可视化地下水数值模拟软件(VISUAL MODFLOW)在国内的应用

冯 洁

(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065)

刚接触地下水数值模拟软件的学者，有许多把Visual MODFLOW与MODFLOW二者混淆或者认为是同一软件，其实，Visual MODFLOW是由加拿大Waterloo水文地质公司在MODFLOW软件基础上开发研制的一款商业软件，MODFLOW可以免费下载、学习，而 Visual MODFLOW必须购买才可使用。本文主要介绍了Visual MODFLOW在我国地下水数值模拟的应用进展情况。

1 Visual Modflow概述

Visual MODFLOW是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，该系统于1994年8月首次由加拿大Waterloo水文地质公司在国际上公开发行［1］。这个软件包由Modflow(水流评价)、Modpath(平面和剖面流线示踪分析)、MT3D(溶质运移评价)和 Zone Budget(水量均衡计算)四大部分组成［2］，并且具有强大的图形可视界面功能。

1.1 理论基础

Visual MODFLOW是一个三维有限差分地下水流动模型，有限差分是一种常用的数值解法，它是在微分方程中用差商代替偏导数，得到相应的差分方程，通过解差分方程得到微分方程解的近似值，它基于以下基本方程［3］:

常密度地下水的三维流动基本方程:

式中:kxx，kyy，kzz为沿 x，y，z坐标轴方向上的渗透系数［LT－1］;h为测压管水头［L］;w为在非平衡状态下通过均质、各向同性土壤介质单位体积的通量［T－1］，即地下水的源和汇;Ss为孔隙介质的储水率［L－1］;t为时间［T］。

对于地下水三维稳定流动，MODPATH的质量平衡方程可用有效空隙率和渗流流速表达为:

式中:Vx、Vy、Vz为线性流动流速矢量在坐标轴方向的分量［LT－1］;n为含水层有效空隙率［%］;w为由含水层内部单位体积源和汇产生的水量［T－1］。

污染物输运模型MT3D的基本方程:

式中:C为地下水中污染物浓度［CT－1］;t为时间［T］;xi为沿坐标轴各方向的距离［L］;Dij为水力扩散系数;Vi为地下水渗流流度［LT－1］;qi为表示源和汇的单位流量［T－1］;Cs为源和汇的浓度［CL－1］;Q为含水层孔隙率［%］;ΣRk为化学反应项。

1.2 特点与求解方法

应用Visual MODFLOW进行地下水模拟，首先要建立离散化的三维模型(网格剖分、层数确定等)，然后确定各计算单元的水文地质边界条件及模型计算中的参数(渗透系数、给水度等)的取值，最后用有限差分法计算水头。其优缺点总结见表 1［4－7］。

Visual MODFLOW为对流－弥散方程的求解提供了四种方法，分别是上游有限差分法(Finite Difference Method，FD)、特征值法(Method of Characteristics，MOC)、改进的特征值法(Modified Method of Characteristics，MMOC)、混合特征值法(Hybrid Method of Characteristics，HMOC)。对于质点的追踪方法，MT3D提供了一阶欧拉算法、四阶Runge－Kutta算法及近源汇处采用四阶Runge－Kutta算法、其它地方采用一阶欧拉算法三种质点追踪技术［6］。

2 Visual Modflow在我国的应用

Visual MODFLOW于20世纪90年代末开始在我国应用［5］，最早见诸报道的是1999年武强等人在《水文地质工程地质》杂志上的介绍性文章，文中介绍了软件的开发背景、运行环境、主要模块结构以及文件数据类型等，并分析了该软件在我国的水资源评价中的应用潜力。目前，该软件的应用主要集中在北方地区，在地下水资源评价、地下水动态预测、矿井涌水量预测、地下水环境演化预测等方面比较常见和成熟。

2.1 地下水资源评价

寻找新的水源地前，了解、掌握区内地下水状况是非常必要的，可为地下水的开发利用提供科学依据。一些学者在各地应用Visual MODFLOW软件开展了水源地水资源评价，何万雄等在陕化新开水源地、许俊等在西藏那曲称曲河水源地、刘记成等在郑州沿黄水源地、丁元芳等在沈阳李官堡水源地、束龙仓等在承德市滦河某水源地等开展了开采井不同开采量、井位布置方案下的水位下降、降落漏斗扩展及水均衡等预测和分析，提出了合理化的开采方案［8－12］。

王佳武等人在渭南市城区、张大龙等人在曲周县区、郭秀娟长春市、贾金生等在河北栾城县、李玟跃等在大庆龙西地区、李平等在公主岭黄龙工业园、李宏卿等在长春城区、杨青青等在吉林西部地区、郑红梅等在天津地区等地进行了地下水水资源评价并开展了水位预测预报，并对地下水开采规划提出了合理化建议，为地下水资源管理提出了科学依

据［13－21］。

贾振兴等利用Visual MODFLOW中的Modflow模块建立了临汾土门的地下水模型，并应用 Modpath模块进行了开采井的粒子反向示踪模拟，根据划分地下水源地保护区的时间标准结合研究区的水文地质条件，确定了水源地各级保护区的界线［22］。

丁飞［23］等人以沈阳石佛寺水库为例，应用 Visual MODFLOw软件模拟了水库不同蓄水高度对地下水产生的影响，并提出不同的布井方案，预测水库不同蓄水高度情形时的地下水可开采量。

2.2 地下水动态预测

地下水动态预测为区域地下水资源的合理开发利用及生态环境保护提供科学的管理决策依据。查力等［24］利用 Visual Modflow对北京地铁十号线大红门站的水流情况进行了模拟和预测，建立预警模型，针对场区地下水位进行监测，为工程项目的施工提供更多的依据，保证工程项目的顺利进行。

庞国兴［25］等人运用Visual Modflow对研究区地下水进行了数值模拟计算，预测了区内地下水水位随时间缓慢上升，地下水处于微弱正均衡状态，地下水水位上升后对拟建厂址范围内项目建设无安全影响，同时为今后研究矿区地下水资源的合理开发利用、矿区建设及环境保护等提供了科学依据。

张英英［26］等人以上海市虹梅南路—金海路通道越江段工程奉贤段深基坑，殷华［27］等人以长江三角州地区某路基取土坑为例运用Visual Modflow建立地下水渗流模型，模拟降水过程，为降水方案最优化设计提供依据。赵鑫［28］等人运用Visual MODFLOW对哈尔滨市地下水进行数值模拟和浸没灾害预测，通过对计算结果分析确定了可能发生浸没区、过度区、不发生浸没区。

陈赫［29］等人以沈阳城区为例，建立符合沈阳城区地下水源热泵采能区的水热耦合数学模型，利用Visual MODFLOW软件中的USGS SEA－WAT模块建立对井模型，可对不同抽灌量下的不同井间距模型进行模拟预测.以得出不同回灌量下的合理井间距。

利广杰［30］等人运用 Visual MODFLOW 对铀矿山地下水进行数值模拟计算和预测，调整了钻孔的抽注液量，优化了井场设计，提高了采铀效率。

2.3 矿井涌水量预测

矿井涌水量预测是矿井防治水工作的前提，指导矿井排水设施的布置及矿井防治水措施的实施。雷明信、石少洲［31－35］等人运用 visua1 MODFLOW 建立三维地下水流数值模型，运用数值法计算不同矿床涌水量，为矿井防治水工作地进行提供依据。

2.4 地下水环境演化预测

地下水流流速慢，交换周期长，一旦受到污染，溶质迁移和降解缓慢，水质难以恢复，属于比较脆弱的地下水环境系统。宋颖霞［36］等人在新峰一矿、张艳［37］等人开封市某典型垃圾场、尉鹏翔［38］在背景某污染场运用 Visual Modflow软件建立了地下水水流模型和污染物运移模型进行模拟，预测了地下水环境的变化，为地下水环境评价和治理提供科学依据。

3 结语

近些年，Visual MODFLOW在地下水数值模拟中已广泛应用，针对该软件的特点，高慧琴［4］等指出可将该软件与3S技术结合或者与地表水模型耦合，除此之外，Visual MODFLOW还有广阔的发展空间:

3.1 瓦斯运移规律的模拟

矿井的另一大灾害—瓦斯，与地下水的共同点是都具有流动性，其运移规律对矿井瓦斯涌(突)出事故的预防及治理至关重要，因此，可否将Visual MODFLOW软件推广应用至该领域，建立瓦斯运移模型进行模拟。

3.2 固、液、气耦合模型的建立

煤矿井下不仅仅只有液体，还包括气体和固体，所以，为了更好地了解、掌握井下环境，应该将固、液、气三者之间的相互关系搞清楚，运用Visual MODFLOW建立耦合模型，为矿井灾害的防治提供参考。

3.3 矿井涌水量预报系统的建立

运用Visual MODFLOW构建三维地下水流数值模拟模型，结合矿山数据库建立管理信息系统，进而建立矿山开采涌水量实时预报系统，将涌水量预测工作与矿山掘进和开采工作紧密结合起来，为其它涌水量大、水文地质条件复杂的矿床防治水方法提供参考，同时，可为矿井涌(突)水危险性评价［39－41］提供依据。

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