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培训参考资料 MT3DMS 基础 京 2007 年 10 月 北京水淼国际科技有限公司中国北京 2007 北京水淼国际科技有限公司 中国北京 2007 年 10 月 第 1 章 前言 模块化三维溶质运移模型 MT3D 是 C. Zheng（郑春苗）在 S. S. Papadopulos Associates 公司工作期间开发的模拟软件（1990），美国环境保护署 Robert S. Kerr 环境研究实验室资助。此后几年，MT3D 在污染物迁移和治理评估研究中得到广泛应用。第二代 MT3D 称为 MT3DMS，其中 MT3D 仍然代表 Modular 3-Dimensional Transport model （模块化三维溶质运移模型），而 MS 表示可插入多种污染物组分生化反应模块的程序结构。其功能得到显著改善，包括：(1)利用三阶总变差缩减法（TVD）能够在保证质量守恒的基础上尽可能减小数值弥散和人工振荡引起的误差；(2)使用一种基于广义共轭梯度法的迭代算法，这种迭代法可以有效地避免对运移时间步长的限制；(3) 增加了处理非平衡吸附和双重介质中对流-扩散问题的处理方法；(4)程序采用多组件结构，从而可以随时插入模拟生物化学反应的模块。MT3DMS 的功能全面，既可以模拟常规水文地质条件下地下水流系统中污染物的对流、弥散\扩散过程，也可以模拟污染物在在迁移过程中的生物和化学反应。下面简要介绍 MT3DMS 的主要特征。 MT3DMS 的独特性在于它囊括了三种主要的运移问题求解技术：标准有限差分法；基于粒子跟踪的欧拉-拉格朗日法；以及高阶有限容量 TVD 法。由于没有一种单独的技术对所有运移条件都适用，总是既有优点又有缺陷，有理由相信， 把这些技术综合起来是解决各种的溶质运移问题的最有效途径。 作为 MT3D 原代码中显式公式的补充，MT3DMS 含有隐式公式，并采取一种有效的通用迭代算法进行求解。该算法基于广义共轭梯度法(GCG)，有三种预处理选项，采用 Lanczos/ORTHOMIN 加速算法处理非对称矩阵。如果选择 GCG 解法，默认隐式公式计算弥散项、源汇项和反应项，无须施加约束条件。至于对流项，用户可以选择任何可用的方案，包括标准有限差分法、欧拉-拉格朗日粒子跟踪法、以及三阶 TVD 法。有限差分法可以完全隐式求解，不需要任何对运移步长的限制，而欧拉-拉格朗日粒子跟踪法和三阶 TVD 法仍然有时间步长限制。若没有选择 GCG 方法，MT3DMS 默认使用显式算法，其中运移时间步长按照常规收敛条件加以控制。当隐式方法需要大量迭代次数才能收敛，或者计算机内存不够处理隐式算法时，显式算法还是很有用的。 MT3DMS 增加了一个选项，可以对双重介质中的溶质运移进行模拟。双重介质内含有两个重叠的孔隙空间，导水空间和储水空间。导水空间内溶质运移以对流为主，而储水空间内溶质运移以分子扩散为主。模型单元的孔隙度不再单一， 而是存在两个孔隙度，一个对应于导水孔隙，另一个对应于储水孔隙。导水空间与储水空间之间的溶质交换，用迁移系数来描述。对于裂隙介质或高度非均匀介质中的溶质运移，如果两种孔隙度参数和迁移系数取值恰当，采用双重介质对流 -扩散模型进行模拟将优越于采用单一孔隙介质的对流-扩散模型。 MT3DMS 保留了原 MT3D 代码的模块化结构，这种结构与美国地质调查局发布的三维有限差分地下水流模型 MODFLOW（McDonald and Harbaugh, 1988; Harbaugh and McDonald, 1996）是类似的。模块化结构的优点是：可以单独模拟运移的对流、弥散/扩散、源/汇问题和化学反应问题，而不需要为没有用到的模块开辟内存；处理其它运移过程和化学反应的模块也可以随时插入到程序中，而 不需要改动现有的代码。 与 MT3D 一致的是，MT3DMS 是以块体中心法有限差分水流模型( 如MODFLOW)为背景开发的，并假定浓度场不至于影响到流场。水流模型在创建和辨识之后，有关信息可以保存在磁盘文件中，然后被运移模型所读取。运移模型的大多数潜在用户可能已经熟悉了一种或多种水流模型，MT3D 允许用户直接进行运移模拟，而不必去学习新的水流模型或修改原来的水流模型代码。另外， 在运移模型之外单独进行水流模拟，可以大大节省计算机内存。特别当运移模型需要多次运行，而流场保持不变时，这种模拟方法可以节约计算时间。虽然本技术手册只介绍了 MT3DMS 与 MODFLOW 的接口，但是 MT3DMS 可以直接与任何格点中心法有限差分水流模型进行连接。 MT3DMS 可在具有多种类型边界条件和外部源汇项，并考虑对流、弥散和一般化学反应的情况下，模拟地下水中溶解物质的浓度变化。可处理的化学反应包括：平衡的或非平衡的、线性