[地下水] 談?wù)刅isual Modflow和Feflow的區(qū)別

劉鑫

2015年12月3日 15:57

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以下是對(duì)Visual Modflow和FEFLOW區(qū)別的一些淺薄的認(rèn)識(shí)，和大家共同探討。這里的Visual Modflow指的是目前大家常用的版本，不含Visual Modflow中MODFLOW－SURFACT模塊。

Visual Modflow和FEFLOW都是當(dāng)前世界上十分流行的可用于模擬三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)專業(yè)軟件系統(tǒng)，屬商業(yè)軟件。它們都具有直觀的、強(qiáng)有力的圖形交互界面，模型剖分、輸入?yún)?shù)和模擬結(jié)果，都可以用圖形顯示，并支持三維可視化和，做到了真正的人機(jī)對(duì)話，在許多行業(yè)和部門內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但同時(shí)，它們之間卻存在著許多差別，各有千秋：
（1）從軟件功能上看，FEFLOW要比Visual MODFLOW更為全面一些，FEFLOW除了可以模擬Visual Modflow所能模擬的二維、三維飽和流狀態(tài)的水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題之外，還可以模擬多層自由表面含水系（包括滯水模擬）、熱轉(zhuǎn)遞、可變密度流場(chǎng)（鹽水或海水入侵問題）以及非飽和帶流場(chǎng)及物質(zhì)運(yùn)移問題。
（2）從數(shù)值法的計(jì)算原理上，Visual Modflow采用的是有限差分法，而FEFLOW采用的是有限單元法。
（3）從離散化方面來說，由于Visual Modflow采用的是有限差分法，所以對(duì)所模擬的地質(zhì)體采用矩形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，這種網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)在于，用戶易于準(zhǔn)備數(shù)據(jù)文件，便于輸入文件的規(guī)范化，但是，當(dāng)需要在所關(guān)注的地點(diǎn)附近（比如井附近）要增加計(jì)算單元的密度，就必須同時(shí)對(duì)經(jīng)過該點(diǎn)附近區(qū)域的所有的行和列都進(jìn)行加密，這樣使得計(jì)算量大大增加。而FEFLOW不存在這個(gè)問題，由于其采用的是有限單元法，其剖分單元的形狀可以是靈活多變（可以是三角形、也可以是矩形），一般采用三角形剖分，加密的時(shí)候，可以只對(duì)感興趣的地方加密，相比Visual Modflow來講，減少了運(yùn)算量。用三角形剖分的另一個(gè)好處是，在刻畫模擬區(qū)的外部邊界時(shí)，可以利用三角形的邊很好地控制外邊界范圍，這樣刻畫出來的邊界比用Visual Modflow刻畫出的外部邊界要精確。以上兩點(diǎn)通過兩個(gè)軟件的實(shí)例便可看出。另外，有限差分法對(duì)于處理復(fù)雜地質(zhì)體中的地下水三維滲流場(chǎng)模擬方面存在著不足，沒有有限元三角剖分靈活多變。

（4）FEFLOW具備地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，可以充分利用已有的 ARC/INFO GIS地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生有限單元網(wǎng)，設(shè)置邊界條件和參數(shù)。

（5）Visual Modflow采用的是模塊化結(jié)構(gòu)，在軟件輸入操作過程便體現(xiàn)了這一點(diǎn)，如邊界條件里面的定水頭邊界、河流邊界、截滲墻邊界、排水溝邊界、補(bǔ)給邊界和蒸發(fā)邊界等，而FEFLOW的邊界條件是按照一類、二類、三類和井流邊界劃分的。這兩種形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)常見的幾類邊界進(jìn)行了分類，用戶可根據(jù)問題直接選擇該邊界模塊進(jìn)行輸入編輯操作，十分方便，但遇到特殊水文地質(zhì)問題時(shí)就顯得不足；FEFLOW中邊界問題的分類采取了廣義的邊界條件分類，因此在處理水文地質(zhì)邊界條件時(shí)就非常的靈活，但是這種過于集中的輸入方式也給輸入工作帶來了不便，比如源匯項(xiàng)的輸入過于集中，用戶需要對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行整理或者預(yù)處理才能輸入；另外，在非穩(wěn)定流模擬中，對(duì)于蒸發(fā)輸入的操作在Visual Modflow中可以很容易實(shí)現(xiàn)，但是在FEFLOW中卻要通過FEFLOW的二次開發(fā)工具IFM模塊編程來實(shí)現(xiàn)。

（6）在混合井的模擬方面二者都存在不同程度上的不足。混合井流是在生產(chǎn)過程中十分常見的一種地下水開采方式。但混合井流的模擬一直是MODFLOW的一個(gè)缺陷。盡管MODFLOW建議“多層井的流量必須以某種形式人為地分配給每一單層，……把井流量按每一層的導(dǎo)水系數(shù)大小分配，即 ”，其中和分別為第層流量和總（井口）流量，Ti和求和公式T分別為第i層導(dǎo)水系數(shù)和總導(dǎo)水系數(shù)。但實(shí)質(zhì)上，這種方法是不妥的，它不是模擬，而是“處理”，一種與機(jī)理不符的“處理”。因此這個(gè)問題應(yīng)引起地下水流數(shù)值模擬工作者的重視。FEFLOW以前的版本中在處理該問題時(shí)，也有類似的不足，其處理方法是在同一點(diǎn)上布置多口井（每個(gè)井開采的層位不同）來實(shí)現(xiàn)混合井開采問題，不過在新的Version5.3版本中已有改進(jìn),是否完善還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。（7）干涸單元問題。在Visual Modflow的計(jì)算過程中，如果計(jì)算水頭低于該計(jì)算單元之地面標(biāo)高，該計(jì)算單元?jiǎng)t處于非飽和狀態(tài)。這時(shí)，Visual Modflow并不考慮該計(jì)算單元在非飽和態(tài)下的滲透系數(shù)，而是將這個(gè)計(jì)算單元列為“干涸計(jì)算單元”（Dry cell），并將其導(dǎo)水系數(shù)賦值為零。一旦一個(gè)計(jì)算單元變?yōu)楦珊詥卧蛯⒈恢匦露x為不透水或非活動(dòng)單元計(jì)算，從而被摒除出以后的模型計(jì)算。計(jì)算結(jié)果也可能因?yàn)楦珊杂?jì)算單元的出現(xiàn)而受到影響。所以，Visual Modflow中對(duì)于干枯單元的處理方法還不夠完善。為了克服88年版MODFLOW中計(jì)算單元“一旦變干就永不能恢復(fù)”的問題，美國地調(diào)局的McDonald等人于1992年推出了一個(gè)新的子程序包，稱為BCF2（Block Centered Flow Package)，允許干涸單元重新成為有效的計(jì)算單元，即出現(xiàn)了重新變濕（Rewetting）選項(xiàng)，但是其結(jié)果并不理想，雖然干涸單元格可以得已重新變濕，但是又造成了運(yùn)算不易收斂的問題。
而在FEFLOW中，由于其沒有采用這種處理方式，也就不存在這一問題。
（8）模型文件的保存形式不同。在Visual Modflow中，一個(gè)模型往往生成很多文件，模型構(gòu)成數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果分別被保存成不同的文件類型，如各層標(biāo)高文件保存為VMG文件，邊界及參數(shù)保存在VMP文件中，井文件保存為VMW文件，輸出結(jié)果水頭數(shù)據(jù)保存為HDS文件，降深數(shù)據(jù)保存為DDN文件，水均衡數(shù)據(jù)保存為ZOT文件等，你可以直接對(duì)這些文件操作，或者利用這些文件構(gòu)建模型等。在FEFLOW中，一個(gè)模擬問題全部保存在一個(gè)fem文件內(nèi)，模擬結(jié)果也保存為一個(gè)文件（DAC文件）。

（9）在利用Visual Modflow模擬非穩(wěn)定流問題時(shí)，模擬計(jì)算可以隨時(shí)停止、暫停，但若問題沒有模擬結(jié)束就無法顯示模擬結(jié)果。而在FEFLOW中，非穩(wěn)定流模擬計(jì)算可以隨時(shí)暫停，以便用戶顯示和分析中間模擬結(jié)果，并且工作窗口可以實(shí)時(shí)顯示地下水非穩(wěn)流場(chǎng)，溫度場(chǎng)及污染物遷移模擬結(jié)果。

以上是對(duì)兩軟件的一些比較，大家可以根據(jù)自己需要學(xué)習(xí)或者選用這兩款軟件，當(dāng)然，還有其它類似的一些軟件，如Processing Modflow、GMS、Visual Groundwater等等。但是，需要注意的是，軟件只是我們解決模擬問題的工具而以，最重要的還是對(duì)基礎(chǔ)理論把握和對(duì)實(shí)際問題的正確認(rèn)識(shí)，只有正確地認(rèn)識(shí)和分析各類水文地質(zhì)問題，才能做好水文地質(zhì)模擬工作。

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