MODFLOW-SURFACT 是由 HydroGeoLogic, Inc. 開發(fā)的完全集成的地下水流和溶質(zhì)運移代碼，基于廣泛流行的美國地質(zhì)調(diào)查局模塊化三維 (3-D) 地下水流建模代碼 MODFLOW。

本卷（代碼文檔第一卷）描述了 MODFLOW 中添加的新流量模塊，以增強其地下水流建模能力和計算魯棒性。

詳細(xì)介紹了新增強功能背后的物理和數(shù)學(xué)概念，并討論了這些概念在 MODFLOW 模塊化結(jié)構(gòu)中的實現(xiàn)。提供示例問題來驗證代碼并使用戶熟悉其應(yīng)用程序。讀者應(yīng)該熟悉原始的 MODFLOW 文檔（McDonald 和 Harbaugh，1988）。

MODFLOW 使用以塊為中心的有限差分方法來模擬地下水流。

可以對承壓含水層和非承壓含水層進(jìn)行完全或準(zhǔn) 3D 模擬。通過其新的流量包，MODFLOW-SURFACT 增強了執(zhí)行無側(cè)限模擬的方案，以嚴(yán)格模擬含水層的去飽和/再飽和，并克服 MODFLOW 先前版本遇到的數(shù)值困難。

MODFLOW-SURFACT 提供了使用軸對稱幾何結(jié)構(gòu)離散化域的選項，以有效模擬泵送測試、泄壓/恢復(fù)測試等。MODFLOW 通常允許的外部應(yīng)力包括恒定水頭、恒定通量、面積補給、蒸散、排水、和溪流。

此外，MODFLOW-SURFACT 還提供嚴(yán)格的回井包、無側(cè)限補給邊界條件和滲流面邊界條件。

最后，MODFLOW-SURFACT 包括自適應(yīng)時間步進(jìn)和輸出控制程序的選項以及附加的預(yù)處理共軛梯度 (PCG) 解決方案包。

MODFLOW-SURFACT 版本 2 包含附加功能，其中包括嚴(yán)格的飽和-不飽和水分運動模擬功能、氣流模擬功能以及用于提高魯棒性的 Newton-Raphson 線性化包。

美國地質(zhì)調(diào)查局模塊化流模型 (MODFLOW) 可能是全球最流行的地下水代碼，作為支持地下水調(diào)查的模擬工具。 HydroGeoLogic, Inc. 大大增強了 MODFLOW，使用戶能夠以更穩(wěn)健、更高效的方式處理復(fù)雜的現(xiàn)場問題。增強的代碼被命名為 MODFLOW-SURFACT（即帶有新流量和污染物傳輸包的 MODFLOW）。新流程包的 SURF 首字母縮略詞含義如下：

? S —— 穩(wěn)健且高效（矩陣解、具有自適應(yīng)時間步長的非線性迭代、輸出控制和軸對稱）方案

? U——無側(cè)限流的嚴(yán)格處理

? R——非積水補給和滲流面邊界條件

? F—— 裂縫井表示，以提供井條件的嚴(yán)格處理。

HydroGeoLogic, Inc. 開發(fā)了七個新的模塊化包，并將其添加到原始 MODFLOW 代碼中（McDonald 和 Harbaugh，1988）。這些包如下：

(1) BCF4 ——? 塊中心流包，包括軸對稱分析選項，并使用具有擬土函數(shù)的可變飽和公式對無側(cè)限流進(jìn)行嚴(yán)格處理。該軟件包還包括版本 2 的嚴(yán)格水流和氣流模擬功能。

(2) FWL4/FWL5?—— 壓裂井包（FWL4 和 FWL5）使用一維 (1-D) 壓裂管元件模擬井，提供對井回采條件的嚴(yán)格處理。

(3) RSF4 - 補給滲流面包，適應(yīng)無積水補給和滲流面邊界條件

(4) ATO4 - 自適應(yīng)時間步進(jìn)和輸出控制包，它使用積極的時間步進(jìn)方案進(jìn)行瞬態(tài)解決方案，自動生成和控制時間步長以及更好的輸出控制。

(5) PCG4 - 預(yù)條件共軛梯度包，其中包含新的 PCG 矩陣求解器，作為 MODFLOW 中現(xiàn)有強隱式過程 (SIP) 和切片連續(xù)過度松弛 (SSOR) 求解器的強大替代方案。

(6) NRB1 - 具有回溯功能的 Newton-Raphson 線性化包提高了無約束或不飽和流（空氣或水）模擬的魯棒性。

(7) OBS1 - 用于記錄選定節(jié)點處的過程線的觀測節(jié)點包。

MODFLOW-SURFACT 中的這些附加流量包記錄在本文中。以下章節(jié)提供了它們的簡要描述、公式、驗證和應(yīng)用示例、輸入指令和示例數(shù)據(jù)文件。假定本文檔的用戶相當(dāng)熟悉原始 MODFLOW 代碼及其文檔。

1.2 MODFLOW-SURFACT 中新流程包的屬性

新的流程包和增強功能提供了如下所述的以下主要優(yōu)勢。

? 處理網(wǎng)格塊的完全去飽和和再飽和 - 最初的 USGS MODFLOW 的 BCF 包在瞬態(tài)模擬期間難以干燥/再潤濕網(wǎng)格塊。

? 準(zhǔn)確描繪和跟蹤地下水位位置，考慮到非飽和帶中的流量、延遲產(chǎn)量和垂直流分量 - 原始 USGS MODFLOW 的 BCF 包忽略了這些功能。

? 軸對稱流動模擬選項 - 原始 USGS MODFLOW 的 BCF 軟件包忽略了這些功能。

? 將多層井的總流量自動正確地分配到井節(jié)點 - 最初的 USGS MODFLOW 的 WEL 包需要先驗分配來自多個含水層或多個模型網(wǎng)格層的井抽水。

? 井筒儲存和超抽油井的適應(yīng)——當(dāng)提取需求大于油井的供應(yīng)時，最初的USGS MODFLOW 的WEL 包就會失敗。

? 處理非積水或規(guī)定的積水補給條件 - 最初的 USGS MODFLOW 的 RCH 包忽略了這些功能。

? 滲流面邊界條件的處理 - 最初的 USGS MODFLOW 的 RCH 包忽略了這些功能。

? 自動生成和控制時間步長的自適應(yīng)時間步長方案 - 原始 USGS MODFLOW 的 OC 包忽略了這些功能。

? 更好地組織和控制模擬輸出 - 原始 USGS MODFLOW 的 OC 包忽略了這些功能

? 強大且高效的PCG 矩陣解決方案選項。

? 模擬不飽和水分運動的能力。

? 使用雙峰水力傳導(dǎo)率函數(shù)實現(xiàn)非平衡優(yōu)先不飽和流動的能力。

? 模擬不飽和空氣運動的能力。

? 強大且高效的Newton Raphson 線性化選項。

? 可變各向異性選項- 此選項允許在逐個單元的基礎(chǔ)上包含水平各向異性。請注意，MODFLOW 要求每個模型層內(nèi)的各向異性是均勻的。

? 垂向滲透系數(shù)輸入選項- 使用此選項，輸入網(wǎng)格塊的垂向滲透系數(shù)，并在內(nèi)部計算層間的飽和泄漏。請注意，MODFLOW 需要層間的飽和泄漏作為輸入。

? USGS 為 MODFLOW 更高版本開發(fā)的其他軟件包（包括 MODFLOW-96 和 MODFLOW-2000）也已合并到此版本的 MODHMS 中。 MODFLOW-96 中包含的軟件包包括瞬態(tài)泄漏軟件包 (TLK)、直接求解器軟件包 (DE4)、流路由軟件包 (STR1)、液壓流屏障軟件包 (HFB)、層間存儲軟件包 (IBS)、常數(shù)軟件包（時變）水頭包 (CHD)、一般有限差分包 (GFD) 以及流量和水頭邊界（時變）包 (FHB)。 MODFLOW 2000 中包含的包包括水庫包 (RES1)、溪流路由包 (SFR1)、湖泊包 (LAK3)、儀表包 (GAGE) 和蒸發(fā)段包 (ETS1)。請注意，LAYCON 應(yīng)設(shè)置為無限制選項 (LAYCON=3, 13, 23, 33, 43)，以便 LAK3 程序包能夠與此處的 BCF 程序包正常工作。如果不滿足此條件，則輸出列表文件中會反映此效果的警告。

? 對將MODPATH 與FWL4、FWL5 和ATO4 軟件包一起使用進(jìn)行了修改。

此增強功能將時間步信息提取到二進(jìn)制 *.mph 文件（使用 ATO4 包時），以便與 MODPATH 的修改版本一起使用。 MODPATH 的原始版本僅利用 OC 包中的時間步長信息，并且無法識別 MODHMS 逐個單元輸出的 FWL4 和 FWL5：請注意，MODPATH 只能與 MODHMS 的地下部分一起使用，因為 MODPATH 中不包含地表水模塊。

? 曲線網(wǎng)格選項- 此選項允許在區(qū)域平面中使用非矩形網(wǎng)格。因此，層內(nèi)每個節(jié)點的 DELR 和 DELC 都需要作為輸入，多個層垂直堆疊在第一層下方。請注意，原始 MODFLOW 網(wǎng)格在平面上是矩形的。

? LAK2 軟件包由GeoTrans 的Greg Council 于1996 年開發(fā)，已在作者許可下實施。該包的輸入說明和實現(xiàn)細(xì)節(jié)可從 GeoTrans 獲得。

? 已包含觀測節(jié)點包，可列出任何規(guī)定觀測位置隨時間推移的水頭或污染物濃度突破情況。

MODFLOW-SURFACT 的所有模塊都是完全兼容的，并且原始 MODFLOW 和 MODFLOW-SURFACT 中的模塊的混合搭配可以在單個仿真中使用。 MODFLOW 的模塊化結(jié)構(gòu)得以保留，增強功能的模塊從主程序中調(diào)用。附加包中實施的新公式和計算方案已使用解析解和其他數(shù)值模型進(jìn)行了驗證。 MODFLOW-SURFACT 的附加包和原始 MODFLOW 代碼之間保持了完全的兼容性。 MODFLOW-SURFACT 的輸入準(zhǔn)備非常簡單，并遵循 MODFLOW 格式結(jié)構(gòu)。流建模的輸入數(shù)據(jù)本質(zhì)上是原始 MODFLOW 所需的數(shù)據(jù)，增強功能所需的附加數(shù)據(jù)最少。傳輸模擬利用所有 MODFLOW 數(shù)據(jù)集，并且消除了所提供的輸入信息的重復(fù)。傳輸參數(shù)通過附加數(shù)據(jù)集提供給代碼，邊界條件通過 MODFLOW 邊界數(shù)據(jù)集實現(xiàn)。

1.3 MODFLOW-SURFACT OPERATION AND INPUT OPTIONS

MODFLOW-SURFACT 可以獨立模式運行，也可以作為包含圖形用戶界面的完整軟件包的一部分運行。如果用戶自行獲取 MODFLOW-SURFACT 或希望在用戶界面系統(tǒng)之外執(zhí)行模擬，則第一個選項相關(guān)。

本節(jié)重點介紹第一個選項（即，在獨立模式下運行 MODFLOW-SURFACT）。在運行代碼之前，用戶需要為給定的模擬問題創(chuàng)建輸入數(shù)據(jù)文件。要構(gòu)建地下水流模擬的輸入數(shù)據(jù)文件，應(yīng)采取兩個關(guān)鍵步驟： 1. 請參閱原始 MODFLOW 用戶手冊（McDonald 和 Harbaugh，1988），并按照手冊中的說明為相關(guān)流量包創(chuàng)建輸入文件。

2. 如果需要使用新的 SURF 包，請繼續(xù)閱讀本文檔的相關(guān)章節(jié)，并按照所選包的附加輸入說明編輯相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

如果用戶已有 MODFLOW 輸入文件，則只需執(zhí)行步驟 2。

1.4 文檔組織和使用指南

本文檔分為九章。其余章節(jié)及其目的概述如下。

第 2 章介紹了 BCF4 包，其中包含新的可變飽和和軸對稱流動公式。本章包括配方描述、驗證和應(yīng)用示例以及 BCF4 包的輸入說明。由于 BCF4 取代了以前的 BCF 包，因此第 2 章為用戶提供了在 IUNIT(1) 中設(shè)置以塊為中心的流輸入文件的最一般說明。

第 3 章介紹了 FWL4 和 FWL5 包，其中包含嚴(yán)格處理多層井和特殊井條件（例如井筒儲存和超抽）的新方案。對嚴(yán)格處理多層井并考慮特殊井況感興趣的用戶應(yīng)查閱本章。

第 4 章介紹了 RSF4 包，其中包含處理補給邊界條件（具有規(guī)定或零積水高度）和滲流面邊界條件的新方案。處理具有如此復(fù)雜邊界條件的無側(cè)限流動問題的用戶應(yīng)該參考本章。

第 5 章介紹了 ATO4 包，它將自適應(yīng)時間步長方案與時間步長大小的自動控制以及仿真輸出控制相結(jié)合。

這些方案允許更有效地執(zhí)行模擬。因此，對這些選項感興趣的用戶應(yīng)該閱讀第 5 章。

第 6 章介紹了 PCG4 包，其中包含預(yù)條件共軛梯度 (PCG) 和 Orthomin 矩陣解決方案。有興趣嘗試 PCG 求解器的用戶應(yīng)該查閱本章。

第 7 章介紹了用于 Newton-Raphson 線性化的 NRB1 軟件包。請注意，PCG4 軟件包需要與 NRB1 軟件包一起使用，因為它是 MODFLOW 中唯一能夠處理非對稱矩陣的求解器。

第8章介紹了OBS1包來記錄指定觀測節(jié)點的水頭隨時間的變化。

第 9 章提供了前幾章中引用的參考文獻(xiàn)列表。

該文檔還包括五個附錄（A 到 E），其中包含第 2 章到第 5 章中描述的示例問題的附加信息和輸入數(shù)據(jù)文件。用戶可以選擇使用這些文件來執(zhí)行測試運行并深入了解新功能由 MODFLOW-SURFACT 提供。四個附加附錄（F 到 I）提供 MODFLOWSURFACT/MODHMS 擴展模塊的輸入指令。