地下水溶质运移软件介绍

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1、污染物可以在含水层介质中以各种形式存在。从水文地质的角度来说，地下水中的污染物运移就是指污染物在各种因素综合影响作用下随着地下水流的运动和迁移归宿，包括对流、弥散和化学反应等过程。目前，常见的用于地下水系统中溶质运移的模拟软件包括MOC3D、MT3DMS、RT3D、FEMWATER、TOUGH、HST3D、FRAC3DVS、FEFLOW等十几种，其中MT3D,MT3DMS是应用比较广泛的三维溶质运移数值模拟软件。第六章地下水溶质运移软件介绍一、MT3DMT3D是英文Modular3-DimensionalTransportmodel(模块化的三维运移模型)的简称

2、。MT3D采用了对流-弥散方程来描述污染物在三维地下水流中的运移，即（1）式中：C是溶解于水中的污染物的浓度，ML-3;R是阻滞因子，无量纲；t是时间，T；xi是空间坐标，L；Dij是水动力弥散系数张量，L2T-1；Vi是地下水渗流速度，LT-1；qs是源（正值）或汇（负值）的单位流量，T-1；Cs是源或汇的浓度，ML-3;是孔隙度，无量纲；是一阶反应速率常数，T-1;是多孔介质的比重，ML-3;是吸附在介质上的污染物浓度，MM-1。式（1）的等号右端从左至右依次为弥散项、对流项、源汇项和化学反应项。求解式（1）中的对流-弥散方程首先需要确定地下水渗透流速。MT

3、3D中实际上并没有包括求解地下水流方程的子程序，而是利用MODFLOW的输出结果来获得地下水位资料。MT3D可以用来模拟可溶性污染物在地下水中的对流、弥散、扩散作用和一些基本的化学反应过程，能够有效处理各种边界条件和外部源汇项。模型中的化学反应主要是一些比较简单的单组分反应，包括平衡或非平衡状态的线性或非线性吸附作用、一阶不可逆反应(如生物降解等)和可逆的动态反应等。MT3D能够适用于各种水文地质条件，包括：(1)承压、无压或承压—无压含水层；(2)倾斜或厚度变化的含水层；(3)指定浓度或通量边界条件；降水、蒸发、抽水井、河流等多种外部源汇项。MT3D的求解方法

4、MT3D采用块中心的有限差分网格来对研究区进行离散，其节点位于每个网格的中心。在计算时，首先采用某种地下水流数值模型(如MODFLOW)确定研究区各节点上的水头，然后将水头作为MT3D的输人数据，通过求解对流一弥散方程即可得到污染物浓度在这些节点上随时间的变化规律。用于求解对流-弥散方程的数值方法通常可以分为三类如下：MT3D中采用了混合Euler-Lagrange方法来求解对流弥散方程。Euler方法对于弥散作用占优势的运移问题求解率很高，但是在常见的对流作用占优势问题的研究中，会产生数值弥散或数值振荡，需通过加密的网格和很小的时间步长来消除其影响Lagran

5、ge方法采用变形的网格或变形的坐标系来研究污染物的运移过程，即使是对流占绝对优势的运移问题也可以得到精确的解。但由于没有固定的网格，对具有多个源汇项和复杂边界条件的非均质问题，可能导致求解不稳定和其他数值困难混合Euler-Lagrange方法综合了上述两种方法的长处，有效的消除了单独采用上述方法时遇到的数值困难MT3D的求解方法MT3D中共有三种特征线方法可供选择（如下）：在程序中包含了多种对流-弥散方程的求解方法使得MT3D程序能够使用于不同的地下水流场条件，这是MT3D的一个最主要的特色，同时也是它被广泛认可的一个很重要的原因。MOC（质点向前追踪特征线方

6、法）适合于浓度锋面问题的求解，但是对于一个实际问题往往需要追踪大量的质点，这会导致内存占用很大，求解效率很低。MMOC（向后追踪特征线方法）不需要追踪大量的质点，计算效率远远高于MOC方法，但是在求解浓度锋面问题时会引入数值弥散，影响求解精度HMOC（混合特征线方法）结合了以上两种方法的优点，即在浓度锋面位置附近使用MOC方法，而在其他位置使用MMOC方法求解，即提高了计算效率，又保证了求解的精度。图1中是对一个均匀流场中连续点源问题的模拟结果(Zheng，1990)，其中地下水渗透流速为0．33m/d，纵向弥散度为10m，横向弥散度为3m，孔隙度为0.3，连续

7、点源的注人流量为1m/d，注入浓度为1000×10-6。对流弥散方程的求解采用HMOC方法。图1是模拟时间为365d时地下水中污染物浓度的等值线与解析解的对比。可以看出，MT3D的模拟结果与解析解十分吻合。MT3D的输入和输出MT3D需要的输人数据是通过不同的数据文件来读取的。这些文件的数据输人格式有严格的要求。在研究一个实际问题时，需要特别注意输入数据的格式是否符合MT3D的要求。这是一个十分烦琐的过程。MT3D输出计算浓度的格式和频率由用户给定。为了节省存贮空间，不同时刻污染物的浓度作为一个二进制文件保存在磁盘上。因此，无法用字处理软件直接读取和处理。MT3

8、D程序包中有一个实用程序