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地下水模拟仿真解决方案

    近年来,地下水的研究,已经成为我国城市化发展过程中,十分重要的一个领域。地下水资源的保护与开发,都关系着整个社会、经济的可持续发展,也与老百姓的生活息息相关。由于地下水污染与地表水污染有着明显的不同,具有长期性、复杂性、隐蔽性等特点。

 

        对地下水进行数值模拟,已经成为当前行业内解决地下水问题的主要手段。国际上有上百种数值模拟软件,但基于地下水系统的复杂性,截止到目前为止,还没有任何一种地下水软件能够彻底解决所有地下水问题。本文将为从业者介绍几款主流的地下水行业软件。


一、GMS 地下水模拟软件


1、基本情况


GMS 软件,全称为(Groundwater modeling system),是由美国Brigham Young University 的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。2007年4月,GMS软件开始转由美国的Aquaveo, LLC.公司进行研发及运营。GMS软件在环境保护与评价、水资源利用与管理、建筑、采矿等行业广受欢迎,其操作界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条六部分组成,截止至2017年01月,GMS软件已经升级至10.2版本。


2、GMS软件的特点


1) 模块多、功能全,几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流与溶质运移问题。

2)概念化方式建立水文地质概念模型(水文地质概念模型的建立是至关重要的一步,它是建立数学模型的基础,是整个模拟的前提。)

3)含有制图模块,在不借助其他软件的情况下,进行边界、参数分区、补给条件和排泄条件的绘制、复制等

4) 前处理和后处理功能都比较强大,与GIS接口较好。

5) 数据录入方便,其格式可以用excel、文本等多种格式,不需要特殊的录入文件,也不需要进行文件转换。

6)自检查“校正目标”功能可便利的调试模型。


3、GMS软件主要模块介绍


  • TINs–(Triangulated Irregular Net-works), 三角形不规则网格:该模块用来形成三角形丌规则网格,用以表示空间曲面,通常用来表示相邻地层的界面,多个TINs就可以被用来建立实体(Solid)模型或三维网格。

  • Boreholes-钻孔数据:用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线;地层数据用来建立TIN、solid实体和三维有限元网格。

  • Solid-构造好的Solid实体可任意切割,以检查地质地层是否满足要求;对Solid给定的地质参数可转换到MODFLOW中,用于计算;可将Solid实体参数转化为HUF; Solid实体参数可转化为网格层参数。

  • 2D Mesh-包括SEEP2D模块,用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型。可以用于模拟承压和无压流问题,也可以模拟饱和和非饱和带的水流;对无压流问题,模型可以只局限亍饱和带。根据SEEP2D的结果可以作出完整的流网。

  • 2D Grid-模块:将控制点数据揑值后分配到二维网格。

  • 2D Scatter Point、3D Scatter Point:该模块提供了基础数据和多种揑值方法,为其它模块所用,如TINs、Grid和Mesh等。

  • 3D Mesh-包括FEMWATER模块,用来模拟饱和流和非饱和流环境下的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。

  • 3D Grid -是计算模块,网格建模法即在此模块中实现。包括MODFLOW模块,MODPATH模块,MT3D模块,UTCHEM模块,ART3D模块。

  • Map -提供了一组将 GIS 数据、CAD图形文件(DXT)、扫描图文件(TIFF)、图像文件( JPEG)及由TINs构建的图形转化为地下水分析概念化模型工具;Map 为大流域地下水建模提供了强有力的工具;由Map构建的模型可直接转化为有限差分格(3D Grid和2D Grid)和有限元网格(3D Mesh 和2D mesh)计算模拟模型;

  • GIS - 允许用户操作使用ESRI类型的GIS数据,例如形文件。


4、GMS软件界面及模拟效果展示



钻孔、实体模型、插值及地层横切面三维展示

MODFLOW计算水头三维展示

      

MODPATH井筛管追踪迹线三维展示

    

溶质浐度三维展示

网格法地层的三维展示

Map-真实影像的地表高层覆盖展示

3D Mesh-地表高程的三维展示

5、GMS软件建模应用


1) 研究位于中国某省的农场,面积约1500平方公里,对“节水增粮”规划罐区开采地下水资源进行论证。

2) 采用GMS软件建立某市某区非均质各向异性三维非稳定流数学模型,为该市科学管理地下水资源提供依据

3) 利用GMS系统中的MODPATH模型,对矿井防治水研究领域进行模拟计算。


二、Surfer三维绘图软件(等高线、image map, 3d surface等)


1、基本情况


Surfer软件,是美国Golden Software公司的绘图软件,是当前行业内强大、灵活、最简单灵活的等值线图和三维文体图形绘图软件。Surfer广泛应用于地质学、地理学、农学、气象学、水文学等相关学科,大多用于变量数据的分析、插值和图形绘制。截止至2017年01月,Surfer软件已经发行了V14的版本。


2、Surfer软件可绘制的图形有


  • 等值线图

  • 张贴图

  • 三位表面图

  • 基面图

  • 矢量图

  • 覆盖地图

  • 影像图

  • 三维线框图

  • 渐变地形图


3、Surfer软件在地下水环境质量评价中的应用


通过地下水监测井取得地下水动态监测数据,整理为Surfer软件能够识别的数据文件。例如:.els; .dat.;txt等,通常,研究人员常用的是excel格式文件。

在经过前期数据处理后,就可以用Surfer软件绘制三维图了。如绘制某市地下水位等值线图;绘制某市地下水位流场图等。


4、Surfer软件在界面展示


三、EVS 可视化地质建模软件


1、基本情况


EVS 软件,全称为(Earth Volumetric Studio),是由美国C Tech公司研发的一款基于windows的软件包。EVS软件的前身为 EVS Pro和 MVS,2016年,C-tech公司正式将EVS Pro软件和MVS软件合并到EVS软件中。EVS软件可以支持地质学、地质化学、环境学、探矿工程、海洋学、考古学等多个领域的科研人员,进行三维数据建模,可视化分析。


2、EVS的主要功能


1)钻井的定址、已有的钻井和测量数据的分析; 

2)定点场所的地质观测; 

3)三维建筑的定址和轮廓的勾绘; 

4)道路选址、地形的分析等; 

5)航空影像的处理分析; 

6)土壤的污染分析; 

7)地下水的污染分析; 

8)地下水流分析; 

9)湖泊、河流和海洋数据的处理分析; 

10)空气和噪音污染的等级分析。


3、EVS软件的建模应用


1) 研究某市的水文地质结构,通过建立可视化模型,展示出该市的三维水文地质结构体整体形态、单个含(弱透)水层的三维结构、任意位置的剖面图。并结合3D打印机,将模型快速打印出来,直观地展示该市地下水的存储条件,为该市的地下水规划和管理奠定重要的水文地质基础。

2)通过EVS软件进行地质建模,基于某市的实测钻孔数据,进行该市对应区域含水层及地下水漏斗的三维模拟,提供给相关单位污染物在地层中的分布情况以及地下水开采后所产生的的结果。


4、EVS软件模型展示方式


未完待续









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