宋亞丹 吳叢楊慧 林雪峰 劉仁華 方成
摘 要:三維地質(zhì)模型和地下水數(shù)值模型可以直觀地模擬區(qū)域或小范圍場地的水文地質(zhì)情況,在場地環(huán)境調(diào)查中可以使地下水動態(tài)尤其是地下水流向得到更為準確的展示,可以為場地環(huán)境調(diào)查中地下水采樣點位布設(shè)提供參考。本文介紹了地下水模擬軟件GMS(Groundwater Modeling System)的相關(guān)功能以及進行地下水數(shù)值模擬的基本步驟,并以某場地為例,根據(jù)場地環(huán)境調(diào)查獲取的地層數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù),通過使用GMS軟件中的工具模塊和計算模塊對數(shù)據(jù)進行處理,構(gòu)建三維地質(zhì)構(gòu)造模型和地下水數(shù)值模型。
關(guān)鍵詞:三維地質(zhì)模型;地下水數(shù)值模擬;GMS軟件
中圖分類號:P641.4文獻標識碼:A文章編號:1003-5168(2021)07-0018-04
Application of Groundwater Simulation Software GMS in Site Environmental Investigation
SONG Yadan1 WU Congyanghui1 LIN Xuefeng2 LIU Renhua1 FANG Cheng1
(1. Suzhou Hongyu Environmental Technology Co., Ltd.,Suzhou Jiangsu 215011;2. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215000)
Abstract: The three-dimensional geological model and the groundwater numerical model can intuitively display the groundwater hydrogeological conditions of a region or a small range of sites, in the site environmental survey, the groundwater geological conditions, especially the groundwater flow direction can be more accurately displayed, which can provide a reference for the layout of groundwater sampling points in site environmental survey. This paper introduced the related functions of the groundwater simulation software GMS (Groundwater Modeling System) and the basic steps for groundwater numerical simulation, taking a site as an example, based on the stratum data, borehole data, and hydrological data obtained from the site environment survey, the data was processed by using the tool modules and calculation modules in the GMS software to construct a three-dimensional geological structure model and a groundwater numerical model.
Keywords: 3D geological model;groundwater numerical simulation;GMS software
在構(gòu)建三維地質(zhì)模型和地下水數(shù)值模型時,需要先建立場地概念模型。三維地質(zhì)模型是表現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)空間分布的模型,它是場地環(huán)境調(diào)查研究的基礎(chǔ),是分析和研究地層結(jié)構(gòu)、查明地層分布規(guī)律、確定數(shù)值模擬參數(shù)分區(qū)及參數(shù)初值的依據(jù)。而在進行場地環(huán)境調(diào)查時,也要先建立場地環(huán)境概念模型。場地概念模型是指以文字、圖表等方式歸納出與研究場地相關(guān)的數(shù)據(jù)信息??偨Y(jié)整理場地概念模型,可以對場地的水文地質(zhì)條件、污染源、受體以及污染物和影響受體的暴露途徑等進行綜合展示。場地概念模型主要用來表述場地的基本信息,同時在場地環(huán)境調(diào)查中是連接整個調(diào)查、風險評估以及后期污染修復(fù)的有效工具。
早前研究中,研究人員主要通過已有的鉆孔數(shù)據(jù)資料人工繪制出二維剖面圖或立體剖面圖,以此作為場地概念模型?,F(xiàn)在,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,人們可以利用三維地下水模擬軟件GMS,構(gòu)建三維地下水數(shù)值模型以及三維地質(zhì)模型,這樣不僅簡單方便,而且可以在任意層位、任意位置切割剖面查看地層剖面分布情況,并可對模型進行空間上的任意旋轉(zhuǎn),從不同角度觀察模型的結(jié)構(gòu)?!秷龅丨h(huán)境監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.2—2014)地下水布點要求:地下水布點可結(jié)合地下水流向、地下水位以及環(huán)境調(diào)查結(jié)論進行設(shè)置。地下水模型的構(gòu)建對場地環(huán)境調(diào)查中的地下水采樣點位的布設(shè)有參考指導(dǎo)意義。三維地質(zhì)模型的建立使得場地地層構(gòu)造情況可視化程度大大提高,有助于分析和研究地層結(jié)構(gòu)對場地環(huán)境的影響。
1 GMS軟件介紹
近年來,地下水模擬軟件開發(fā)漸趨成熟,MODFLOW、MT3D、FELLOW等軟件在三維地下水流動和污染溶質(zhì)運移模擬中較為常用,但這些軟件在界面、交互性及前后處理等方面都存在很大的差異[1-3]。針對此缺陷,人們開發(fā)出改進的地下水模擬的集成系統(tǒng)——三維地下水模擬軟件GMS。
地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Model System,GMS)由美國楊百翰大學環(huán)境模型研究實驗室和美國軍工部排水工程試驗站聯(lián)合研發(fā),是綜合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、SEEP2D、SEAM等地下水模型而開發(fā)的可視化三維地下水模擬軟件包,其可應(yīng)用于模擬不同環(huán)境下的地下水問題,同時彼此又有著關(guān)聯(lián)交叉性,比如,數(shù)值計算模型MODFLOW的計算結(jié)果可由MODPATH直接調(diào)用[4]。GMS是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、GIS空間分析、圖形處理技術(shù)與地下水數(shù)值模擬專業(yè)模型相結(jié)合的產(chǎn)物。
相比于其他模擬軟件,GMS有很多優(yōu)點。首先,GMS軟件的模塊較多且各模塊的功能更加完善,前后處理功能更強大,可以用它來模擬與地下水相關(guān)的所有水流和溶質(zhì)運移問題。其次,GMS軟件可以通過概念化方式建立水文地質(zhì)概念模型,通過網(wǎng)格化方式來對概念模型進行求解。GMS軟件可以采用MODFLOW等模塊輸入數(shù)據(jù)并自動保存一系列文件,以便在使用這些模塊時直接調(diào)用,實現(xiàn)了可視化輸入。同時,MODFLOW等模塊的計算結(jié)果又可以直接導(dǎo)入GMS軟件中進行后處理,實現(xiàn)計算結(jié)果的可視化。
GMS軟件在地下水數(shù)值模擬以及實現(xiàn)地層結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的可視化研究方面表現(xiàn)突出,包含計算模塊、輔助模塊和工具模塊三個子模塊。TINs、Solids、Boreholes、2D Scatter Point和MODFLOW模塊是建立地下水模型和三維地層構(gòu)造模型的主要功能模塊。
TINs通常用來表示相鄰地層的界面,多個TINs可以用來建立實體(Solids)模型或三維網(wǎng)格;Solids實體模型是實際地層的三維立體模型[5];Boreholes模塊用于管理樣品和地層兩種格式的鉆孔數(shù)據(jù)。樣品數(shù)據(jù)可做等值面和等值線,地層數(shù)據(jù)用來建立TINs、Solids實體和三維有限元網(wǎng)格[6-7]。Scatter Point模塊用于繪制散點圖,二維與三維Scatter Point主要功能是導(dǎo)入和管理數(shù)據(jù),并進行插值,完成TINs、Grids間的數(shù)據(jù)傳輸。MODFLOW是GMS軟件的計算核心模塊,是美國地質(zhì)調(diào)查局于20世紀80年代開發(fā)的一套專門用于孔隙介質(zhì)地下水流動數(shù)值模擬的軟件。MODFELOW可以模擬河流與含水層之間的水力聯(lián)系,模擬由于抽水引起的地面沉降,模擬水平流動障礙,同時也可以用于分析地下水流動影響因素的水文地質(zhì)特性[6]。
2 三維地質(zhì)模型的建立
GMS軟件構(gòu)建三維地質(zhì)模型,主要是通過利用鉆孔數(shù)據(jù)生成柱狀剖面圖來完成的[7-8],三維地質(zhì)模型建立流程如圖1所示。
具體流程如下:野外踏勘確定點位信息后進行地質(zhì)鉆探[9],收集并記錄鉆孔點位深度數(shù)據(jù)信息,匯總整理,同時將場地內(nèi)鉆井深度數(shù)據(jù)保存為TXT格式,以便將鉆孔資料直接導(dǎo)入GMS軟件中;打開GMS軟件,將鉆孔數(shù)據(jù)導(dǎo)入Boreholes模塊,建立三維柱狀圖,在三維柱狀圖之間的空白連接面以Horizons ID這一屬性數(shù)據(jù)自動填充,連接空白分割面;在GMS軟件中根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)的平面視圖,用MAP模塊創(chuàng)建一個生成三維圖形的限定區(qū)域,并構(gòu)建TINs網(wǎng)格;在GMS軟件中使用Boreholes中的Horizons ID Solid進行三維地層模型的插值分析,選擇反距離插值計算法進行插值計算。GMS軟件經(jīng)過一定時間的插值運算,即可完成三維地層模型的建立。
三維地質(zhì)模型示例如圖2所示,地質(zhì)構(gòu)造模型可以反映地質(zhì)體內(nèi)部特征,在場地環(huán)境調(diào)查中,可以使研究區(qū)域內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況更加可視化地表達,有助于了解研究區(qū)域內(nèi)部土層的起伏狀況與構(gòu)造特征。同時,三維地質(zhì)構(gòu)造模型的建立也為研究區(qū)域三維地下水數(shù)值模型的建立奠定了一定的基礎(chǔ)。
3 三維地下水數(shù)值模型的建立
在構(gòu)建三維地下水數(shù)值模型時,首先要對研究區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件和含水層結(jié)構(gòu)進行概化,建立研究區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)概念模型[10]。然后,確定研究區(qū)域的邊界范圍,查找水文地質(zhì)勘測報告,依據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)、含水介質(zhì)的水力特征及埋藏條件,以確定研究區(qū)域內(nèi)部的含水種類。三維地下水模型建立流程如圖3所示。
首先,確定場地邊界范圍,根據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)、含水介質(zhì)的水力特征及埋藏條件,確定場地內(nèi)部含水類型。根據(jù)剖面位置平面示意圖和地層結(jié)構(gòu)的剖面圖分析以及前人的研究分析,對場地內(nèi)部的含水層進行概化。將各含水層井底板高程等值線圖掃描、數(shù)字化處理并導(dǎo)入GMS中,各含水層的弱透水層的厚度可由各含水層的頂、底板標高間接得到。
然后,將研究區(qū)域CAD底圖或者GIS圖片導(dǎo)入GMS軟件中,運用GMS軟件的Map模塊中的Create Arc菜單畫出待模擬區(qū)域范圍,然后用相應(yīng)的點和曲線定義研究區(qū)域邊界及邊界的類型。地下水數(shù)值模擬中的邊界條件一般有三類[11]。第一類邊界需要根據(jù)有關(guān)資料分析定義邊界曲線各個端點的水頭值,這一邊界中間的任一水頭值由兩端點的水頭線性插值得到。第二類邊界條件為已知流量的邊界條件,即垂直于邊界面的流量是給定的。隔水邊界就是流量為零的二類邊界。第三類邊界條件為混合邊界,即水頭和水頭的倒數(shù)的組合在邊界上是已知的。
接著,應(yīng)用Map地層結(jié)構(gòu)這一屬性,在潛水層根據(jù)參數(shù)分區(qū)輸入不同入滲透系數(shù)、降雨入滲補給系數(shù)以及蒸發(fā)系數(shù),其他含水層數(shù)據(jù)導(dǎo)入方法相似。水文地質(zhì)數(shù)據(jù)輸入完畢后,GMS可自動固定網(wǎng)格剖分的區(qū)域,模擬時可以根據(jù)具體的需要靈活地剖分網(wǎng)格的位置、大小以及密度等。
最后,使用Modflow菜單中的New Simulation命令對模型進行初始化[11]。激活Model Ttype對話框中的Steady命令定義此次模擬為穩(wěn)定流。使用2D Scatter Point模塊中的Interpolate to Modelflow Layers對話框進行插值,GMS軟件將自動識別每個網(wǎng)格各個點中的含水層的厚度和初始流場。使用Check Simulation菜單對模型進行檢查,此命令可以檢查模型的所有參數(shù)是否正確合理。使用Run Modflow運行命令對模型進行計算,待模型計算完成后,運用Close命令關(guān)掉運算對話框,在模擬區(qū)域?qū)⒆詣由捎嬎愠龅牡人^線。
三維地下水數(shù)值模型如圖4所示,人們從模型可以清晰地看出研究區(qū)模擬層的地下水流向。根據(jù)三維地下水數(shù)值模型的結(jié)果來進行場地環(huán)境調(diào)查中地下水的點位設(shè)置,地下水模型的構(gòu)建對于場地環(huán)境調(diào)查中的地下水采樣點位的布設(shè)有指導(dǎo)意義。
4 建立地下水模型時需要注意的問題
首先,在GMS 7.0軟件操作過程中,除了要避免錯誤操作外,還要養(yǎng)成隨時保存的習慣,這樣可以避免由于操作錯誤退出造成的資料丟失,減少重復(fù)工作。在進行地下水模擬時,對于研究區(qū)域邊界條件的概化一定要合理準確,避免出現(xiàn)模擬結(jié)果不合理的現(xiàn)象。其次,在利用Map模塊進行水文地質(zhì)數(shù)據(jù)賦值時,各參數(shù)的數(shù)據(jù)提取和處理應(yīng)特別注意,避免出現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)高程遠低于地層底部高程的不合理現(xiàn)象[12]。本次操作使用的GMS 7.0軟件的操作界面與使用命令均為英文,對于以中文命名的文件會出現(xiàn)不能識別的情況,最終可能會導(dǎo)致軟件運行異常終止并強行退出,所以在保存或創(chuàng)建文件時用的文件名不要出現(xiàn)中文。
5 結(jié)語
研究區(qū)域的地下水數(shù)值模型是使用地下水模擬軟件GMS中的計算模塊MODFLOW模塊以及工具模塊Map模塊一起建立的。在使用GMS軟件進行地下水數(shù)值模擬時,概念模型的建立不僅可以提高效率,也可以提升模型的準確率。但是,在實際應(yīng)用中,地下水數(shù)值模擬的建立需要對邊界條件、源匯項數(shù)據(jù)等含水層參數(shù)進行概化,有些還需要進行一些假設(shè),若假設(shè)不成立,那么模擬結(jié)果的可靠性也會大大降低,這就要求模擬者掌握大量的專業(yè)知識,從整體上把握模型[13]。
參考文獻:
[1]吳劍鋒,朱學愚.由MODFLOW淺談地下水流數(shù)值模擬軟件的發(fā)展趨勢[J].工程勘察,2000(2):12-15.
[2]朱玉水,段存俊.MT3D-通用的三維地下水污染物運移數(shù)值模型[J].東華理工學院學報,2005(1):26-29.
[3]賀國平,邵景力,崔亞莉,等.FEFLOW在地下水流模擬方面的應(yīng)用[J].成都理工大學學報(自然科學版),2003(4):356-361.
[4]祝曉彬.地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2013(5):53-55.
[5]黃靜莉,王清.基于GMS的城市地下空間三維工程地質(zhì)地層建模[J].長春工程學院學報(自然科學版),2012(1):74-77.
[6]吳劍鋒,朱學愚.由MODFLOW淺談地下水數(shù)值模擬軟件的發(fā)展趨勢[J].工程勘察,2000(2):13-15.
[7]紀媛媛,周金龍,楊廣焱.GMS在我國地下水資源評價與管理中的應(yīng)用[J].地下水,2013(2):76-79.
[8]張曉明,薛麗娟,朱新軍,等.海河流域平原區(qū)仿真地層模型建設(shè)[J].水文,2008(4):24-28.
[9]龔旭龍.區(qū)域松散介質(zhì)三維地質(zhì)建模研究[D].武漢:中國地質(zhì)大學,2007:21-23.
[10]馬靜,吳平,董彥釗,等.GMS概念模型法簡述[J].科教前沿,2011(29):512-513.
[11]吳立新,史文中,CHRISTOPHER Gold.3D GIS與3D GMS中的空間構(gòu)模技術(shù)[J].地理與地理信息科學,2003(1):5-11.
[12]周仰效,李文鵬.區(qū)域地下水流模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2019(1):1-10.
[13]周念清,朱蓉,朱學愚.MODFELOW在宿遷市地下水資源評價中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2000(6):9-13.