地下水模拟系统(Groundwater Modeling System) ,简称GMS ,是美国Brigham Young University 的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等已有地下水模

型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条6 部分组成,使用起来非常便捷。

由于GMS 软件具有良好的使用界面,强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果,目前已成为国际上受欢迎的地下水模拟软件。

GMS 9.1新功能

1. 增加PHT3D 界面
2. 改进导入瞬时数据功能
3. 增加入门指南:
• MODFLOW - Transient Calibration Pump Test
• MODFLOW - Transient Observation Data
• PHT3D - Ion Exchange And Surface Complexation
4. 增加PHT3D –运移及矿物反应
5. 框架改进
6. 改进将钻孔与TINs对齐命令
7. 导出材质名称、颜色、样式及透明度
8. 将计算流量及残差流量列增加值地图属性列表，进行流量观察
9. Iso-surface 透明度
10. 将特征相复制到另外的基础层中
11. 激活/撤销散点命令
12. 弹出菜单中更多的位图选项
13. 将主菜单和下拉菜单进行简化，并保持一致性。

 

GMS 9.0 功能更新

下表列出了GMS9.0中更新的功能

1. MODFLOW

• 添加MODFLOW SUB 地面沉降程序包用户界面

• 添加MODFLOW Gage 径流及湖泊测量站程序包用户界面

• 添加MODFLOW PCGN 解算器用户界面

• 添加针对SFR 径流交换程序包的模型检查功能

• 简化了MODFLOW 操作菜单

• 通用界面提供执行选项：单一vs.两次预测, MODFLOW 2000 vs. MODFLOW 2005, 连续的vs.并行的.这些选项保存在MODFLOW超级文件中，可以移动使用。

• 重新设置捕获区分析对话框

• 更广义的读取CCF文件，在不支持的程序包中可导入数据

• MODFLOW 随机分析包括计算MODFLOW参数矩阵的最小值、最大值、平均值以及标准残差，此数据会包含在MODFLOW最终数据文件中。

2. PEST

• PEST蒙特克罗分析，对不确定性分析可生成多个校准模型。

• 基于参数类型的所有矩阵均可用于向导点方法

3. 图像

• 在线动态图像

1. 从多种在线图像、地图及高程数据中选择作为背景图像，可在移动及缩放时自动即时更新.

2. 从动态图像中创建一个静态图，和项目文件保存在一起

• 栅格、高程图的导入及插值

1. 支持多种格式的较大DEMs及GeoTIFFs导入，包含高程数据，这些可以导入并直接插值成TINs, 2D 散点数据, 2D 网格及2D栅格，而不需要中间转化为2D散点数据。DEMs可以导出为多种格式。

2. 图像移动到GIS图像下，不再单独设置图像文件夹。

3. 使用栅格文件进行Horizons到Solids的转化。

4. CAD文件变化

• 支持多种CAD文件添加至项目中

• 项目保存时，不再保存CAD文件

• 增加CAD属性窗口

5. 新增入门教程

• MNW2-针对非垂直井及抽水量

• MODFLOW Subsidence地面沉降程序包

• MODFLOW STR程序包

• 将MODFLOW 概念模型教程分为两部分

• 零空间蒙特卡罗法Null Space Monte Carlo

• 在线地图

• 栅格图

• 栅格图与水平面

6. 项目动态化

• 个体对象可以定义本身的属性映射，并且可以即时展示。这就是图像一直有效的原因，现在这一属性可应用于GMS的全部对象中。.

• 映射文件可保存并导出

1. 当一个几何对象（TIN, 网格, 钻孔等）导入时，都会保存一个映射文件(.prj)。 当打开一个文件时，GMS会查找赌赢的映射文件，如果在本地找到了此文件，则会打开并将当前映射信息保存到此几何文件中。这是项目动态化的尝试工作，目前正在进行大量的动态化研究。

• 当前映射展示在窗口底部。

• 经纬度展示在窗口底部。

7. 其它

• 测量工具
  静态工具面板提供了用于快速简单测量距离的工具。

• 选择主题

1. 位置选择: 菜单栏中新增命令，可利用动态三角放大当前选中的任何位置

2. 放大选择: 在显示菜单中新增命令，可以将当前选中的任意位置框出

• GMS版本号显示在窗口上

• 更换新的商标

• 更多更好的菜单视图

• 查看数值菜单名单，将数据值对话框设置为可编辑状态

• 在项目导航栏中对更多对象添加文件夹的展开/合并功能

• 添加更多的“打开包含文件”功能

• 通过文件/打开功能，可一次打开多个文件。

• TINs, 2D网格，及2D 散点图在z值和数据设置值之间有明确的分隔

• MT3D TOB程序包中包括井，这样可以计算通量，及生成通量VS时间图

• 节点的XYZ坐标展示在属性列表中

• 右键快捷菜单显示位图选项

1 　GMS 各模块简介

功能十分齐全的GMS 除了包含上述MODFLOW、FEMWATER 、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM 等主要计算模块外, 还包含PEST、UCODE、MAP、Borehole Data、TINs、Solid 等辅助模块。

• MODFLOW是美国地质调查局于80年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件。MODFLOW 自从问世以来,由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化和求解方法的多样化等优点,已被广泛用来模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。

• FEMWATER 是用来模拟饱和流和非饱和流环境下的水流和溶质运移的三维有限元耦合模型,还可用于模拟咸水入侵等密度变化的水流和运移问题。

• MT3DMS 是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。模拟计算时, MT3DMS需和MODFLOW一起使用。

• RT3D 是处理多组分反应的三维运移模型,适合于模拟自然衰减和生物恢复。

• SEAM3D 是用于模拟复杂生物降解问题(包括多酶, 多电子接收器) 的模型。它包含有NAPL 溶解包和多种生物降解包,NAPL 溶解包用于准确地模拟作为污染源的飘羽状NAPL ,生物降解包用于模拟包含碳氢化合物酶的复杂降解反应。

• MODPATH是确定给定时间内稳定或非稳定流中质点运移路径的三维示踪模型。它和MODFLOW一起使用,根据MODFLOW 计算出来的流场,MODPATH 可以追踪一系列虚拟的粒子来模拟从用户指定地点溢出污染物的运动。这种追溯跟踪方法可以用来描述给定时间内井的截获区。

• SEEP2D 是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型。它可以用于模拟承压和无压流问题,也可以模拟饱和和非饱和带的水流;对无压流问题,模型可以只局限于饱和带。根据SEEP2D 的结果可以作出完整的流网。

• NUFT 是三维多相不等温水流和运移模型,它非常适合用来解决包气带中的一些问题。

• UTCHEM是模拟多相流和运移的模型,它对抽水和恢复的模拟很理想,是一个已经被广泛运用的成熟模型。

• PEST 和UCODE 是用于自动调参的两个模块。在自动进行参数估计时,交替运用PEST 或UCODE 来调整选定的参数,并且重复用于MODFLOW、FEMWATER等的计算,直到计算结果和野外观测值相吻合。

• MAP 可使用户快速地建立概念模型。在MAP 模块下,以TIFF、J EPG等图件为底图,在图上确定表示源汇项、边界、含水层不同参数区域的点、曲线、多边形的空间位置,快速建立起概念模型。

• 钻孔数据(Borehole Data) 用来管理样品和地层这两种格式的钻孔数据。样品数据用来作等值面和等值线;地层数据用来建立TIN、实体和三维有限元网格。

• TINs 即三角不规则网络(Triangulated Irregular Net2works) ,通常用来表示相邻地层的界面,多个TINs 就可以被用来建立实体(Solid) 模型或三维网格。实体是在不规则的三角形网络(TIN) 建立完成后,通过一系列操作产生的实际地层的三维立体模型。

  
  

  
  

  GMS V9.0模块列表

◆         网格尺寸及应力期有限制。

模块介绍

MODFLOW 1

• 3D Grid Import & View：导入及三维可视化网格、数据集

• 3D Grid Edit & Save：创建、修复及保存三维网格数据

• Annotation Tools：创建注释，包括方向标识、文本、图形、比例尺及公司商标等。

• MODFLOW Model：三维地下水流运移模拟

• PEST Utility - Single Core：使用PEST进行参数校准

MODFLOW 2

• Conceptual Model Tools：创建概念模型，定义网格特征和模型输入参数。

• GIS Tools：导入导出GIS文件。

• MODPATH Model：粒子追踪模拟

• Geostat. & Scatter Data：地质统计和数值插值工具

MODFLOW 3

•  Parallel PEST - Multi Core：多核参数校准程序

• Stochastic Modeling：使用风险评估，创建MODFLOW随机模拟。

• Subsurface Charac.：导入及可视化烟羽钻孔数据。

• SAMG Solver：大型矩阵专用算法，稳定易收敛，适用于多节点大型地下水模型

• T-PROGS：T-PROGS用于进行钻孔数据的转移概率地质统计。

•  MODAEM Model：MODAEM不同于有限差分和有限元模型，分析元模型不需要模型区域的离散。该模型完全由代表边界条件、和材料属性数据的点、线、形定义。

• MT3DMS Model：是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质运移模型。模拟计算时, MT3DMS需和MODFLOW一起使用。

• RT3D Model：是处理多组分反应的三维运移模型,适合于模拟自然衰减和生物恢复。

• SEAWAT Model：三维变密度，非稳定流及热运移模拟

高级版

• SEAM3D Model：是用于模拟复杂生物降解问题的模型。

• SEEP2D Model：是用来计算坝堤剖面渗漏的二维有限元稳定流模型。

• 3D FE Mesh Tools：创建、编辑及保存三维有限元网格数据

• FEMWATER Model：是用来模拟饱和与非饱和水流环境下的水流和溶质运移的三维有限元耦合模型,还可用于模拟咸水入侵等密度变化的水流和运移问题。

常用附加模块：

• Parallel PEST：一个与模型无关、非线性的参数评估程序。PEST的目的是协助进行数据解释、模型校准和预测分析。PEST嵌入到GMS界面中，允许用户对MODFLOW模型进行先进的参数评估。

• SEAWAT：用于模拟地下水三维变密度流和非稳定流，模拟地下水多组分溶质运移及热量运移。

•  UTEXAS： 快速分析大坝、防洪堤和临界面的安全性

2 　GMS 软件优点分析

GMS 软件模块多,功能全,几乎可以用来模拟与地下水相关的所有水流和溶质运移问题。相比其它同类软件如ModIME、MODFLOW和Visual Modflow, GMS 软件除模块更多之外,各模块的功能也更趋完善。

本文以世界范围内广泛应用的MODFLOW 为例,分析比较GMS 软件的诸多优点:

(1) 概念化方式建立水文地质概念模型。进行地下水数值模拟时,一般包括建立水文地质概念模型、建立数学模型、求解数学模型、模型识别以及模型预报等几个步骤。其中水文地质概念模型的建立是至关重要的一步,它是建立数学模型的基础,是整个模拟的前提。

优越于同类其它软件,使用GMS 软件建立概念模型时,除了常用的网格化方式外,多了一种概念化方式。概念化方式是先采用特征体(包括点、曲线和多边形) 来表示模型的边界、不同的参数区域及源汇项等,然后生成网格,再通过模型转换,就可以将特征体上的所有数据一次性转换到网格相应的单元和结点上。

由于网格化方式要求对每个单元进行编辑,过程比较烦琐,因此通常只适合于创建一些简单的概念模型;而概念化方式是对实体直接编辑,且可以以文件形式来输入、处理大部分数据,而没有必要逐个单元地编辑数据,因此对于实际应用中比较复杂的问题,采用概念化方式更简便、快捷。用这种方式建立起来的水文地质概念模型用不同的多边形来表示不同的参数值区域。在随后的参数拟合过程中,即可直接对这些相应的多边形进行操作,而无需对此多边形内的每一个网格都重复进行同一操作。

(2) 前、后处理功能更强。在前处理过程中,GMS软件可以采用MODFLOW等模块的输入数据并自动保存为一系列文件,以便在GMS 菜单中使用这些模块时可方便而直接地调用,且实现了可视化输入。同时MODFLOW等模块的计算结果又可以直接导入到GMS中进行后处理,实现计算结果的可视化。GMS 软件除了可直接绘制水位等值线图外,还可以浏览观测孔的计算值与观测值对比曲线以及动态演示不同应力期、不同时段水位等值线等效果视图。

(3) 版本不断更新,功能不断完善。和众多地下水数值模拟软件不同的是,GMS 软件不是一经开发后就变化不大,而是在快速动态完善着。该软件通过版本的升级来不断补充新的应用程序、不断完善各模块的功能。短短两年时间内, 其311 版较310 版添加了PEST、UCODE 程序模块,新增了可识别3 . JPEG 格式的图形文件、批处理抽水井和观测孔数据及对数插值等功能。而目前的新版更是将可用于模拟地下水含水层空间分布的转移概率统计程序包T2PROGS集成进来,使GMS 软件的功能得到进一步加强。

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