAEM模型实例中，练习如下内容：1、学习图像坐标配准；2、练习point、arc和polygon的生成和使用3、建立概念模型及各属性图层；4、运行模型5、等水位线的设置Modflow-GridApproach模型1、网格剖分 3D网格 单元中心为计算结点 Xy平面上网格为直角矩形 垂向上网格反映的地层厚度均一。2、计算包介绍（1）基本信息包(BASICPACKAGE) 初始水位(StartingHeads)； 边界类型(IBound)ibound=1为流量边界ibound=0为隔水边界ibound＝－1为定水头边界（2）含水层信息包(FLOWPACKAGE) BCF(Block-CenteredFlow) LPF(LayerPropertyFlow) HUF(HydrogeologicUnitFlow)BCF视含水层（潜水、承压水、潜水和承压兼备）的性质赋予相应的渗透系数、含水层底板标高、越流系数、导水系数等参数。LPF的参数赋值与含水层性质无关，所赋参数为Kh、Kv、弹性贮存率（storage)等。HUF用于网格剖分后垂向上的某层网格包括数个含水层的情况，不常用。（3）源汇项包 面状源汇项：降雨入渗、蒸发 点状源汇项：抽灌井 线状源汇项：河流、排水渠 一般水头源汇项：湖泊、水库等 面状源汇项降雨补给(Recharge):软件中赋予补给强度(m/d) 点状源汇项抽灌井：软件中赋值方式为抽灌量(m3/d) 线状源汇项河流河流与地下水的关系主要有三种方式。A.地下水补给河流地下水水位H河流水位h河床厚度M河床渗透系数K补给量为QQ=K(h-H)WL/MQ为负值，表示水流出。河流宽度为W，河流长度为LB、河流补给地下水地下水水位H河流水位h河床厚度M河床渗透系数K补给量为QQ=K(h-H)WL/MQ为正值，表示水流入河流宽度为W，河流长度为LC、河流补给地下水（地下水位低于河床）地下水水位H河流水位h河床厚度M河床渗透系数K补给量为Q河流宽度为W，河流长度为L河床底部标高HBQ=K(h-HB)WL/MQ为正值，表示水流入。此时，河流补给量仅与地表水位变化有关，与地下水水位变化无关。软件中需要输入的参数为： 河流的传导率Conductance=KW/M，单位为m/d。 河流起点和终点的水位标高和河床底部标高。排水渠仅起排水作用。排水量Q＝Cond(HB-H)地下水水位H排水渠底标高HBM软件中需要输入导水率Cond（单位为m/d）和排水渠的底部标高HB。当地下水水位低于HB时，Q＝0。 一般水头源汇项（GeneralHead)面状湖泊和水库的源汇项在GMS中通过一般水头处理。与线状河流很相似。湖泊和水库与地下水之间的水量交换：Q=cond(H湖泊-H地下水)Area软件中需要输入导水率Cond(单位为1/d)和地表水体的水位标高。（4）应力期（StressPeriod)地下水动力场对边界条件和源汇项很敏感，一旦边界条件和源汇项发生变化，地下水动力场也会发生相应的变化。因此地下水渗流多为非稳定流，与时间有关。GMS模拟计算地下水非稳定流，采取应力期的方法，计算地下水水位随时间的变化。应力期(stressperiod)时间步长（timestep)Modflow-GridApproach实例 创建3D网格 设置MODFLOW的各信息包 检查边界、源汇项等信息，并运行MODFLOW模型计算结果地层标高差值 地层标高可在Global/BasicPackage中的对话框中赋值。Global/BasicPackage中赋值适宜于各点地层标高一致的情况。 如果地层的顶底面高低起伏，在对话框中赋值非常繁琐。 可在MODFLOW中，利用地层顶底面标高的散点差值生成每个网格结点的顶底标高。 顶底板标高一般而言，第一层的底板就是第二层的顶板。 在地层高低起伏较大的情况下，利用散点差值可能在某处出现两个地层交叉的情况。即第二个地层的底板高于第一个地层的底板。 GMS中提供了4种修正方式。layer1layer2layer1layer2layer1layer2修正方式A修正方式B错误 上下层平均，上下层均修正 保留上层，修正下层 保留下层，修正上层 保留河床形状，修正上部各层练习： 地层差值 结合地层实际情况选择不同的修正方式地层标高差值实例地层结构 地层结构是建立数学模型的基础信息 地层结构对地下水水动力场计算和污染质在地下水中的迁移计算影响很大。 数学模型的准确性很大程度上依赖于准确的地层结构。 GMS可生成地层立体图和三维剖面图，较准确地反映地层结构。 GMS可导入研究区范围内的钻孔资料，生成钻孔柱状图。 针对每个钻孔，自下而上编排层与层接触面的ID号，依次为1，2，3……。 用平面三角网格剖分研究区，进行各接触层面标高的差值。 利用各接触层面生成地层立体图 任意切割剖面，生成三维立体剖面图地层结构生成实例 练习钻孔数据信息的导入 练习地层立体图的生成 练习切割剖面(复杂的水动力场计算模型)Modflow-ConceptualModelApproach练习：1、导入研究区底图2、创建并定义边界及源汇项图层3、将图层转变为3D网格4、导入地层标高的散点并进行差值和修正5、将概念模型转变为MODFLOW6、检查并运行模型7、浏览生成的等值线图8、练习非稳定流不同应力期下的流场计算计算结果Modpath模型 Modpath是粒子示踪模型，建立在MODFLOW的基础上 可以通过在研究区内某位置或某用户定义区域设置粒子，观察粒子在流场中沿流线的运动轨迹。 粒子示踪轨迹，可以顺着地下水流线方向(Forward)，也可以逆着地下水流线方向(Backward)。 根据粒子示踪轨迹，可以确定地下水中污染源的污染晕范围，以及抽水井的捕获区。 该模型用于查明某污染源对地下水的污染范围。可为管理者提供决策依据，通过采取相应的措施，防止污染范围的持续扩大。抽水井的捕获区污染源的污染范围 MT3DMS是溶质运移计算模块 计算并展示某污染物在地下水中的迁移过程及污染物的浓度变化 溶质运移计算需建立MODFLOW基础上 设定地下水中污染质的初始浓度，污染源强度等 输入地层的有效孔隙度、弥散度等参数MT3DMS模型