GMS_地下水应用说明

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1、2022-5-271GMSGMS及其基本功能简介及其基本功能简介一、一、GMS简介简介二、各数值模型及功能二、各数值模型及功能三、三、GMS的建模模块的建模模块四、四、GMS的后处理的后处理2022-5-272一、一、GMSGMS简介简介GMS是地下水模型系统（是地下水模型系统（Groundwater Model System）的英文缩写。）的英文缩写。GMS由由Brigham Yong University的环境模型实验室和美国军工水道的环境模型实验室和美国军工水道实验站合作开发。实验站合作开发。GMS是具有功能强大的图形界面、综合化的地下水模型构建和数值是具有功能强大的图形界面、综合化的地

2、下水模型构建和数值模拟环境的软件包。模拟环境的软件包。GMS按模型前处理（建模、初值和边界条件给定），数值模拟计算，按模型前处理（建模、初值和边界条件给定），数值模拟计算，和后处理（数据处理、计算结果图形图像及动画显示等）结构设计。和后处理（数据处理、计算结果图形图像及动画显示等）结构设计。GMS的数值模型是由其他大学或研究机构开发，的数值模型是由其他大学或研究机构开发，GMS为这些数值模为这些数值模型提供了前处理和后处理开发程序。型提供了前处理和后处理开发程序。GMS实现了程序间的无缝联结，而实现了程序间的无缝联结，而所有这些程序都是开放的，提供了所有这些程序都是开放的，提供了FORTRAN

3、程序源代码，使用户可在程序源代码，使用户可在GMS基础上进行二次开发。基础上进行二次开发。GMS不断更新发展，不断更新发展，2000年推出了年推出了GMS4.0版，版，2003年新的年新的GMS5.0已通过测试，投放市场。已通过测试，投放市场。2022-5-273二、各数值模型及功能二、各数值模型及功能GMS可使用的数值模型有可使用的数值模型有11个，将其功能简介如下：个，将其功能简介如下：1.MODFLOW：由美国地质勘探局的：由美国地质勘探局的McDonald 和和 Harbaugh在在 1988开开发，发， 2000年推出年推出MODFLOW_2k版。版。MODFLOW用可变有限差分用可

4、变有限差分网格，单元中心算法，可求解饱和地下水的稳定和非稳定流动问题三网格，单元中心算法，可求解饱和地下水的稳定和非稳定流动问题三维数值模型。可分析的地下水流动影响因素的水文地质特性有维数值模型。可分析的地下水流动影响因素的水文地质特性有（1）各）各类地理层渗透系数；（类地理层渗透系数；（2）点源或汇（反映了潜水层及承压层的井流特）点源或汇（反映了潜水层及承压层的井流特性）；（性）；（3）面源或汇（反映了地表入渗或蒸发特性）；（）面源或汇（反映了地表入渗或蒸发特性）；（4）线及面）线及面元属性（反映河渠及水库等渗透、水位）。元属性（反映河渠及水库等渗透、水位）。2. MODPATH：由美国地质

5、勘探局为由美国地质勘探局为MODFLOW开发的后处理软件，其开发的后处理软件，其将将MODFLOW的输出生成质点轨迹并将其显示出来。该软件可用于分的输出生成质点轨迹并将其显示出来。该软件可用于分析污染源的扩散问题、演示污染影响区域。析污染源的扩散问题、演示污染影响区域。3.FEMWATER：是由美国环境保护署的：是由美国环境保护署的Athens实验室和美国军工水道实验室和美国军工水道实验站在实验站在1990年分别开发后经整合而成的三维有限元地下水数值模型。年分别开发后经整合而成的三维有限元地下水数值模型。该模型可分析地下饱和状态和非饱和状态下的地下水流动和输运问题该模型可分析地下饱和状态和非饱

6、和状态下的地下水流动和输运问题中的稳定、非稳定问题；还可模拟密度相关问题，这为分析海水入浸中的稳定、非稳定问题；还可模拟密度相关问题，这为分析海水入浸问题提供了有力的分析工具。问题提供了有力的分析工具。2022-5-2744。 SEEP2D：是二维有限元稳定流动模型。主要用以模拟土坝、防渗桩墙区域内的二维渗流流场分析。5。 MT3DMS：是三维有限差分数值模型，用于分析地下水中的溶质间的对流、扩散和化学反应的数值模拟。MT3DMS是在完成了MODFLOW模拟后进行的，它需要MODFLOW提供网格水头值和网格间通量值。6。 RT3D：为多物种三维模型，用于模拟自然衰减和生物恢复过程。7。 SEA

7、M3D：用于模拟复杂的生物衰减问题中的反应输运模型。由Virginia Tech University的Mark Widdowson开发。8。 NUFT：用于模拟三相非等热的流动、输运模型。由Lawrence Livermore National Laboratory （国家实验室）的John Nitao开发。9。 UTCHEM：是多相流动和输运问题的3维有限差分模型。由德州大学 Geosystems 工程和石油中心开发。10。ADH：是3维有限元流动和输运模型。除能模拟地下水的流动、输运外，它还可以模拟3维 Navier-Stokes 表面流动，且具有水文自适应能力。11。ART3D ：是3

8、维反应输运问题的解析幕景模型。用户可随意设置观测点， ART3D可准确计算每一观测点的每种物质的集度。ART3D可进行前进计算，反向计算和随机计算。2022-5-275三、三、GMS的建模模块的建模模块1.TINs：不规则三角形网络；2.Borehole Module：探孔地质资料；3.Solid Module：地理层实体；4.2D Scatter Module：2维散点；5.3D Scatter Module：3维散点；6.2D Grid Module：2维有限差分网格；7.3D Grid Module：3维有限差分网格；8.2D Mesh Module：2维有限元网格；9.3D Mesh

9、Module：3维有限元网格；10. Map Module：与GIS相接的水文地质概念化建模地图模块。2022-5-2761、TINs模块功能模块功能TINs可将离散的点按Delauney法构建三角形网络，可表示3维空间曲面（如地质构造层面，潜水面等）并可选用立体图、等值线或色层图表示；由TINs面可拉出Solid实体；两个TINs面可填充出Solid实体；TINs可构造2D和3D有限元网格；TINs和Scatter联用可按给定插值规律对曲面进行插值、对网格加密；可将TINs上的线段、等值线或区域转化为Map中的弧与复盖以表示河流及湖泊等。 TINs例子2022-5-2772、Borehole

10、 模块的功能模块的功能Borehole用于将勘探所得水文地质资料输入模型；Borehole可以反应潜水面；Borehole可以构造地理层次图；Borehole可构造Horizons，进而可构造Solid实体和HUF（水文单元模型）；HUF能将Solid实体的地质参数输入给数值计算模型。2022-5-2783、Solid模块的功能模块的功能构造好的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。Solid Modul 例子2022-5-2794、2D和3D

11、 Scatter模块该模块提供了多种插值方法，为其它模块所用，如TINs、Grid和Mesh等。2022-5-27105、3D有限差分模块有限差分模块该模块集成了建模、初值与边界值给定、数值模拟计算及输出显示等功能；有限差分网格为可调尺寸的矩形网格；边初值条件按点源（汇）、面源（汇）给定到网格单元上；值的给定和计算结果都可按网格的行、列、层观察或显示；网格具有切割显示功能和增减行、列、层功能；在3D有限差分模块下运算的数值模拟模型有MODFLOW、MODPATH、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、NUFT、ART3D和UTCHEM。2022-5-27116、2D及及3D有限元网有限元网格模

12、块格模块 2D和3D Mesh 模块用于构建、运行和显示有限元网格计算模型，是基本的模型计算模块；FEMWATER、ADH和SEEP2D（2D 模型）可在该模块下运行；在该模型下除可设置水文地质参数外还可设置不同流体性质参数；可根据求解问题，选用三棱锥、三棱柱、六面体单元；该模块边界条件给定方便、准确，可对单元节点和面元给定水位和通量条件，可模拟井流和给定点汇源，可分析渠道流动；在该模块下可进行饱和和非饱和状态下的地下水流动、输运和轨迹跟踪分析；模拟结果可以在有限元网格上或给定切割面用等值线、色层图显示 。2022-5-27127、Map 概念化模块概念化模块 Map 模块提供了一组将 GIS

13、 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；在Map中水文地质资料的输入是以孤立点（Points）、节点（Nodes）、弧点（Vertices）、弧与弧族（Arc and Arc Group）、多边形（Polygons）和覆盖（Coverage）来表示；孤立点表示井流与观测站；弧段表示河渠的渗透、位置与流向（由弧点细化）；节点

14、表示河渠的底高和水位；多边形表示湖泊及污染源堆放地区；覆盖表示地质属性；上述属性都是3维的。2022-5-2713四、四、GMS的后处理的后处理GMS的后处理功能由菜单和工具窗实现；输出结果显示基本形式为：等值线，轨迹线，色层图，图像动画；可以以平面、曲面和立体图形显示；输出结果可沿X、Y、Z分层显示，也可在随意切割的面上显示分析计算结果。2022-5-2714第二部分第二部分 北京市地下水分析模型构想北京市地下水分析模型构想2022-5-2715一、地下水资源一、地下水资源地下水资源可分为： 深层矿藏水 可开采地下水，包括： 承压地下水 潜水地下水土壤水毛细管水重力水2022-5-2716二

15、、北京市地下水分析需解决的问题二、北京市地下水分析需解决的问题可开采地下水的储量与分布；水文周期内地下水量的平衡分析；给定区域内的可开采水量及给定开采周期内的容许开采水量分析；地下水资源随时变化分析及地下水的近期、中和长期预报；土壤墒情预测、预报；地下水资源保护，污染源对地下水质的影响预测。2022-5-2717三、地下水资源模型实现的基本条件三、地下水资源模型实现的基本条件需要有一个适用的数值模型；需要有功能强大的计算机系统；需要有适量的地质勘探资料和一定数量的观测井；地下水资源模型的建设和校正维护是一个长期工作，一个模型须经过一个或多个水文周期（枯水年、丰水年及正常降水年）的验证，所以需要

16、有一个固定的单位负责这项工作，需要有一定的资金保障。2022-5-2718四、模型构想与展望四、模型构想与展望GMS系统对地下水资源分析是较为全面而适用、易用的软件系统；将建设的并行计算机为地下水分析模型提供了硬件保证；近期计划：在2005年底前，将GMS应用于北京市节水示范区；通过具体应用的实践，提高对GMS功能的认识，提出修改开发建议；中长期计划：对GMS进行二次开发，将其用于并行计算机实现实时计算；根据北京市的水文地质特点及饱和非饱和状态划分并行计算域和计算所用的数值模型；模型的逐步完善（1）根据长时期的计算结果与观测站的数据，建立且不断完善适用于北京市水文地质校正模型；（2）根据水库、河流的蒸发、入渗资料建立更为准确的水库、河流模型；（3）根据土壤作物特性完善地表蒸发如渗条件；（4）逐步完善北京市周边地下水的入流和流出模型。