非飽和帶溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件（WHI UnSat Suite）簡介

丁素玲 中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 水資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100083

非飽和帶溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件（WHI UnSat Suite）簡介

丁素玲 中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 水資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100083

非飽和帶是研究地下水必須關(guān)注的領(lǐng)域，污染物在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化過程直接影響著其對自然界整體環(huán)境的表觀作用，對這一過程的數(shù)值模擬研究在污染物系統(tǒng)分析中起到了不可替代的作用。國外應(yīng)用較多的一個非飽和帶水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬軟件是WHI UnSat Suite，為了使更多研究者能了解和使用這個軟件以協(xié)助其研究，文章分別介紹了該軟件所包含的五個模塊的功能，并指出其優(yōu)點、不足和應(yīng)用中應(yīng)注意的事項以及其在國外研究中的應(yīng)用。

非飽和帶；溶質(zhì)運(yùn)移；模擬軟；WHI UnSat Suite

1.引言

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，各種工業(yè)產(chǎn)品引發(fā)的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。其中，污染物在土壤等多孔介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化過程直接影響著污染物對自然界整體環(huán)境的表觀作用，由于室內(nèi)物理模擬實驗條件上的局限性，對這一過程的數(shù)值模擬研究也因此在污染物系統(tǒng)分析中起到了重要的作用。

包氣帶是大氣水、地表水、土壤水同地下水相互轉(zhuǎn)化的地帶，是地表、土壤污染物進(jìn)人地下水的通道，也是大氣圈、生物圈、巖石圈、水圈之間物質(zhì)、能量傳輸、轉(zhuǎn)換的樞紐地帶，又是圈層間相互作用最為敏感、對人類生存的生態(tài)環(huán)境影響最為巨大的地帶。它直接影響與它相通的飽和帶中的水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程；人類活動則通過非飽和帶間接影響地下水系統(tǒng)；反過來，地下水對地表水和生態(tài)系統(tǒng)的影響又要通過非飽和帶傳遞，因而，非飽和帶成為研究地下水必須關(guān)注的領(lǐng)域。隨著石油制品和垃圾滲濾液的滲漏，非飽和帶中水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程越來越受到人們的重視。近二十多年以來,隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,出現(xiàn)了一大批模擬軟件。

2.WHI UnSat Suite的發(fā)展史

WHI UnSat Suite是由滑鐵盧水文地質(zhì)公司研制開發(fā)，由加拿大國家研究理事會通過工業(yè)研究適應(yīng)計劃（#28557U）提供資金支持。

1998年，滑鐵盧水文地質(zhì)公司為已有的HELP模型3.08版本開發(fā)了Windows界面，并命名Visual HELP version 1.101。WHI UnSat Suite于1998年在WANA,s WASTECON和北卡羅來納州的ISWA orld Congress商業(yè)展上第一次出現(xiàn)。該軟件是一個強(qiáng)大的繪圖軟件，它包含SESOIL、HELP、PESTAN、VLEACH和 VS2DT五個模塊，專門用于模擬一維情況下不飽和帶中地下水流動和污染物運(yùn)移的問題。目前對外出售的產(chǎn)品有三種版本：Visual HELP 2.1（僅包括HELP模塊）；WHI UnSat Suite 2.1（包括PESTAN、VLEACH 和VS2DT三個模塊）；WHI UnSat Suite Plus 2.1（包括HELP,PESTAN,VLEACH 和VS2DT四個模塊）。

目前，該產(chǎn)品的400多個副本被用于各個咨詢公司、政府調(diào)控系統(tǒng)和美國、加拿大、英國、德國、澳大利亞、瑞士、墨西哥、法國、斯洛維尼亞和匈牙利等國家的大學(xué)中。但是由于我國對不飽和帶中水流和溶質(zhì)運(yùn)移的研究較少，該軟件的應(yīng)用還不甚廣泛。

3.WHI UnSat Suite的五個模塊

WHI UnSat Suite包含五個子模塊，用不同的模型解決不同的問題：

SESOIL：美國EPA模型，它能同時模擬水的運(yùn)移、沉積物運(yùn)移和污染物遷移轉(zhuǎn)化。它考慮諸如離子交換能力、水解和金屬絡(luò)合反應(yīng)等化學(xué)過程，不考慮地下水對滲濾液的稀釋作用。SESOIL被作為一個監(jiān)測工具廣泛用于咨詢和管理機(jī)構(gòu)來評估污染物遷移和轉(zhuǎn)化。

PESTAN(PESTicide ANalytical)：用于評價因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用農(nóng)藥導(dǎo)致的地下水污染的評價模型。

VS2DT(Variably Saturated 2D flow and Transport)：有限差模型，用于確定不飽和帶中農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、垃圾滲濾液和偶然傾灑的化學(xué)物質(zhì)等的遷移轉(zhuǎn)化。

VLEACH(Vadose Zone LEACHing model)：一個用于估算不飽和帶中揮發(fā)性有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化的模型。

HELP：最直接的用途是設(shè)計垃圾填埋場，還可以用作評價土壤表面水均衡等問題。

4.WHI UnSat Suite的新特征

WHI UnSat Suite在一個繪圖軟件中融合了HELP, PESTAN,SESOIL,VLEACH 和VS2DT五個模型。它是模擬不飽和帶中一維的流體和污染物運(yùn)移的專業(yè)軟件。這五個模型與WHI UnSat Suite有機(jī)地結(jié)合在一起，每個模塊都可以被獨立或聯(lián)合應(yīng)用。與其他非飽和帶模擬軟件相比有如下新特征：

WHI UnSat Suite用獨特的界面設(shè)計來協(xié)調(diào)其專業(yè)的特征和每個模塊的分析功能，為每種數(shù)據(jù)設(shè)置保持統(tǒng)一的界面。這可以使使用者很容易地從一個模塊轉(zhuǎn)換到另一個模塊中，避免對不同模塊的界面和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的繁瑣的學(xué)習(xí)過程。軟件中許多交互的繪圖工具允許使用者迅速簡單地創(chuàng)建模型剖面、修改層的設(shè)計、自定義模型的特征和邊界條件等。

該軟件把所有信息組織到工程中。每個工程與一個名字、作者、客戶和地址相關(guān)。這種識別工程的方法使管理工程變得更簡單。軟件帶有龐大的土壤、污染物的數(shù)據(jù)庫，可以從中選擇所需的土壤、污染物，進(jìn)而選擇數(shù)據(jù)庫中的各個參數(shù)，避免了用戶確定參數(shù)的困難。此外還可以自定義土壤類型和污染物的類型，自己創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。WHI UnSat Suite軟件有一個Weather Generator插件，運(yùn)行該插件使用者就可以從世界上3000多個氣象站中選擇數(shù)據(jù)創(chuàng)建某一個區(qū)域精確的氣象數(shù)據(jù)。

UnSat Suite允許使用者按照不同的需求（粗略查看、詳細(xì)查看、定性、定量查看等）選擇輸出。還可以使用Report Generator來創(chuàng)建和打印報告。報告中包括輸入信息和選擇輸出的圖標(biāo)和表格。在不同的模塊之間使用者可以輕易地調(diào)度數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果供其他模塊使用（例如從Visual HELP中輸出地下水補(bǔ)給量到Visual MODFLOW中）。

5.WHI UnSat Suite在非飽和帶模擬中的應(yīng)用

在非飽和帶溶質(zhì)運(yùn)移問題的研究中,有很多使用WHI UnSat Suite進(jìn)行模擬的例子。其中的一部分應(yīng)用有:

Rojas等用該軟件包中的HELP模塊，估算菲律賓馬尼拉市的一個垃圾處理場往地下水中的滲漏量，并用該軟件評價該垃圾場的設(shè)計。Despina G.Chatzikosma等用該軟件包中的VS2DT模塊模擬30年內(nèi)多氯聯(lián)苯從土壤表面到地下水中的遷移情況。除此之外，還用VS2DT模擬不飽和條件下膠體對多氯聯(lián)苯的遷移的影響。Volkmar Gutsche等用PESTANA模塊評價和比較了不同農(nóng)藥對環(huán)境的潛在危險。Ni-Bin Chang等人在LRGV地的檸檬園中用三種不同的殺蟲劑運(yùn)移模型模擬并進(jìn)行了地下水對殺蟲劑的脆弱性評價。這三種模型分別是PESTAN、PRZM-3、IPTM，得出結(jié)論：三種模型得出的濃度值較一致。J.N. Shaw等人在美國佐治亞州用VS2DT模型估算該地海相沉積平原上部土壤的水力性質(zhì)；Catherine N. Mulligan用SESOIL模擬土壤和地下水中污染物的自然衰減過程；Faisal I. Khan等用SESIOL模擬80年間原油中苯系物在包氣帶中的遷移轉(zhuǎn)化；

6.WHI UnSat Suite的優(yōu)缺點和使用過程中的注意事項

WHI UnSat Suite的專業(yè)性很強(qiáng),其圖形化的操作界面方便了用戶的使用。盡管WHI UnSat Suite含有五個模塊，且各有其用，但有一個不可忽視的缺點：只能刻畫非飽和帶垂向上的非均質(zhì)性，不能刻畫水平向的非均質(zhì)性，對于含有透鏡體的包氣帶情況則不能模擬。模型要求的參數(shù)較多，不僅要求土壤和污染物的物理性質(zhì)還要有化學(xué)性質(zhì)及其參數(shù)，因此不方便使用者自己新建或修改土壤及污染物類型。

WHI UnSat Suite及其所有的相關(guān)軟件不能免費(fèi)下載，必須購買安裝才能使用其所有功能。其實例文件包含在安裝程序中，用戶下載安裝即可使用。

[1]王寶輝,董薈思,徐兆明等. 多孔介質(zhì)中污染物溶質(zhì)遷移模型研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展.2010, 第29卷(第7期).

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.031