地下水模拟软件GMS在场地环境调查中的应用

2021-07-17宋亚丹吴丛杨慧林雪峰刘仁华方成

河南科技 2021年7期

宋亚丹吴丛杨慧林雪峰刘仁华方成

摘要：三维地质模型和地下水数值模型可以直观地模拟区域或小范围场地的水文地质情况，在场地环境调查中可以使地下水动态尤其是地下水流向得到更为准确的展示，可以为场地环境调查中地下水采样点位布设提供参考。本文介绍了地下水模拟软件GMS（Groundwater Modeling System）的相关功能以及进行地下水数值模拟的基本步骤，并以某场地为例，根据场地环境调查获取的地层数据、钻孔数据、水文数据，通过使用GMS软件中的工具模块和计算模块对数据进行处理，构建三维地质构造模型和地下水数值模型。

关键词：三维地质模型;地下水数值模拟;GMS软件

中图分类号：P641.4文献标识码：A文章编号：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

在构建三维地质模型和地下水数值模型时，需要先建立场地概念模型。三维地质模型是表现地层结构空间分布的模型，它是场地环境调查研究的基础，是分析和研究地层结构、查明地层分布规律、确定数值模拟参数分区及参数初值的依据。而在进行场地环境调查时，也要先建立场地环境概念模型。场地概念模型是指以文字、图表等方式归纳出与研究场地相关的数据信息。总结整理场地概念模型，可以对场地的水文地质条件、污染源、受体以及污染物和影响受体的暴露途径等进行综合展示。场地概念模型主要用来表述场地的基本信息，同时在场地环境调查中是连接整个调查、风险评估以及后期污染修复的有效工具。

早前研究中，研究人员主要通过已有的钻孔数据资料人工绘制出二维剖面图或立体剖面图，以此作为场地概念模型。现在，随着计算机技术的发展和应用，人们可以利用三维地下水模拟软件GMS，构建三维地下水数值模型以及三维地质模型，这样不仅简单方便，而且可以在任意层位、任意位置切割剖面查看地层剖面分布情况，并可对模型进行空间上的任意旋转，从不同角度观察模型的结构。《场地环境监测技术导则》（HJ 25.2—2014）地下水布点要求：地下水布点可结合地下水流向、地下水位以及环境调查结论进行设置。地下水模型的构建对场地环境调查中的地下水采样点位的布设有参考指导意义。三维地质模型的建立使得場地地层构造情况可视化程度大大提高，有助于分析和研究地层结构对场地环境的影响。

1 GMS软件介绍

近年来，地下水模拟软件开发渐趋成熟，MODFLOW、MT3D、FELLOW等软件在三维地下水流动和污染溶质运移模拟中较为常用，但这些软件在界面、交互性及前后处理等方面都存在很大的差异[1-3]。针对此缺陷，人们开发出改进的地下水模拟的集成系统——三维地下水模拟软件GMS。

地下水模拟系统（Groundwater Model System，GMS）由美国杨百翰大学环境模型研究实验室和美国军工部排水工程试验站联合研发，是综合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、FEMWATER、SEEP2D、SEAM等地下水模型而开发的可视化三维地下水模拟软件包，其可应用于模拟不同环境下的地下水问题，同时彼此又有着关联交叉性，比如，数值计算模型MODFLOW的计算结果可由MODPATH直接调用[4]。GMS是面向对象编程技术、GIS空间分析、图形处理技术与地下水数值模拟专业模型相结合的产物。

相比于其他模拟软件，GMS有很多优点。首先，GMS软件的模块较多且各模块的功能更加完善，前后处理功能更强大，可以用它来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问题。其次，GMS软件可以通过概念化方式建立水文地质概念模型，通过网格化方式来对概念模型进行求解。GMS软件可以采用MODFLOW等模块输入数据并自动保存一系列文件，以便在使用这些模块时直接调用，实现了可视化输入。同时，MODFLOW等模块的计算结果又可以直接导入GMS软件中进行后处理，实现计算结果的可视化。

GMS软件在地下水数值模拟以及实现地层结构模型构建的可视化研究方面表现突出，包含计算模块、辅助模块和工具模块三个子模块。TINs、Solids、Boreholes、2D Scatter Point和MODFLOW模块是建立地下水模型和三维地层构造模型的主要功能模块。

TINs通常用来表示相邻地层的界面，多个TINs可以用来建立实体（Solids）模型或三维网格;Solids实体模型是实际地层的三维立体模型[5];Boreholes模塊用于管理样品和地层两种格式的钻孔数据。样品数据可做等值面和等值线，地层数据用来建立TINs、Solids实体和三维有限元网格[6-7]。Scatter Point模块用于绘制散点图，二维与三维Scatter Point主要功能是导入和管理数据，并进行插值，完成TINs、Grids间的数据传输。MODFLOW是GMS软件的计算核心模块，是美国地质调查局于20世纪80年代开发的一套专门用于孔隙介质地下水流动数值模拟的软件。MODFELOW可以模拟河流与含水层之间的水力联系，模拟由于抽水引起的地面沉降，模拟水平流动障碍，同时也可以用于分析地下水流动影响因素的水文地质特性[6]。

2 三维地质模型的建立

GMS软件构建三维地质模型，主要是通过利用钻孔数据生成柱状剖面图来完成的[7-8]，三维地质模型建立流程如图1所示。

具体流程如下：野外踏勘确定点位信息后进行地质钻探[9]，收集并记录钻孔点位深度数据信息，汇总整理，同时将场地内钻井深度数据保存为TXT格式，以便将钻孔资料直接导入GMS软件中;打开GMS软件，将钻孔数据导入Boreholes模块，建立三维柱状图，在三维柱状图之间的空白连接面以Horizons ID这一属性数据自动填充，连接空白分割面;在GMS软件中根据钻孔数据的平面视图，用MAP模块创建一个生成三维图形的限定区域，并构建TINs网格;在GMS软件中使用Boreholes中的Horizons ID Solid进行三维地层模型的插值分析，选择反距离插值计算法进行插值计算。GMS软件经过一定时间的插值运算，即可完成三维地层模型的建立。

三维地质模型示例如图2所示，地质构造模型可以反映地质体内部特征，在场地环境调查中，可以使研究区域内部的地质结构情况更加可视化地表达，有助于了解研究区域内部土层的起伏状况与构造特征。同时，三维地质构造模型的建立也为研究区域三维地下水数值模型的建立奠定了一定的基础。

3 三维地下水数值模型的建立

在构建三维地下水数值模型时，首先要对研究区内水文地质条件和含水层结构进行概化，建立研究区域内的水文地质概念模型[10]。然后，确定研究区域的边界范围，查找水文地质勘测报告，依据地下水的赋存条件、水力性质、含水介质的水力特征及埋藏条件，以确定研究区域内部的含水种类。三维地下水模型建立流程如图3所示。

首先，确定场地边界范围，根据地下水的赋存条件、水力性质、含水介质的水力特征及埋藏条件，确定场地内部含水类型。根据剖面位置平面示意图和地层结构的剖面图分析以及前人的研究分析，对场地内部的含水层进行概化。将各含水层井底板高程等值线图扫描、数字化处理并导入GMS中，各含水层的弱透水层的厚度可由各含水层的顶、底板标高间接得到。

然后，将研究区域CAD底图或者GIS图片导入GMS软件中，运用GMS软件的Map模块中的Create Arc菜单画出待模拟区域范围，然后用相应的点和曲线定义研究区域边界及边界的类型。地下水数值模拟中的边界条件一般有三类[11]。第一类边界需要根据有关资料分析定义边界曲线各个端点的水头值，这一边界中间的任一水头值由两端点的水头线性插值得到。第二类边界条件为已知流量的边界条件，即垂直于边界面的流量是给定的。隔水边界就是流量为零的二类边界。第三类边界条件为混合边界，即水头和水头的倒数的组合在边界上是已知的。

接着，应用Map地层结构这一属性，在潜水层根据参数分区输入不同入渗透系数、降雨入渗补给系数以及蒸发系数，其他含水层数据导入方法相似。水文地质数据输入完毕后，GMS可自动固定网格剖分的区域，模拟时可以根据具体的需要灵活地剖分网格的位置、大小以及密度等。

最后，使用Modflow菜单中的New Simulation命令对模型进行初始化[11]。激活Model Ttype对话框中的Steady命令定义此次模拟为稳定流。使用2D Scatter Point模块中的Interpolate to Modelflow Layers对话框进行插值，GMS软件将自动识别每个网格各个点中的含水层的厚度和初始流场。使用Check Simulation菜单对模型进行检查，此命令可以检查模型的所有参数是否正确合理。使用Run Modflow运行命令对模型进行计算，待模型计算完成后，运用Close命令关掉运算对话框，在模拟区域将自动生成计算出的等水头线。

三维地下水数值模型如图4所示，人们从模型可以清晰地看出研究区模拟层的地下水流向。根据三维地下水数值模型的结果来进行场地环境调查中地下水的点位设置，地下水模型的构建对于场地环境调查中的地下水采样点位的布设有指导意义。

4 建立地下水模型时需要注意的问题

首先，在GMS 7.0软件操作过程中，除了要避免错误操作外，还要养成随时保存的习惯，这样可以避免由于操作错误退出造成的资料丢失，减少重复工作。在进行地下水模拟时，对于研究区域边界条件的概化一定要合理准确，避免出现模拟结果不合理的现象。其次，在利用Map模块进行水文地质数据赋值时，各参数的数据提取和处理应特别注意，避免出现相应参数高程远低于地层底部高程的不合理现象[12]。本次操作使用的GMS 7.0软件的操作界面与使用命令均为英文，对于以中文命名的文件会出现不能识别的情况，最终可能会导致软件运行异常终止并强行退出，所以在保存或创建文件时用的文件名不要出现中文。

5 結语

研究区域的地下水数值模型是使用地下水模拟软件GMS中的计算模块MODFLOW模块以及工具模块Map模块一起建立的。在使用GMS软件进行地下水数值模拟时，概念模型的建立不仅可以提高效率，也可以提升模型的准确率。但是，在实际应用中，地下水数值模拟的建立需要对边界条件、源汇项数据等含水层参数进行概化，有些还需要进行一些假设，若假设不成立，那么模拟结果的可靠性也会大大降低，这就要求模拟者掌握大量的专业知识，从整体上把握模型[13]。

参考文献：

[1]吴剑锋，朱学愚.由MODFLOW浅谈地下水流数值模拟软件的发展趋势[J].工程勘察，2000（2）：12-15.

[2]朱玉水，段存俊.MT3D-通用的三维地下水污染物运移数值模型[J].东华理工学院学报，2005（1）：26-29.

[3]贺国平，邵景力，崔亚莉，等.FEFLOW在地下水流模拟方面的应用[J].成都理工大学学报（自然科学版），2003（4）：356-361.

[4]祝晓彬.地下水模拟系统（GMS）软件[J].水文地质工程地质，2013（5）：53-55.

[5]黄静莉，王清.基于GMS的城市地下空间三维工程地质地层建模[J].长春工程学院学报（自然科学版），2012（1）：74-77.

[6]吴剑锋，朱学愚.由MODFLOW浅谈地下水数值模拟软件的发展趋势[J].工程勘察，2000（2）：13-15.

[7]纪媛媛，周金龙，杨广焱.GMS在我国地下水资源评价与管理中的应用[J].地下水，2013（2）：76-79.

[8]张晓明，薛丽娟，朱新军，等.海河流域平原区仿真地层模型建设[J].水文，2008（4）：24-28.

[9]龚旭龙.区域松散介质三维地质建模研究[D].武汉：中国地质大学，2007：21-23.

[10]马静，吴平，董彦钊，等.GMS概念模型法简述[J].科教前沿，2011（29）：512-513.

[11]吴立新，史文中，CHRISTOPHER Gold.3D GIS与3D GMS中的空间构模技术[J].地理与地理信息科学，2003（1）：5-11.