地下水模拟系统(GMS)与矿井防治水.pdf

2 0 0 5 年2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 2 卷第1 期 地下水模拟系统 G MS 与矿井防治水 韩程辉 ， 刘文生 辽宁工程技术大学 土木建筑工程学院， 辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 摘 要 目前地下水模拟软件很多， 但 G M S软件 以其友好的使用界面， 强大的前、 后处理功能及优 良的三维可视化效果正受到人们越来越广泛的应用。在对 G M S软件各模块进行简单介绍的基础上， 介 绍 了该软件的优点， 分析了这套软件在矿井防治水研究领域的应用前景。 关键词 G M S软件 ； 地 下水 ； 数值模 拟； 矿 井防治水 中图分类号 T D 7 4 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 84 4 9 5 { 2 0 0 5 0 1 0 0 2 50 2 地下水模拟系统 G ro u n d w a te r M o d e l in g S y s t e m ， 简称 G M S ， 是美国 B r i g h a m Y o u n g U n i v e r s i t y 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 合已有 地 下水 模 型 MO D F I DW、 M O D P A T H、 M q 3 D 、 F E MWA Ⅱ 、 RT 3 D、 S E E P 2 D、 S E AM3 D、 Ur ℃H EM 、 P E S T 、 U C O D E 、 N U F T等基础上开发的一个综合性地 下水模拟面软件。其图形界面用起来非常便捷。由 于 G M S软件具有 良好的使用界面， 强大的前、 后处 理功 能及优 良的三维 可视 化效 果 ， 目前 已成 为 国际 上最受欢迎的地下水模拟软件。 1 G M S 各模块功能简介 G MS由 MO D F I DW 、 MO D P A T H、 Mq 3 D、 F E MWA一 1 1 ￡ R、 R 1 3D、 S E EP 2 D、 S E AM3 D、 UI ℃H EM 、 P E S 1 ’ 、 U C O D E 、 N U F r 、 M A P、 B o r e h o l e D a t a 、 T I N s T r i a n g u l a t e d h a r N e ts 、 S o l i d 等模块组成。各模块的功能如下 MO D F I DW 是世界上使 用 最广 泛 的三 维地 下水 水流模型。专门用于孔隙介质中地下水流动的三维 有限差分数值模拟， 由于其程序结构的模块化 、 离散 方法的简单化及求解方法的多样化等优点， 已被广 泛用来模拟井流 、 溪流、 河流 、 排泄 、 蒸发和补给对非 均质和复杂边界条件的水流系统的影响。 M O D P A T H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质点示踪模型。在指定各质 点的位 置 后 ， MO D P A T H 可进 行 正 向示 踪 和 反 向示 踪， 根据 MO D F I DW 计算 出来 的流场， M O D P A T H可 以追踪一系列虚拟的粒子来模拟从用户指定地点溢 出污染物的运动 。这种追溯跟 踪方法可 以用来描述 给定时间内井的截获区。 收稿 日期1 2 0 0 4 0 42 2 M q 3 D是模拟地下水中单项溶解组分对流、 弥散 和化学反应的三维溶质运移模型。M q 3 D所模拟的 化学反应包括平衡控制的线性和非线性吸附、 一级 不可逆衰变及生物降解。模拟计算时 ， M q 3 D需和 MO D F I DW 一起使用 。 F E M WA T E R是用来模拟饱和流与非饱和流环境 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。 R T 3 D是模拟地下水中多组分反应的三维运移 模型 ， 适合于模拟 自然衰减和生物恢复。例如 自然 降解 、 重金属 、 炸药 、 石油碳氢化合物、 氯化组分等污 染 物治理的模 拟。 S E E P 2 D是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限 元稳定流模型。它可 以用于模拟承压和无压流问 题 ， 也可以模拟饱和与非饱和带的水流 ， 对无压流问 题 ， 模型可以只局限于饱和带。根据 S E E P 2 D的结果 可 以作 出完整 的流 网。 S E A M 3 D是在 M I 3 D模型基础上开发 的碳氢化 合物降解模型 ， 可模拟多达 2 7 种物质的运移和相互 作用 。它包 含有 N A P L n o n a q u e o u s p h a s e l i q u i d ， 非水 相 溶解包和多种生物降解包 ， N A I L溶解包用于准 确地模拟作为污染源的飘浮状 N A I L ， 生物降解包用 于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应。 U T C HE M是模拟多相流和运移 的模 型， 它对抽 水和恢复的模拟很理想， 特别适合于表面活化剂增 加的含水层治理 S E A R 的模拟， 是一个已经被广泛 运用的成熟模型。 P E S T和 U C O D E是用于 自动调参 的两个模块。 可在给定的观察数据及参数 区内， 自动调整参数， 如 渗透系数 、 垂直渗漏系数 、 给水系数、 储水系数 、 抽水 25 维普资讯 2 0 0 5 耳2月 矿 业安 全 与 环 保 第3 2 卷第1 期 率、 传导力 、 补给系数、 蒸发率等 ， 进行模型校正。自 动进行参数估计时， 交替运用 P E S T或 U C O D E来调 整选定的参数， 并且重复用于 M O D F L O W， F E M WA ． T E R等的计算 ， 直到计算结果和野外观测值相吻合。 N U F T是三维多相不等温水流和运移模型， 它非 常适合用来解决包气带中的一些问题。 M A P可使用户快速地建立概念模型。在 M A P 模块下， 以 1 r I F F 、 J E P G、 D X F等图文件为底图， 在图上 确定表示源汇项、 边界、 含水层不同参数 区域的点 、 曲线 、 多边形的空间位置 ， 点位置可以确定井的抽水 数据或污染物点源 ， 折线可以确定河流 、 排泄等模型 边界 ， 多边形可以确定 面数据， 如湖 、 不 同补给 区或 水力传导系数 区， 快速建立起概念模型。一旦确定 了概念模型 ， G M S 就 自动建立网格 ， 将参数分配到相 应的网格并可对概念模型进行编辑。 钻孔数据 B o r e h o l e D a t a 用来管理样 品和地层 这两种格式的钻孑 L 数据。样品数据用来作等值面和 等值线； 地层数据用来建立 T I N、 实体和三维有限元 网格 。 T I N s即 三 角 不 规 则 网 络 T r i a n g u l a t e d I r r e g u l a r N e t w o r k s ， 通常用来表示相邻地层 的界面， 多个 T I N s 就可 以被 用来 建立 实体 S o l i d 模 型或 三维 网格 。 实体 Sol id 是在不规则的三角形 网络 T I N s 建 立完成后 ， 通过一系列操作产生的实际地层的三维 立体模型。可以任意切割剖面， 产生逼真的图像。 2 G MS 软件 的优点 G M S 软件模块多， 功能全 ， 几乎可以用来模拟与 地下水相关的所有水流和溶质运移问题。同其它类 软件相比， G M S 软件除模块更多之外 ， 各模块的功能 也更趋完善。主要优点如下 1 概念化方式建立水文地质概念模型。进行地 下水数值模拟时 ， 一般包括建立水文地质概念模型、 建立数学模型、 求解数学模型 、 模型识别以及模型预 报等几个步骤。其中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。使用 G M S软件建立概念模型时， 除了常 用的网格化方式外 ， 多了一种概念化方式。概念化 方式是先采用特征体 包括点、 曲线和多边形 来表 示模型的边界、 不同的参数区域及源汇项等， 然后生 成网格， 再通过模型转换 ， 就可以将特征体上的所有 数据一次性转换到网格相应的单元和结点上。由于 网格化方式要求对每个单元进行编辑 ， 过程 比较繁 琐 ， 因此通常只适合于创建一些简单的概念模型； 而 2 6 概念化方式是对实体直接编辑 ． 且可以以文件形式 来输入 、 处理大部分数据 ， 而没有必要逐个单元地编 辑数据 ， 因此对于实际应用中比较复杂的问题 ， 采用 概念化方式更简便 、 快捷。用这种方式建立起来的 水文地质概念模型用不同的多边形来表示不同的参 数值区域。在随后的参数拟合过程中， 即可直接对 这些相应的多边形进行操作， 而无需对此多边形内 的每一个网格都重复进行同一操作。 2 前 、 后处理功能更强。在前处理过程中， G M S 软件可以采用 M O D F L O W等模块的输人数据并 自动 保存为一系列文件， 以便在 G MS 菜单中使用这些模 块时可方便而直接地调用， 且实现 了可视化输入 同时 M O D F L O W等模块的计算结果又可以直接导入 到G M S中进行后 处理 ， 实现计 算结 果 的可视化 G MS 软件除了可直接绘制水位等值线 图外 ． 还可以 浏览观测孑 L 的计算值与观测值对比曲线以及动态演 示不同应力期、 不同时段水位等值线等效果视图。 3 版本不断更新 ， 功能不断完善。和众多地下 水数值模拟软件不同的是 ， G M S软件不是一经开发 后就变化 不大 ， 而是 在快 速动 态 中不 断完 善 。该 软 件通过版本的升级来不断补充新的应用程序、 不断 完善各模块 的功能。短短两年时间内， 其 3 ． 1 版较 3 ． 0版添加了 P E S T ． U C O D E程序模块 ， 新增 了可识 别 *． J P E G格式的图形文件、 批处理抽水井和观测 孔数据及对数插值等功能。而 目前最新的 4 ． 0 版更 是将可用于模拟地下水含水层空间分布的转移概率 统计程序包 T P R O G S集成进来 ， 使 G M S软件的功能 得 到进一 步加强 。 3 G M S 在矿井防治水中的应用潜力 G M S系统 中的 M O D P A T H模型具有流线示踪功 能 ， 特别是反向示踪功能对于我国矿井防治水工作 具有非常重要 的实用价值 ， 它可以被用于示踪矿井 涌 突 水点的补给水源和补给通道 ， 及时分析和了 解矿井充水条件， 并可计算出从地下水补给区渗流 至突水点所经历的时间。所谓反向示踪则是将一定 数量的示踪水质点定义在地下水系统排泄区或排泄 点 ， 水质点由排泄 区或排泄点反向示踪追溯到补给 区后 停止 ， 因此 ， 水 质点 向后 示 踪最后 停 止 的位 置 ， 就是矿井突水点的补给水源位置。而且 M O D P A T H 模块所显示的示踪流线是三维立体的． 直观可靠。 G M S 系统中的 M O D F L O W模型在矿井防治水工 作中应用潜力较大的另一个重要功能就是任意水均 衡域的均衡研究 ， Z o n e B u d g e 是用于计算任意水均衡 下转第 4 1页 维普资讯 2 0 0 5 年2月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 2 卷第1 期 调整， 根据执行的情况随时调整程序， 这样的程序才 能应变环境。在 网上看到这样一个典型的案例 东 北一家国有企业破产 ， 被 日本财团收购。厂里的人 都翘首盼望着 日方能带来让人耳 目一新 的管理办 法 。出人意料的是 ， 制度没变， 人没变 ， 机器设备没 变 ， 日方就一个要求， 即把先前制定的制度坚定不移 地执行下去， 结果不到一年企业扭 亏为盈。．其绝招 就是执行， 所有人都无条件地执行。 执行管理要求对 于任何安全隐患必须追根究 源 ， 为保证安全生产， 必须有强大的执行力。在具有 执行文化的企业中， 管理者从不放过任何有碍安全 的行为和苗头 ， 总是注重对这些问题追根究源。要 处理根源因素 ， 就要有强大的执行力作支撑。实施 政府的安全监察和社会 民间的安全监理 建立少量 的专业化的安全监理企业是值得探讨的 ， 强化企业 内部的相对独立的安全控制体系都是强化执行的方 式方法 之一 。 4 结束语 安全生产问题 已经成为影响国民经济健康、 可 持续发展的大问题， 它直接关系到中国的国际形象 ， 关系到千千万万个家庭的幸福。每年十几万鲜活生 命死于安全事故的代价是沉重的， 血 的教训逼迫我 们不得不认真研究各种保证安全生产 的方式和方 法。作者提出的点线面安全控制法虽不能称其为创 新 ， 但作为一种有效的控制手段值得各类生产企业 借鉴 、 推广和革新。 参考文献 [ 1 ]远 山． 学学“ 杜邦经验” 人祸本 可避免[ N ] ． 大连半 岛晨 报， 2 0 0 41 21 0 A 2 [ 2 ]中石油川东油 田井喷事故死亡人数 已增 至 2 4 3 人 [ E B ／ O L j ．h t t p ／ ／ w w w． p h o e n i x t v ． c h 0 I n e ／ n e w s ， I I d a n d ／ 2 O O 4 O 1 ／ 0 4 ／ 1 8 0 6 5 5． h t ml [ 3 ] 吉林 中百商厦发 生特 大火灾[ E B ／ O L ] ． h t t p I ／ n e w s ． t o m． c o m／ h o t ／ j i l i n h u o z a i [ 4 ]教训 ， 不能再拿生命换 了[ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ n e w s ． s i n a ． c 0 I n ． c n ／ s ／ 2 0 0 30 9 1 6 ／ 0 3 41 7 5 8 9 8 7 s ． s h t ml ‘ [ 5 ]王庆春． 建设工程点线面质量控制法初探[ J ] ． 吉林建筑 工程学院学报 ， 2 0 0 0 1 [ 6 ]中华人民共和 国建设部． 关于对河南省安阳市信益二期 2 Y _- 程“ 5 1 2 ” 特 大施2Y _- 伤 亡事故 的通报 [ E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ w ww． c i n ． g o v． c n ／ q u a l i t y ／ fi l e ／ 2 0 0 4 1 2 0 3 0 1． h i m [ 7 ]刘祥亚译 ． 执行如何 完成任务的学问 E 】 【 e c o n T h e D i s e i p l i I l e o f G e t ti n g T h i n g s D o n e [ M] ． 北京 机械工业 出版 社， 2 0 0 3 责任编辑 熊云威 上接 第 2 6页 域均衡结果 的专 门模块。可根据实际研究需要， 在 模拟区域任 意选定 水均衡计算 的均衡 区段 ， 启动 Z o n e B u d g e 模块 ， 可方便地得到整个模型和所选定 均衡域的所有水均衡信息。这个功能能够确定 回采 煤层顶 、 底板或侧向补给水源的补给方式和补给大 小以及补给水源的水质情况等。此外通过选定断裂 构造所在均衡域的水均衡计算 ， 可预测矿区导水断 裂构造可能诱发的突水事故的突水量大小。这在矿 区导水 内边 界防治水工作 中具 有很重 要的价值。 M O D F L O W模型可 自动识别和判断疏排含水层 的疏 干一饱水状态和具体的分布范围。可直接应用于煤 层顶、 底板充水含水层的疏排水量预测评价工作中。 G M S 系统接受地理信息系统 G I S 的输 出数据 文件和各种图形文件， 这个功能对于充分发挥具有 强大空间信息处理与分析功能的 G I S技术在数值模 拟评价中的作用意义重大， 也为开发研制地下水三维 数值模拟与 G I S 耦合评价模型奠定了坚实的基础。 4 结语 1 G M S 作为 目前 国际上最盛行的三维地下水 资源模拟评价的标准专业软件系统 ， 与同类其他应 用软件相 比， G M S具有较强优势。它模块多， 功能 全， 使用范围广， 且可以采用概念化方式建立水文地 质概念模型， 使过程更直观 ， 操作更方便。其 中的 M O D F L O W模块用户界面较同类其他软件的用户界 面更友好 ， 更合理， 其前 、 后处理功能也更强 ， 故在地 下水模拟领域值得推广。 2 G M S 在我国矿井防治水研究 中应用潜力 巨 大， 特别是三维溶质运移模拟、 流线示踪模拟和任意 均衡域的水均衡计算方面。因此也应在此领域加以 推广和应用 。 参考文献 [ 1 ]徐乐昌， 地下水模拟软件常用介绍[ J ] ． 铀矿冶， 2 O O 2 1 [ 2 ]吴剑锋 ， 朱学愚． 由 M O D F L O W 浅谈地下水流数值模拟软 件的发展趋势[ J ] ． 工程勘察， 2 o 0 o 2 [ 3 ]武强， 董东林， 等． 水资源评价 的可视化专业软件 V i s u a l M o d fl o w 与应用潜力[ J ] ． 水文地质工程地质， 1 9 9 9 5 责任编辑 吕晋英 4l 维普资讯