地下水溶質(zhì)運(yùn)移軟件介紹.ppt

污染物可以在含水層介質(zhì)中以各種形式存在 從水文地質(zhì)的角度來(lái)說(shuō) 地下水中的污染物運(yùn)移就是指污染物在各種因素綜合影響作用下隨著地下水流的運(yùn)動(dòng)和遷移歸宿 包括對(duì)流 彌散和化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程 目前 常見(jiàn)的用于地下水系統(tǒng)中溶質(zhì)運(yùn)移的模擬軟件包括MOC3D MT3DMS RT3D FEMWATER TOUGH HST3D FRAC3DVS FEFLOW等十幾種 其中MT3D MT3DMS是應(yīng)用比較廣泛的三維溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬軟件 第六章地下水溶質(zhì)運(yùn)移軟件介紹 一 MT3D MT3D是英文Modular3 DimensionalTransportmodel 模塊化的三維運(yùn)移模型 的簡(jiǎn)稱 MT3D采用了對(duì)流 彌散方程來(lái)描述污染物在三維地下水流中的運(yùn)移 即 1 式中 C是溶解于水中的污染物的濃度 ML 3 R是阻滯因子 無(wú)量綱 t是時(shí)間 T xi是空間坐標(biāo) L Dij是水動(dòng)力彌散系數(shù)張量 L2T 1 Vi是地下水滲流速度 LT 1 qs是源 正值 或匯 負(fù)值 的單位流量 T 1 Cs是源或匯的濃度 ML 3 是孔隙度 無(wú)量綱 是一階反應(yīng)速率常數(shù) T 1 是多孔介質(zhì)的比重 ML 3 是吸附在介質(zhì)上的污染物濃度 MM 1 式 1 的等號(hào)右端從左至右依次為彌散項(xiàng) 對(duì)流項(xiàng) 源匯項(xiàng)和化學(xué)反應(yīng)項(xiàng) 求解式 1 中的對(duì)流 彌散方程首先需要確定地下水滲透流速 MT3D中實(shí)際上并沒(méi)有包括求解地下水流方程的子程序 而是利用MODFLOW的輸出結(jié)果來(lái)獲得地下水位資料 MT3D可以用來(lái)模擬可溶性污染物在地下水中的對(duì)流 彌散 擴(kuò)散作用和一些基本的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 能夠有效處理各種邊界條件和外部源匯項(xiàng) 模型中的化學(xué)反應(yīng)主要是一些比較簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)反應(yīng)等 MT3D能夠適用于各種水文地質(zhì)條件 包括 1 承壓 無(wú)壓或承壓 無(wú)壓含水層 2 傾斜或厚度變化的含水層 3 指定濃度或通量邊界條件 降水 蒸發(fā) 抽水井 河流等多種外部源匯項(xiàng) MT3D的求解方法 MT3D采用塊中心的有限差分網(wǎng)格來(lái)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行離散 其節(jié)點(diǎn)位于每個(gè)網(wǎng)格的中心 在計(jì)算時(shí) 首先采用某種地下水流數(shù)值模型 如MODFLOW 確定研究區(qū)各節(jié)點(diǎn)上的水頭 然后將水頭作為MT3D的輸人數(shù)據(jù) 通過(guò)求解對(duì)流一彌散方程即可得到污染物濃度在這些節(jié)點(diǎn)上隨時(shí)間的變化規(guī)律 用于求解對(duì)流 彌散方程的數(shù)值方法通?？梢苑譃槿惾缦?MT3D中采用了混合Euler Lagrange方法來(lái)求解對(duì)流彌散方程 MT3D的求解方法 MT3D中共有三種特征線方法可供選擇 如下 在程序中包含了多種對(duì)流 彌散方程的求解方法使得MT3D程序能夠使用于不同的地下水流場(chǎng)條件 這是MT3D的一個(gè)最主要的特色 同時(shí)也是它被廣泛認(rèn)可的一個(gè)很重要的原因 圖1中是對(duì)一個(gè)均勻流場(chǎng)中連續(xù)點(diǎn)源問(wèn)題的模擬結(jié)果 Zheng 1990 其中地下水滲透流速為0 33m d 縱向彌散度為10m 橫向彌散度為3m 孔隙度為0 3 連續(xù)點(diǎn)源的注人流量為1m d 注入濃度為1000 10 6 對(duì)流彌散方程的求解采用HMOC方法 圖1是模擬時(shí)間為365d時(shí)地下水中污染物濃度的等值線與解析解的對(duì)比 可以看出 MT3D的模擬結(jié)果與解析解十分吻合 MT3D的輸入和輸出 MT3D需要的輸人數(shù)據(jù)是通過(guò)不同的數(shù)據(jù)文件來(lái)讀取的 這些文件的數(shù)據(jù)輸人格式有嚴(yán)格的要求 在研究一個(gè)實(shí)際問(wèn)題時(shí) 需要特別注意輸入數(shù)據(jù)的格式是否符合MT3D的要求 這是一個(gè)十分煩瑣的過(guò)程 MT3D輸出計(jì)算濃度的格式和頻率由用戶給定 為了節(jié)省存貯空間 不同時(shí)刻污染物的濃度作為一個(gè)二進(jìn)制文件保存在磁盤上 因此 無(wú)法用字處理軟件直接讀取和處理 MT3D程序包中有一個(gè)實(shí)用程序 PM 可以用來(lái)讀取指定時(shí)刻的濃度并保存為文本文件 便于制圖和輸出 近些年來(lái) 已經(jīng)出現(xiàn)許多商業(yè)軟件專門用于MT3D的數(shù)據(jù)輸入和模擬結(jié)果的處理 比較著名的有加拿大Wa terloo水文地質(zhì)公司的VisualModlfow 美國(guó)BOSS公司的GroundwaterModelingSystem以及ProcessingMODFLOW軟件等 這些軟件都具有可視化的操作環(huán)境 有些還具有地理信息系統(tǒng)的接口 使用這些軟件可以完成從數(shù)據(jù)輸入 模型運(yùn)算到結(jié)果圖形輸出的全過(guò)程 極大地提高了污染物運(yùn)移模擬工作的效率 2 MT3DMS 一 MT3DMS的開(kāi)發(fā)歷史1990年代以前 雖然已經(jīng)有很多有關(guān)地下水中污染物運(yùn)移的研究 但是 還很少見(jiàn)到一個(gè)完全公開(kāi)的用于地下水中污染物運(yùn)移的模擬軟件 而地下水中污染物的運(yùn)移過(guò)程要比地下水流本身的運(yùn)動(dòng)要復(fù)雜得多 再加上數(shù)值模擬污染物運(yùn)移過(guò)程中存在的數(shù)值彌散和人工振蕩 因此 開(kāi)發(fā)一套能夠有效應(yīng)用于實(shí)際區(qū)域地下水中污染物運(yùn)移的模塊化軟件成為一種必需 正是為了適應(yīng)這一要求 C Zheng 鄭春苗 在S S Papadopulos Associates公司工作期間 由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署 U S EnvironmentalProtectionAgency USEPA 資助開(kāi)發(fā)并于1990年發(fā)布了一個(gè)用于地下水中污染物運(yùn)移的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用模擬軟件 MT3D MT3D軟件一經(jīng)發(fā)布 其源代碼即由USEPA完全公開(kāi) 1998年 在美國(guó)國(guó)防部 U S DepartmentofDefense USDoD 下屬陸軍工程師兵團(tuán)研究開(kāi)發(fā)中心 U S ArmyEngineerResearchandDevelopmentCenter 項(xiàng)目的資助下 C Zheng和P Wang開(kāi)發(fā)出來(lái)了基于MT3D的第二代模擬軟件 MT3DMS MT3DMS增加和豐富了MT3D軟件中原有的求解子程序包 能夠在保證質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上盡可能減小數(shù)值彌散和人工振蕩引起的誤差 MT3DMS不但可以同時(shí)模擬地下水中多種污染物組份的物理遷移過(guò)程 包括對(duì)流 彌散 吸附等 而且可以 或結(jié)合其它軟件如RT3D 模擬組份在運(yùn)移過(guò)程中發(fā)生的簡(jiǎn)單 或復(fù)雜 生物和化學(xué)反應(yīng) MT3DMS本身不包括地下水流模擬程序 需要與中心網(wǎng)格的有限差分水流計(jì)算程序聯(lián)合使用 正式發(fā)布的MT3D MT3DMS源程序考慮的水流模擬軟件是MODFLOW 經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的修改 MT3D MT3DMS也可以與其它類似的水流模擬軟件相結(jié)合 1998年發(fā)布的基于MT3D升級(jí)的第一個(gè)MT3DMS軟件稱為MT3DMSv3 00 A版本 為了適應(yīng)2000年發(fā)布的MODFLOW2000程序 MT3DMS于2001年升級(jí)為MT3DMSv4 00版 2005年剛剛升級(jí)到MT3DMSv5 00版 MT3DMS易于使用 求解精確 快速便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)使得它很快獲得了政府有關(guān)部門 地下水研究咨詢公司以及眾多用戶的認(rèn)可 成為目前世界范圍內(nèi)最為廣泛的三維溶質(zhì)運(yùn)移模擬通用軟件 二 MT3DMS的結(jié)構(gòu)組成 與MODFLOW的結(jié)構(gòu)類似 MT3DMS的程序設(shè)計(jì)也是采用模塊化結(jié)構(gòu) ModularStructure 即由一個(gè)主程序 MainProgram 和若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子程序包 Package 組成 各個(gè)子程序包又由不同的模塊 Module 組成 供主程序隨時(shí)調(diào)用 目前 MT3DMS中有基本運(yùn)移 Basictransportpackage BTN 對(duì)流 Advectionpackage ADV 彌散 Dispersionpackage DSP 源匯混合 Sink sourcemixingpackage SSM 化學(xué)反應(yīng) Chemicalreactionpackage RCT 廣義共軛梯度求解 Generalizedconjugate gradientsolverpackage GCG 運(yùn)移過(guò)程觀測(cè) Transportobservationpackage TOB 水流模型接口 Flowmodelinterfacepackage FMI 和公共實(shí)用 Utilitypackage UTL 等9個(gè)子程序包 其中對(duì)于每個(gè)運(yùn)移模型BTN FTL和UTL等3個(gè)子程序包都是必需的 絕大多數(shù)情況下ADV子程序包也是必需的 用戶可以根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的子程序包來(lái)模擬地下水中的溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程 而TOB是MT3DMSv5 00版中最新增加的可選子程序包 三 MT3DMS的特點(diǎn) 1 程序結(jié)構(gòu)的模塊化2 程序代碼的公開(kāi)化3 離散方法的簡(jiǎn)單化4 求解方法的多樣化 四 MT3DMS軟件的應(yīng)用現(xiàn)狀 運(yùn)用MT3DMS軟件不但能模擬地下水中污染物的對(duì)流 彌散 而且能夠同時(shí)模擬多種污染物組分在地下水中的運(yùn)移過(guò)程以及它們各自的變化反應(yīng)過(guò)程 不包括各種組分之間的化學(xué)反應(yīng) 包括平衡控制的等溫吸附過(guò)程 非平衡吸附過(guò)程 放射性衰變或簡(jiǎn)單生物降解過(guò)程 同時(shí) 利用雙重區(qū)域介質(zhì)理論 MT3DMS還可以用來(lái)模擬高度非均質(zhì)裂隙介質(zhì)中的污染物運(yùn)移 利用MT3DMS的以上幾個(gè)特點(diǎn) 用戶還可以根據(jù)自己的需要 與其它擴(kuò)充功能模塊結(jié)合 從而應(yīng)用到很多目前MT3DMS所不能模擬的過(guò)程或現(xiàn)象 1 如Guo等以MT3DMS為核心 開(kāi)發(fā)出來(lái)考慮地下水密度變化的SEAWAT軟件 可用于海水入侵過(guò)程的實(shí)際模擬 Labgevin等對(duì)SEAWAT進(jìn)行了升級(jí) 2 Prommer等將MT3DMS與PGREEQC 2結(jié)合 開(kāi)發(fā)了PHT3D軟件 可以模擬許多地球化學(xué)反應(yīng)對(duì)污染物 溶質(zhì) 運(yùn)移的影響 3 Zheng和Wang將MT3DMS與優(yōu)化方法相結(jié)合 用于污染物治理方案的最優(yōu)設(shè)計(jì) 并開(kāi)發(fā)了用于地下水污染治理和含水層修復(fù)方案設(shè)計(jì)的模擬優(yōu)化軟件 4 而最近Wu等將MT3DMS與優(yōu)化方法相結(jié)合 成功地應(yīng)用于確定條件下污染物長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 軟件應(yīng)用 本節(jié)內(nèi)容以ProcessingMODFLOW為例 介紹如何利用軟件解決地下水溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題首先我們來(lái)熟悉一下ProcessingMODFLOW的界面 建立溶質(zhì)運(yùn)移模型前 需要首先建立水流模型 簡(jiǎn)單步驟如下 Step1 CreateaNewModelStep2 AssignModelDataStep3 PerformtheFlowSimulationStep4 CheckSimulationResultsStep5 CalculatesubregionalwaterbudgetStep6 ProduceOutput當(dāng)水流模型建立好之后 就可以輸入溶質(zhì)運(yùn)移模型所需的參數(shù) 進(jìn)行模擬計(jì)算 Step1 定義觀測(cè)孔 Step2 設(shè)置邊界條件Grid BoundaryConditions ICBUND MT3D MT3DMS 在這個(gè)模型中需要設(shè)置所有的網(wǎng)格均為有效單元 即設(shè)置所有的網(wǎng)格值為1 同水流模型一樣 1為有效單元 0為無(wú)效單元 1為定濃度 流量 單元 Step3 設(shè)置初始濃度Models MT3D InitialConcentration設(shè)置所有單元初始濃度值為0Step4 輸入污染速率Models MT3D Sink SourceConcentration Recharge設(shè)置污染區(qū)域內(nèi)補(bǔ)給速率為12500 Step5 設(shè)置對(duì)流項(xiàng)Models MT3D Advection Step6 設(shè)置彌散項(xiàng)Models MT3D Dispersion對(duì)話框中的數(shù)值設(shè)置好后 本例不需做改動(dòng) 將所有單元內(nèi)的數(shù)值設(shè)置為10 Step7 設(shè)置