地下水?dāng)?shù)值模擬

前言

地下水研究是較早使用數(shù)值模擬方法的領(lǐng)域之一，自20世紀(jì)60年代以來，有限差分法、有限單元法等數(shù)值計算方法相繼在地下水資源評價和地下水化學(xué)組分遷移計算中得到應(yīng)用，到目前，數(shù)值模擬已經(jīng)成為地下水研究的重要工具，并成為一門獨立的學(xué)科。     在地下水?dāng)?shù)值模擬的早期，研究者使用自己或別人開發(fā)的程序段進(jìn)行計算，這些程序段雖然具有數(shù)值計算的核心功能，但繁瑣冗長的數(shù)字準(zhǔn)備和計算結(jié)果整理工作使得研究者把大量時間花費在計算輔助工作中，而諸如水文地質(zhì)條件概化、邊界條件確定等核心工作，反而被簡化了。交互視窗式地下水?dāng)?shù)值模擬專門軟件，可以方便地輸入模型參數(shù)、分析計算結(jié)果，通過不斷調(diào)試模型參數(shù)進(jìn)行重復(fù)計算，真正使數(shù)值模擬工作成為“數(shù)值模擬實驗”，以觀測結(jié)果和計算結(jié)果擬合差為標(biāo)準(zhǔn)，不斷校正模型，最后達(dá)到利用數(shù)值模擬實驗方法研究地下水運(yùn)動機(jī)理的目的。GMS(Groundwater  Modeling System)是一個地下水?dāng)?shù)值模擬軟件的集成系統(tǒng)，系統(tǒng)把MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、FEMWATER、SEEP2D、UTCHEM、RT3D、MODAEM等地下水?dāng)?shù)值模擬軟件集成在同一環(huán)境下，輔以統(tǒng)一的模型構(gòu)建、參數(shù)賦值、地質(zhì)統(tǒng)計、結(jié)果分析等前、后處理功能，利于GMS使用者可以方便快捷地進(jìn)行數(shù)值模擬計算。     本書的目的是給從事地下水?dāng)?shù)值模擬的技術(shù)人員提供一本軟件學(xué)習(xí)的技術(shù)讀本。要開展地下水?dāng)?shù)值模擬，必須對地下水運(yùn)動和化學(xué)組分遷移的基本理論有一個明晰的掌握，對一些基本參數(shù)如滲透系數(shù)、儲水系數(shù)、儲水率等，更要清楚地知道其物理意義，因此，本書首先用單獨一部分介紹地下水?dāng)?shù)值模擬的基本理論。在軟件學(xué)習(xí)部分，大部分以本書編著者做過的數(shù)值模擬實際工程項目為案例，由淺入深，演示模型構(gòu)建、參數(shù)輸入、模型調(diào)試、結(jié)果分析各步驟的技術(shù)要點，使讀者能夠比較快捷地掌握地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)。     在地下水石油污染修復(fù)計算中，非水相流體(NAPL)運(yùn)動數(shù)值模擬是十分必要的，目前我國在此方面的工程應(yīng)用案例很少，本書特意介紹了這一方面的內(nèi)容，希望對NAPL遷移數(shù)值模擬感興趣的讀者有所幫助。GMS功能強(qiáng)大，操作復(fù)雜，鑒于篇幅所限，書中介紹的軟件使用技術(shù)，僅是要完成案例計算基本的和必需的計算過程和操作要點。系統(tǒng)中有關(guān)地質(zhì)模型統(tǒng)計、塊體模型生成、基于鉆孔資料的三維模型生成、隨機(jī)統(tǒng)計三維模型生成等模塊和功能，本書沒有專門章節(jié)介紹，感興趣的讀者可以查閱有關(guān)文獻(xiàn)。     限于知識和水平所限，書中錯誤之處懇請讀者批評指正。

內(nèi)容概要

地下水是環(huán)境、資源、地礦、城建等領(lǐng)域重要的研究對象，地下水?dāng)?shù)值模擬是研究地下水的有力工具。本書內(nèi)容分為兩部分。第一部分介紹地下水運(yùn)動的基本方程，包括水流運(yùn)動方程、非水相流體(NAPL)運(yùn)動方程和地下水中化學(xué)組分遷移方程，其中非水溶性液體運(yùn)動方程與GMS采用方程一致。第二部分以實例為基礎(chǔ)，介紹在GMS環(huán)境下進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬全過程，包括水文地質(zhì)模型概化、幾何模型建立、邊界條件設(shè)定、參數(shù)賦值和反演，以及計算模擬與結(jié)果分析。通過本書的學(xué)習(xí)，讀者可以較為深入熟練地掌握地下水?dāng)?shù)值模擬的技術(shù)方法。     本書可供環(huán)境、地礦、城建、水利等部門從事地下水研究的技術(shù)人員閱讀，也可供環(huán)境、地礦、城建、水利等專業(yè)的高年級本科生及研究生作為教學(xué)用書使用。

書籍目錄

第一章　地下水運(yùn)動的基本理論 　第一節(jié)　地下水流運(yùn)動基本方程 　　一、達(dá)西定律 　　二、基本微分方程 　第二節(jié)　地下水化學(xué)組分運(yùn)移基本方程 　　一、含水層中溶質(zhì)運(yùn)移的機(jī)制 　　二、污染物運(yùn)移模型的控制方程 　第三節(jié)　NAPL遷移基本方程 　　一、土水系統(tǒng)中石油污染物的化學(xué)過程 　　二、土壤非飽和帶中油?水的驅(qū)替遷移 　　三、UTCHEM模型方程 　第四節(jié)　有限差分法簡介 　　一、顯式有限差分法 　　二、隱式有限差分法 　　三、交替方向隱式法（ADI） 　　四、迭代方法第二章　GMS軟件介紹 　第一節(jié)　GMS結(jié)構(gòu)體系 　第二節(jié)　GMS功能特點 　　一、屬性對象 　　二、工具 　　三、例題 　第三節(jié)　GMS界面介紹 第三章　MODFLOW直接建模法 　第一節(jié)　例題與幾何模型建立 　　一、例題 　　二、軟件初始化 　　三、網(wǎng)格的創(chuàng)建 　第二節(jié)　變量的賦值 　　一、MODFLOW模型的創(chuàng)建 　　二、全局變量的賦值 　　三、單元邊界條件直接賦值 　　四、LPF模塊賦值 　　五、降雨入滲模塊輸入 　　六、排水模塊輸入 　　七、水井模塊輸入 　第三節(jié)　檢查、保存和運(yùn)行模型 　小結(jié) 第四章　MODFLOW概念模型法 　第一節(jié)　例題與幾何模型建立 　　一、例題 　　二、輸入模型底圖 　　三、定義模擬范圍界限 　第二節(jié)　源匯項創(chuàng)建及參數(shù)輸入 　　一、源匯項 　　二、定義分區(qū)面源抽水和大氣降水補(bǔ)給 　　三、定義水文地質(zhì)參數(shù) 　第三節(jié)　網(wǎng)格剖分及高程 　　一、網(wǎng)格的剖分 　　二、網(wǎng)格高程插值 　第四節(jié)　模型導(dǎo)入與運(yùn)行 　　一、導(dǎo)入模型 　　二、定義各層類型 　　三、模擬運(yùn)行與結(jié)果觀察 　小結(jié) 第五章　模型校核 第六章　模型參數(shù)反演 第七章　非穩(wěn)定流模擬的數(shù)據(jù)管理 第八章　MODPATH 第九章　MT3DMS直接建模法 第十章　MT3DMS概念模型方法 第十一章　DNAPL遷移模擬 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第二章　GMS軟件介紹 第一節(jié)　GMS結(jié)構(gòu)體系功能十分齊全的GMS包含MODFLOW、FEMWATER、MT3D、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、T—PROGS、UTCHEM、PEST和UCODE等主要計算模塊，還包含MAP、Boreholes、TINs、Solids、Mesh、Scatter Points、Grid和GIS等輔助模塊。 MODFLOW是美國地質(zhì)調(diào)查局于20世紀(jì)80年代開發(fā)出的一套專門用于孔隙介質(zhì)中地下水流動的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件，是世界上使用最廣泛的三維地下水水流模型。它是一種用基于網(wǎng)格的有限差分方法來刻畫地下水流運(yùn)動規(guī)律的計算機(jī)程序，通過把研究區(qū)在空間和時間上離散，建立研究區(qū)每個網(wǎng)格的水均衡方程式，所有網(wǎng)格方程聯(lián)立成為一組大型的線性方程組，迭代求解方程組可以得到每個網(wǎng)格的水頭值。MODFLOW可以模擬水井、河流、潛流、排泄、湖泊、蒸散和人工補(bǔ)給對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。FEMWATER是用來模擬飽和流和非飽和流環(huán)境下的水流和溶質(zhì)運(yùn)移的三維有限元耦合模型，還可用于模擬咸水入侵等密度變化的水流和運(yùn)移問題。MT3D是模擬地下水中單項溶解組分對流、彌散、源/匯和化學(xué)反應(yīng)的三維溶質(zhì)運(yùn)移模型，能夠有效處理各種邊界條件和外部源匯項。化學(xué)反應(yīng)主要是一些比較簡單的單組分反應(yīng)，包括平衡或非平衡狀態(tài)的線性或非線性吸附作用、一階不可逆反應(yīng)（如生物降解等）和可逆的動態(tài)反應(yīng)等。模擬計算時，MT3D需和MODFLOW一起使用。RT3D是模擬地下水中多組分三維反應(yīng)運(yùn)移的軟件包，是在MT3D 1997版本上改進(jìn)開發(fā)的。RT3D包含了許多類已有的反應(yīng)包并可靈活地插入用戶自定義的反應(yīng)動力學(xué)，從而可模擬許多情況，例如，自然降解、主動式治理，以及諸如重金屬、炸藥、石油碳?xì)浠衔?、氯化組分等污染物治理的模擬。ART3D是三維解析反應(yīng)運(yùn)移模型，涉及到延遲、對流、彌散和各種類型的反應(yīng)。同樣也考慮到復(fù)合反應(yīng)過程，包括連續(xù)、發(fā)散和順序反應(yīng)。ART3D用的是解析解法，不需要做插值運(yùn)算，所以可以很快找到模型域中任一點的精確解。

編輯推薦

《地下水?dāng)?shù)值模擬:GMS應(yīng)用基礎(chǔ)與實例》是由化學(xué)工業(yè)出版社出版的。

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