国外地下水模拟软件的发展现状与趋势

国外地下水模拟软件的发展现状与趋势  



丁继红

(吉林大学数学科学学院)

周德亮, 马生忠

(吉林大学综合信息矿产预测研究所)


通过对目前国际上最有影响的几个地下水模拟软件的分析，概述了地下水模拟软件的发展现状，指出组件化、与GIS集成、前后处理功能强化、科学可视化的深入应用将是未来地下水模拟软件发展的主要趋势。

一、引言
利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用。一个完整的地下水模拟过程包含3个部分：前处理、模型计算和后处理。前处理是指在进行模拟计算之前对计算过程中所需数据的整理、组织、输入及计算网格的编号与生成。模型计算是进行地下水流动或水质运移正反演计算，常用的方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等。后处理是将计算所产生的结果数据，用图形或表格显示或存放起来，以供研究人员方便地进行分析和使用。传统的地下水模拟过程复杂繁琐，前后处理所花费的时间往往是计算时间的几倍，甚至是几十倍。如何获取、组织和输入模拟计算所必备的含水层复杂结构、庞大的数据与参数，如何分析和理解模拟计算过程中所产生的庞大的结果数据，如何减轻研究人员的劳动强度，缩短研究工作时间，成为传统地下水模拟研究工作面临的突出问题和困难。计算机技术的快速发展，在不断驱使研究人员对更为复杂的含水层系统中的地下水运动及溶质运移进行数值模拟的同时，又不断为解决问题提供新的技术和手段。近年来，在人机交互、计算机图形学和科学可视化等技术的推动下，国外地下水模拟软件不论是在数量还是质量上都有了巨大的发展和提高，前后处理的可视化功能日益强大。

二、最有影响的几个传统地下水模拟软件
通过近二十年的研究与发展，国际上已经形成了一批非常有影响的地下水模拟DOS版本的软件，它们今天在国际地下水模拟研究领域依旧非常活跃，如MODFLOW、MT3DMS、MT3D99、PEST、MODPATH、UCODE等。

1、MODFLOW

MODFLOW是由美国地质调查局(USGS)的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。自从它问世以来，MODFLOW已经在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。这种普及性是由其如下的特点决定的。

程序结构的模块化。MODFLOW包括一主程序和若干个相对独立的子程序包(Package)。每个子程序中有数个模块，每个模块用以完成数值模拟的一部分。例如河流子程序包用来模拟河流与含水层之间水力联系；井流子程序包用来模拟抽水井和注水井对含水层的影响。MDFLOW的这种模块化结构使得其程序易于理解、操作、修改和添加。MODFLOW问世以来，不断有新的子程序包被开发出来，例如用来模拟抽水引起地面沉降的子程序包(Leake和Prudic,1998)，用来模拟水平流动障碍(Horizontal flow-barrier)的子程序包(Hsieh和Freckleton,1993)等。新子程序的加入，使MODFLOW的应用范围不断扩大。

离散方法的简单化。MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟。差分法易于程序的普及和数据文件的规范。其主要缺点是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元，延长程序的运行时间，随着计算机速度的迅速提高，计算机受网格数量的限制越来越小，差分法的优势越来越大，MODFLOW解决地下水流运动问题已经将含水层剖分到多达360×360×18个网格单元。

MODFLOW引进了应力期(Stress Period)概念，它将整个模拟时间分为若干个应力期，每个应力期又可再分为若干个时间段。在同一应力期，各时间段既可以按等步长，也可以按一个规定的几何序列逐渐增长。而在每个应力期内，所有的外部源汇项的强度应保持不变。这样就简化、规范了数据文件的输入，而且使得物理概念更为明确。

求解方法的多样化。迄今为止，MODFLOW已经含有强隐式法、逐次超松弛迭代法、预调共轭梯度法等子程序包。可以预见，MODFLOW的求解子程序包必将更加多样化，应用范围也更为广泛。大量实际工作表明，只要恰当使用，MODFLOW也可以用来解决裂隙介质中的地下水流动问题。不仅如此，经过合理的概化，MODFLOW还可以用来解决空气在土壤中的流动（Guo,1995）；将MODFLOW与溶质运移模拟的软件结合起来，还可以用来模拟诸如海水入侵等地下水密度发生变化的问题(Guo和Benett,1997)。

2、MT3D99

MT3D99是美国S.S.Papodopulos & Associates公司的Zheng博士设计的模拟三维地下水溶质运移程序MT3D(1990)的增强版，MT3D99的易于使用、精确、快速的优良性能使得它获得了政府有关部门、地下水研究咨询公司以及用户的广泛认可，成为目前世界上首屈一指的溶质运移模拟软件。

MT3D99能够模拟地下水系统中的平流、扩散、衰减、溶质化学反应、线性与非线性吸附作用等现象，能够对承压含水层，不承压含水层，承压与不承压交替的含水层以及倾斜的和单元厚度变化的含水层进行空间离散。

MT3D99提供了丰富的求解方法。一个隐含求解方法是基于带高效Lanczos/ORTHOMIN加速格式的广义共轭梯度法的迭代求解方法，能够花费比传统方法少得多的机时来求解范围广泛的问题。MT3D99采用了三阶TVD(total-variation-diminishing)格式用于求解对流项，具有保持质量守恒和使数值弥散和人为振动最小化的特点，在其它求解技术失败时，此格式往往是有效的。MT3D99还将三种常用的运移求解技术结合在统一的代码中，这三种求解方法是：标准有限差分法、基于Eulerian-Lagrangian的粒子跟踪方法和高阶有限体积TVD方法。这种灵活性确保了每一个问题都能按照所要求的精度和效率用最可能好的方法解决。

3、PEST2000

PEST2000是由澳大利亚Watermark Computing公司开发的PEST新版本，是功能强大的模型独立的参数估计程序，广泛应用于地下与地表水文地质学、地球物理、化学、结构与地质技术工程以及其它许多领域的模型校正和数据插值。

PEST2000利用一个强有力的数值反演算法来“控制”运行中的模型，程序在每次模拟之后自动调整所选择的模型参数，直到将校正的目标最小化为止，其灵活性、稳定性和可靠性优于其它的参数估计程序。PEST2000包含许多独特的特征和分析能力。它允许对每个模型参数设置上下限，以确保参数的确定合理可信；允许指定参数是可调的、固定的还是与其它参数相关联的；允许合并与参数及参数间关系有关的先验信息。PEST2000引进了参数估计的最新技术──预测分析，使用这种革新方法可使模型程序计算由于参数的不确定性而产生的模型预测的不确定性，同时保持模型处于被校正的状态。换言之，如果假定一个条件，预测分析器能够确定一个正被校正的模型有没有可能满足这一条件。为了减少优化的时间，PEST2000还具有并行处理功能。

经过近二十年的发展，MODFLOW、MODPATH、MT3D、PEST等软件已经成为三维地下水流动和污染质运移模拟的世界标准。特别是MODFLOW，据统计，自1992年底以来，美国地质调查局运行的22种有关地下水流水量水质数值模拟计算的程序中，MODFLOW约占总应用次数的41.56%，而其它的绝大多数模型的使用率都不超过5.0%，MODFLOW已经占据了最权威的地位，并且获得政府部门的认同。运用MODFLOW的计算结果，在有关地下水资源超量开采、地下水污染等诉讼案件中，甚至成为一个有力的法律依据。MODFLOW能得到广泛的应用，一个很重要的因素就在于其设计上的合理性。参与MODFLOW设计、编程的工作人员大多都是具有丰富实际经验的著名水文地质学家。MODFLOW的使用说明书本身就是一部很好的关于地下水数值模拟方面的教科书。但是，这些软件都仅仅适用于地下水模拟过程中的特定问题，并且软件的界面、交互性、前后处理等方面都还存在不小的差距，因此，开发这些软件的集成系统，谋求对这些软件缺陷的改进就成为地下水模拟软件开发研究的一个重要方向，由此产生了如PMWIN、Visual MODFLOW等Windows软件包。

三、可视化模拟平台环境软件的发展
随着Windows在操作系统中统治地位的确立，传统的地下水模拟软件纷纷在windows的基础上进行修改、扩充与功能增强，特别是在人机交互、计算机图形学和科学可视化等计算机技术的推动下，带有可视化功能的地下水模拟软件发展迅速，目前已经占据国际地下水模拟软件市场的主流地位。它们的共同特点是适应的问题广，将数值模拟的前处理、模型计算和后处理全过程中的各个步骤很好地连接起来，从建模、网格剖分、输入或修改各类水文地质参数和几何参数、运行模型、反演校正参数，一直到显示输出结果，整个过程从头至尾寻求计算机化。其中较有影响的有PMWIN、Visual MODFLOW、GMS、MSVMS、Argus ONE、FEFLOW等。

1、Visual MODFLOW

由加拿大Waterloo水文地质公司在Modflow的基础上开发研制的Visual MODFLOW（1994），是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该系统在无缝集成MODFLOW-96、WinPEST、MT3D99、MODPATH(平面和剖面流线示踪分析)、RT3D等软件的基础上，建立了系统合理的Windows菜单界面与可视化功能。增强模型数值模拟能力、简化三维建模复杂性，是Visual MODFLOW软件系统界面设计的主要目的。界面设计包括三大彼此联系但又相对独立的模块，即前处理模块、运行模块和后处理模块。

前处理模块允许用户直接在计算机上为构建一个三维模型而赋值所有必要的几何参数、水文地质参数、计算方法参数和边界条件等信息。前处理输入菜单把MODFLOW、MODPATH和MT3D的数据输入作为一个基本建模块，这些菜单以一定的逻辑顺序可视排列，引导用户逐步完成建模和数据输入工作。用户可以在计算机上用直线、折线、矩形、多边形定义和剖分模拟区域，通过平面视图和剖面视图以交互方式显示模型的剖分网格、输入参数和输入结果，可以随意增减剖分网格和模拟层数，确定边界几何形态和边界性质，定义抽(排)水井的空间位置和出水层位以及非稳定抽排水量。参数菜单允许用户直接圈定各个水文地质参数的分区范围并赋值相应参数，同时上、下层所有参数可相互复制拷贝。用户在前处理模块中还可预先定义水位校正观测孔的具体空间位置和观测层位，并输入其观测数据，以便在后续的模型识别工作中校正使用。

运行模块允许用户修改MODFLOW、MODPATH和MT3D的各类参数与数值，包括初始估计值、各种计算方法的控制参数和设计输出控制参数等，这些均已设计了缺省背景值，用户可根据自己模拟计算的需要，做适当的调整。Visual MODFLOW允许用户单独或共同执行水流模型(MODFLOW)、流线示踪模型(MODPATH)和溶质运移模型(MT3D)，各部分均设计了模型识别和校正的菜单。

后处理模块允许用户以三种方式展示模拟结果：在屏幕上彩色立体显示模拟结果；在打印机上输出模拟结果的表格和图件；以图形或文本文件格式输出模拟结果。输出和显示的图形包括可以标记显示水头、降深、浓度、含水层顶底板标高、含水层厚度、渗流速度矢量等的平面、剖面等值线图和平面、剖面示踪流线图以及局部区域水均衡图等。

2、Visual Groundwater

Visual Groundwater是唯一的一个主要用于地下水模拟后处理的三维可视化软件包，它将图形技术与专业工具有效结合，用于处理、显示、动画包括地层、土壤污染带、地下水高程、地下水浓度、地下水模拟结果等在内的复杂的地下水表面数据。将Visual Groundwater与模拟软件集成使用，就可以构建可视化功能强大的地下水模拟平台环境。

Visual Groundwater有一个钻孔数据管理系统，用于方便地输入和处理地形、地质、土壤化学，地下水高程以及地下水化学数据等。

数据可以采用直观的数据输入形式人工输入，也可以由ASCⅡ文件导入。然后采用Natural Neighbor插值法将钻孔数据插值成三维网格数据，三维插值子程序还可以计算土壤和地下水的体积。VGW转换器能够读入所有标准的Visual MODFLOW类型的数据文件以及来自其它地下水模拟软件的网格化的结果数据。软件还提供了将不规则分布的三维数据转换成网格数据的功能。

强大的可视化能力是Visual Groundwater的根本特征。它提供了一个屏幕交互环境来显示、操纵、解译二维和三维图形对象数据，这些对象数据包括外形对象、线对象、变形切片、体表面等。它提供了一个专业的数据操纵系统，这种系统能够很容易地对带有异步时间步长的多重数据集同时旋转和动画，这种实时动画目前用绝大多数其它的三维可视化软件还无法实现。它还可以让使用者对每一个切片和对象选择颜色和透明级别。

3、FEFLOW

FEFLOW是加拿大Waterloo水文地质公司开发的基于三维(Galerkin)有限元的地下水模拟可视化软件包。它能够解决下列地下水模拟问题：完全瞬时、半瞬时、稳态地下水流动与溶质运移；随时间变化的实体属性和约束边界条件；饱和与不饱和流动；包含栖留潜水面的承压与不承压含水层；带有非线性吸附作用、衰变、对流、弥散的化学质量运移；考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热量运移；密度变化的流动(海水入侵等)。

FEFLOW具有如下的主要特征：1)有限元网格的自动生成和局部加细；2)使用艺术化的图形工具为模型的属性和边界条件赋值；3)对光栅与矢量格式的背景图进行加工处理；4)采用Kriging方法、Akima方法等对外部数据源进行插值；5)带有ARC/INFO形文件和属性文件的导入接口；6)健壮的数值算法和求解技术以处理复杂的流动与运移条件；7)自动进行自适应网格加细以使得梯度大的地方的数值解得到优化；8)为观察中间结果可以随时终止模拟进程；9)模型域上多点瞬时水头和浓度解译；10)有限元网格、边界条件、实体属性、模拟结果的三维可视化；11)透明与立体表面显示；12)动画三维粒子追踪和流速向量；13)全局与局部水均衡；14)流动通量分析；15)三维交叉断面图、剖面与切片图的显示；16)三维图形交互旋转。

Visual MODFLOW以其求解方法的简单实用、适应范围的广泛及可视化功能的强大正成为最有影响的地下水模拟平台环境，其使用范围还将会不断扩大。然而实践证明，它往往并不适合某些复杂的地质条件、不饱和流动、密度变化的流动(海水入侵)、热对流等棘手的问题。由于FEFLOW是为满足专门从事复杂地下水模拟工程的专家对技术的要求而设计的，因此，在这些Visual MODFLOW及其它主流软件陷于困境的问题中，它更可以发挥其独特的作用。

四、地下水模拟软件的发展趋势
模拟软件的发展取决于地下水数学模型及计算机软件技术的发展二个方面。模型是地下水模拟软件的内在核心，模拟软件是模型实现的技术手段。模型的发展将会扩大软件的适用范围，提高模拟的精确度。软件技术的应用将大大提高模拟软件的速度、质量及现代化水平。目前，计算机技术正呈现日新月异的发展态势并深刻影响着科学技术的各个领域，这种影响正成为近年来地下水模拟软件发展的主要动力和特征，呈现如下的特点和趋势：

（1）软件结构正由模块式向组件式的方向发展。这将使软件系统更易局部更新，适用范围更广，灵活性更强，也使用户可以方便地将自己编制的模型程序嵌入进这类软件中。

（2）地下水模拟软件与地理信息系统(GIS)的联系日益密切。当前国际上的主流地下水模拟软件都提供了与GIS(如ARC/INFO)的数据接口，随着GIS在水文地质领域中的应用日益广泛和深入，它们之间的联系会更加密切。与GIS无缝集成的地下水模拟软件系统将会出现并且会在地下水模拟软件市场占有一席之地。

（3）软件的前后处理功能越来越强。目前地下水模拟软件的前后处理功能有了很大程度的增强，但是前后处理仍然占据研究工作过多的时间和精力，因此，前后处理功能的提高仍将是今后若干年内这类软件开发的主攻方向之一。

（4）科学计算可视化的应用将是这类软件发展的一个日益重要的技术特征。科学可视化技术的初步运用，已经显著提高了地下水模拟软件的前后处理功能，而这种功能的不断提高也将更多地依赖于科学可视化技术，地下水模拟软件研究与发展将越来越来多地受到科学计算可视化技术发展的影响。

（冯翠娥 摘编自 《勘察科学技术》，2002年，第1期）