地下水模拟系统(_GMS_)软件介绍.pdf

地下水模拟系统（地下水模拟系统（地下水模拟系统（地下水模拟系统（GMSGMS）软件介绍）软件介绍）软件介绍）软件介绍 中国国际地下水模型中心中国国际地下水模型中心中国国际地下水模型中心中国国际地下水模型中心 地下水模拟系统（Groundwater Modeling System）,简称GMS，是由美国Brigham young University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。 以GMS4.0作为介绍对象，软件包括许多子模 块，如Modflow、Femwater、T-progs等。各个模块 在发挥各自的功能的同时，还可以与其它模型联合使 用完成用户交给的任务，如T-progs不仅能单独建立一 个地区的地质结构模型，还可与Modflow联合运用， 可以建立地下水水量模型、地下水随机模型等。 由于GMS的子模块多，之间联系也比较复杂，可 “以由局部到整体的方式”从以下几个方面对GMS进行 介绍。 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、一、GMSGMS各子模块简介各子模块简介 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-Scatterpoints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-Scatter points和 3D-Scatter points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、二、二、二、GMSGMSGMSGMS数据的输入方式数据的输入方式数据的输入方式数据的输入方式 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。 3、工具性辅助模块数据输入 这种输入方式可以使模块对一些数据进行专门 管理，并且能满足用户的某些要求。如 Borehole、2D-scatter points、3D-scatter points等。所采用的数据格式为*.txt形式，在 GMS中，这种数据格式有较广的应用，如二维、三 维散点数据，稳定、非稳定的抽水井数据，观测 数据，钻孔数据。 数据调入GMS中后，辅助模块管理这些数据，并 可利用这些数据实现一些功能。如插值，建立地 层结构模型等。 三、基于三、基于三、基于三、基于GMSGMSGMSGMS的地下水流模拟模型的地下水流模拟模型的地下水流模拟模型的地下水流模拟模型 基于GMS的地下水流模拟模型的建立大致可分为四个 阶段，输入模拟模型的几何参数，输入模型源汇项 （source and sink），调试模型、运算结果输出。 1、输入模型的几何参数 模型几何参数包括模拟层的顶底板、模型边界、初始 水位及模拟层的水文地质参数等。在GMS中，可利用散 点子模块，采用二维插值的方法赋予模拟层位的顶底板 值；数据格式为.txt形式。模型边界的位置即可采用 Map模块，也可采用.shp文件格式输入。 目前modflow已发展到modflow2k，给模型赋水文地质 参数已由以前的单一以层的形式赋值发展到根据岩性赋 值，该软件两种方法都可以实现。 以层赋参 数的方法比 较简单，并 易于理解， 在确定模拟 层的底顶板 后，选择Map coverages中 的特征体， 将其属性设 为layer properties ，可给层赋 参数。 除此之外，GMS还可以岩性赋参数，与Solid或T-progs 形成的地质实体结构模型联合运用，在计算模型中，模拟 层的参数是以组成层的各岩性经过一系列计算得到的，应 用的是目前Modflow中最新的HUF软件包。 2、模拟模型的 源汇项比较复 杂，但整体来 看可以分为三 种形式来表 达，即点、 线、面。利用 外部GIS软件， 将模型的源汇 项分别做成不 同的shp文件， 调入计算模型 后，根据源汇 项的不同，在 GMS中赋值。 3、调试模型 前两步的实现已经建立起研究区的水文地质概 念模型，在GMS中，将概念模型应用于Modflow计 算模块，经过模型计算，得出模型运算结果。但 是由于在建立概念模型中，所给定的参数、源汇 项存在一定的偏差，因此，模拟模型一般都需经 过一个反复调试的过程。GMS提供了较好的调试工 具，即Pest与Ucode子模块，反复利用这两个子模 块，能使模拟模型快速、准确地与实际结果相拟 合。 4、运算结果输出 基于GMS建立的地下水模拟模型的优点之一是实现计算 结果的可视化。在用Solid或T-progs形成的地质结构模型 中，可以在任意方向进行空间三维显示，对地质结构可沿 任意方向进行切割，以了解研究区内部物质的发育状况。 对于用Modflow等计算模块得到的结果，可调回Map模块， 在Map模块中进行处理。 当然，运算结果也可以以多种形式输出，利用一些专门 的工具软件，对运算结果重新进行处理，如Modflow运算 所得到的水位等值线，数据能形成ASCII文件用记事本 打，特征体（点线面）可另存为shp文件。 总之，基于GMS建立的模拟模型，其输入输出形式是多 样的。表中给出其输入所需要的数据格式。其输出格式 以第2－6行所示的格式类型为主。 实实实实例例例例 采用以上 所述的数 据输入、 输出方式, 模拟East Texas某 一地区地 下水稳定 流场。区 内基本情 况如图所 示 如图a所示，北边界石灰石出露，为隔水边 界，南部、东部是以河流为界，当做是定水头边 界；三条溪流在区内流过，有时干涸有时会得到 地下水的补给；另外区内还有两个抽水井。 图b，可将含水系统概化为两层，几何结构如 图所示。