HYDROSCAPE：一种新的地下水污染物输运软件

SoftwareX 6（2017）261原始软件出版物HYDROSCAPE：一种新的多功能地下水放大图片Sean P. Funk*，Danny Hnatyshin，Daniel S. Alessi阿尔伯塔大学地球大气科学系，加拿大埃德蒙顿，T6G 2E3ar t i cl e i nf o文章历史记录：2017年3月23日收到2017年10月2日收到修订版，2017年关键词：污染物运移水文地质解析解Advection–dispersiona b st ra ctHYDROSCAPE是一种基于MATLAB的软件程序，编译为可执行文件，使用对流扩散方程（ADE）的解析解来求解溶质污染物输运问题。它有一个易于使用的，直观的用户界面，产生高质量的输出，包括一个参数估计算法，并允许用户从谷歌地图TM上传地图。此外，ADE解决方案的修改，在两个重要的，新颖的方式，大大拓宽了其应用在水文地质学中的污染物输运问题用户可以：（1）定制源区域;以及（2）在域（“简单地质”）内实现水平地质单元通过与数值模拟的比较，我们证明，虽然我们的新的简单的地质特征是启发式的，因为羽流的形状，大小，质量/体积和浓度是类似的数值模拟，功能是一个有用的筛选级工具。©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。软件元数据当前软件版本1.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-17-00026法律软件许可证MIT计算平台/操作系统Windows安装要求依赖关系需要MATLAB R2015a如果有用户手册的链接-如果正式出版，请https://www.eas.ualberta.ca/download/问题支持电子邮件sfunk@ualberta.ca1. 介绍模拟污染物在地下的迁移是污染物水文地质学的一个重要方面，因为它可以用于制定适当的修复策略。与大多数污染场地相关的复杂性可能包括误差，如数值色散、振荡、不收敛和截断误差[1]。对流-弥散方程（ADE;方程）的解析解（1）），一个描述溶质通过平流、扩散和扩散的迁移的偏微分方程，因此对于污染物情景的快速和廉价评估[2]，确定迁移机制[3]和验证数值代码[2]是非常宝贵的地质不均匀性、物质变异性以及空间和COCC2002年C2002年C2012年12月22日在源区和地下水流量的时间变化因此，数值模拟经常被用来预测污染物在地下的命运和运输。然而，数值模拟可能是昂贵的，需要大量的数据，构造起来是耗时的，并且可能受到限制。通讯作者。电子邮件地址：sfunk@ualberta.ca（S.P. Funk）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.10.001Rt=D Lx2 +D第二次会议2 +D电视机2 −v <$x− λC（1）符号和术语定义见附录A。HYDROSCAPE使用方程的解析解（1）（[4];在下文中称为“解决方案”），并将其打包到易于使用的交互式图形用户界面（GUI）中，该2352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx*262S.P. Funk等人/SoftwareX 6（2017）261表1HYDROSCAPE的一些关键特性与其他使用ADE分析解决方案的程序的比较。程序反应含水层图叠加自定义源区域异质性一阶降解零阶rxnInst. Bio.rxn有限尺寸形状/来源浓功能垂直（简单地理）水平。HydroscapeXXX XX3DADE/N3DADEXXAT123D-ATXXXBIOSCREEN /BIOCHLORXXXATRANSXXXArcNLETXXX此外，我们已经修改了解决方案，以允许用户：（1）构建可定制的源区域;以及（2）在域（“简单地质”）内实现这些新的功能使水文地质学家能够快速模拟更复杂的情况，否则将不可能与传统的分析解决方案。作为一种筛选级工具，HYDROSCAPE比目前可用的其他程序功能更全面，适用范围更广（见下文）。最终，HYDROSCAPE可能会加速水文地质学家和环境科学家对污染场地修复策略的评估。补充材料和用户手册（www.example.com）中提供了更多详细信息https://www.eas.ualberta.ca/download/2. 与相关方案的比较过去已经开发了利用ADE的分析解的基于Windows的软件程序，并在下面简要描述。基于Fortran的计算机程序3DADE和N3DADE是由美国农业部[5]根据Leij等人的解决方案开发的。[6]和[7]。然而，这些程序附带免责声明“代码缺乏处理各种运输场景的通用性，而计算效率和用户友好性AT123D的代码是基于Yeh等人[8]中的半解析解开发的。AT123D模型已用于模拟溶解污染物的3D传输（例如，Sinton等人[9]），在半无限或有限含水层内有多种源区在AT123D中使用格林数值积分和无穷级数方案[10]的改进以及GUI [11]的引入随后改进了代码（现在称为AT 123D-AT）。也许最著名的基于分析解决方案的计算机程序是Domenico [12]系列软件程序（即 BIOSCREEN和BIOCHLOR），由美国环保署（EPA）开发，用于通过自然衰减模拟烃基污染物（BIOSCREEN;[13]）或氯化溶剂（BIOCHLOR;[14]）。BIOSCREEN（及其更新版BIOSCREEN-AT; [4]）和BIOCHLOR的好处是，代码可以作为一个易于使用的基于MicrosoftExcel的类似于BIO-SCREEN，Neville [15]为有限厚度含水层中的连续斑块源开发了ATRANS使用叠加原理，ATRANS允许用户创建任意源函数，而BIOSCREEN允许最近，开发了一个名为ArcNLET的ArcGIS扩展 ， 用 于 模 拟 地 下 水 中 的 硝 酸 盐 负 荷 [17] 。 ArcNLET 使 用Domenico [12]解决方案来解决程序的传输模块ArcNLET首先解决了使用数字高程图（DEM）和水力传导率和孔隙度分布图的流量模块[17]。使用一些简化假设，粒子跟踪用于生成地下水流场的表示[17]。然后，ArcNLET通过将羽流叠加到流场上，使羽流的中心线与流场的流路一致，来求解硝酸盐的传输[17]。与数值模拟的比较表明，ArcNLET实现对于筛选级工具是足够的[17]。表1突出了检索者提及的程序的一些关键特征，并将其与HYDROSCAPE进行了比较。所提到的大多数程序在很大程度上受到它们所基于的分析解决方案的限制和简化的限制（例如3DADE/N3DADE和AT 123D-AT）。除BIOSCREEN外[13]和ATRANS [15]，使用的分析解决方案保持不变。然而，大多数程序缺乏的一个功能是模拟域内水平层的能力（即简单地质）。ArcNLET允许其用户模拟水平异质性，而HYDROSCAPE允许垂直异质性;然而，ArcNLET缺乏源区域的可定制性（表1）。3. HYDROSCAPE架构HYDROSCAPE是一个基于MATLAB的程序，它使用ADE的修正解来求解溶质运移问题。为了提高可访问性，HYDROSCAPE已被编译成一个可执行文件，允许用户在没有MATLAB的情况下运行程序。用户友好性、多功能性和计算效率是代码和界面开发过程中的主要关注点（图1）。①的人。HYDROSCAPE的创建有两种用途：（1）解决已知参数的正问题，用户对预测羽流的命运感兴趣;或（2）解决逆问题，用户有一些实验或现场数据，希望估计哪些参数集可以重现数据（见第4.2节）。对于正演问题，用户通过HYDROSCAPE的选项卡结构进行工作，在每个选项卡中输入必要的参数（图1）。①的人。每个选项卡（和某些按钮）都有颜色编码，以强调需要输入和接受哪些参数。HY-DROSCAPE然后产生一个模拟供用户查看.标准输出包括地图和横截面视图中的表面和等高线图、三维等高线体积、浓度剖面（沿任意横断面）和突破曲线，所有这些都可以动画显示。多 个 穿 透 曲 线 和 浓 度 曲 线 可 以 一 起 绘 制 用 于 比 较 。HYDROSCAPE还计算与羽流相关的各种参数HY-DROSCAPE允许用户通过访问谷歌地图TM导入和覆盖地图，从而快速评估真实世界的烟羽范围（图11）。①的人。对于逆问题，用户可以选择HYDROSCAPE中的“参数估计器”功能。用户必须输入贴片源几何形状、自由溶液扩散系数和S.P. Funk等人/SoftwareX 6（2017）261263（∑−L（t-t）=图1.一、 HYDROSCAPE的图形用户界面（GUI）展示了用户定义的源区和简单地质（左侧）以及GoogleMapsTM输出（右侧）。图不是基于一个真实的网站。空间和时间用户还需要对估计参数设定实际的上限和下限（参见附录B）。输入所有输入后，HYDROSCAPE自动查找匹配参数集，使给定控制点在用户定义的公差范围内拟合（详见第4.2节）。4. 执行4.1. 高级功能HYDROSCAPE使用数学技术来修改解决方案，使其更加通用。这些修改允许用户：（1）构建自定义源区域（任意源函数-（a）污染源浓度的空间/几何和空间变化;(2)在域内实现水平地质单元4.1.1. 用户定义的源解析解的主要局限之一是，用户对源的特征描述几乎没有控制权图二、HYDROSCAPE如何构建任意形状和任意浓度分布的源区示意图。C1=C2= C3.以下列方式运行地区大多数解析解迫使用户用简单的几何形状来表示源区域，例如点、线、矩形平面或棱柱，这些几何形状具有空间均匀的连续性。STOTAL（x，y，z，t）=Reni=1Li（t−ti）<$Ci S（x，y，z，ti））（三）中心分布和简单源函数。这在现实中很少发生;大多数源区在空间（ 形 状 和 浓 度 ） 和 时 间 上 都 有 变 化 。 考 虑 到 这 些 限 制 ，HYDROSCAPE旨在通过允许用户自定义源区域以适应任何情况来放松这些限制。众所周知，由于负荷历史、渗透率、源区性质和季节效应（例如， [18]）;因此，能够实现动态源函数是使用HYDROSCAPE时的一个关键优势。 用于创建任意源函数的方法类似于Neville [ 15 ]概述的方法，然而，我们使用逻辑函数L（t t0）（等式11）。（2）），而不是Heavi边阶跃函数。这样做是为了更快的计算。其中n定义源函数中有多少个步骤，而ΔCi定义该步骤的相对浓度变化类似地，源区很少具有简单的几何形状和均匀的浓度分布;通过允许用户构建任意的源几何形状（形状）并实现源浓度的空间可变性[16]，我们可以更好地对源区进行物理表征这需要构建矩形图块的源区域，其中为每个图块分配不同的浓度，并将这些图块平移到适当的通过应用叠加原理，可以计算出整个源区（图1）。2）的情况。这种方法比BIOSCREEN中使用的101+ exp（−k（t−t0））（二）源，而我们的方法可以适应任何源区域形状。其中，k定义阶跃的锐度，并且t0定义时间变化何时发生。如果S（x， y， z， t）是ADE的解，那么利用叠加原理，我们可以构造任意的源4.1.2. 简单地质学地下的分层会显著影响污染物的迁移，然而，典型的解析解不会264S.P. Funk等人/SoftwareX 6（2017）261−≤=×==×=-表2每个修补程序源的输入列表。120 20震源厚度（m）10 40 10浓度（mg/L）100 50 75表3HYDROSCAPE（“HYD”）和MODFLOW（“MOD”）模拟中使用的参数列表。图三. 说明HYDROSCAPE如何实现简单地质学的示意图。该算法将斑块源分为两个不同的斑块源，每个斑块给定一组不同的运输和水力参数。明确地解决这个额外的复杂性。因此，在HY- DROSCAPE中，我们设计了一个通过垂直于层间界面平移解（类似于第4.1.1节中概述的方法），对每一层应用不同的参数集，然后叠加解，我们能够获得水平层理的近似值（图1）。3）。HYDROSCAPE4.2. 参数估计和敏感性分析使用解析解的优点之一是我们可以估计与污染物运动有关的场参数在地下相对容易[3]。水文地质学家可能对受污染场地的地下特性只有很少的信息，但往往仍然需要对场地进行建模。帮助用户在在大多数污染场地的建模阶段，HYDROSCAPE包括参数估计器算法，利用蛮力算法为特定场地找到适当的参数。蛮力算法被选择在更复杂的技术，由于其算法的简单性，高成功率在找到一个或多个参数集的问题，如果存在，和计算效率（当应用于分析解决方案）。在算法中，HYDROSCAPE采用“控制点”（参见第3节）并运行排除性模拟。用户必须首先将实际的上限和下限的每一个参数是估计。然后HYDROSCAPE计算第一个控制点的空间和时间点处每个参数组合的合成然后，该算法将所得浓度与第一控制点处指定的浓度进行比较。仅保留与控制点浓度匹配且在用户定义的可接受范围内的那些参数集。通过使用连续的控制点作为滤波器，实现了较小的参数集。与HYDROSCAPE一起打包的参数估计器通常可以求解解内的所有参数（附录B），但我们只允许使用具有用户定义的自由解扩散系数的单个补丁源，以减少计算时间和非唯一集的数量。由于预设的源几何形状，HYDROSCAPE无法使用第4节中提到的高级功能估计模型参数。液压模块X（m）[0，1000]Y（m）[三百，三百。Z（m）[0，100]时间（天）3650αL（m）10αTH（m）1αTV（m）0.1v弱透水层（m/s）2× 10−7v含水层（m/s）2×10−6Φ（-）常见的是多组校准参数（即，非唯一性）由我们的参数估计器计算为了评估这些参数的灵敏度，HYDROSCAPE有一个内置的灵敏度分析程序，HYDROSCAPE可通过该程序为每个参数组合生成突破曲线。将结果绘制在一起，使用户能够快速轻松地评估解决方案的灵敏度。5. 示例和与数值模拟的比较为了展示HYDROSCAPE中的“简单地质”特征，我们将一个简单的含水层-弱透水层概念化，即上覆30 m厚的低渗透层（K 1. 210 -6 m/s）下面是一个半无限厚的高渗透性单元（K 1。2 10−5m/ s）。顶部边界被取为是一个不可渗透的边界。 为了证明源区域的可定制性，我们概念化的源区域具有复杂的形状和浓度分布（图1）。 4（a）和表2），这是无法模拟与传统的分析解决方案;此外，我们强加了一个动态源历史在我们的模拟（图2）。4（a））。溶质被认为是保守的（R1，λ0）。为了测试HYDROSCAPE简单地质的启发式建模的有效性为了进行适当的比较，使用了相同的参数和域集（表3）。使用上游有限差分（UFD）方法求解数值模型;模型离散化（Pex）变化，在源区附近更精细，向外变粗（表3），并且Peclet数（Pexv Pex/ DL）为10，以最大限度地减少数值色散，同时产生合理的计算时间。HYDROSCAPE预测的羽流形状和浓度分布与MODFLOW产生的羽流形状和浓度分布相当（图1）。5）。模拟中的独特特征，如“羽流尖灭”（如图1）。5（b）），也以高准确度复制（另见补充材料）。调查源名称源1源2源3源位置Y（m）0035源位置Z（m）源宽（m）−5−30−55110K弱透水层（m/s）K含水层（m/s）h（-）–––0.31 .一、2×10−61 .一、2×10−50.05X射线源（m）–2.5最大（m）–10节点64–S.P. Funk等人/SoftwareX 6（2017）261265见图4。 （A）源区几何形状和浓度分布。源区域的投入见表2。(B)使用的源函数图五、（A）3年、（B）6年和（C）10年后HYDROSCAPE（上）和MODFLOW（下）穿过中心线的横截面比较。颜色条单位为mg/L。（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网络版本沿中心线剖面的代表性深度（2.5和52.5 m）的穿透曲线表明，HYDROSCAPE通常产生的浓度低于MODFLOW（ 图11）。6），但在趋势和规模上相似。两种模型之间的差异通常很小（20%）（见补充材料）。同样，HYDROSCAPE计算的羽流质量（13 817 kg）与MODFLOW（13 596 kg）相当观察到的HYDROSCAPE预测浓度（相对于MODFLOW）差异可能是多种因素造成的我们推测，这可能是由于有限的长度在MODFLOW补丁源，是一个固有的功能，在MODFLOW的离散化的分析解决方案，或者是由数值误差时，使用UFD求解器求解有限差分方程突破时间的差异也被推测是由MODFLOW的有限长度和由此产生的 平 流 锋 的 差 异 然 而 ， 我 们 认 为 ， 这 些 差 异 不 太 可 能 是HYDROSCAPE中实施新功能的结果由于分析和数值模拟之间的差异对于大部分区域来说都很小，并且导致非常相似的羽流形状、大小和质量，因此HYDROSCAPE中的高级功能在严格的约束条件下是有用的筛选级工具(2)层间分子扩散的交换可忽略不计（见补充材料）。266S.P. Funk等人/SoftwareX 6（2017）261图六、 十字表示MODFLOW;菱形表示HYDROSCAPE。穿透曲线的比较;（A）在2.5 m深的弱透水层内;（B）在52.5 m深的含水层内6. 结论HYDROSCAPE是一个基于MATLAB的程序，具有易于使用，直观的用户界面，可用于模拟各种运输场景。它允许用户上传地图 覆 盖 与 谷 歌 地 图 TM ， 允 许 用 户 可 视 化 羽 与 现 实 世 界 。HYDROSCAPE还包括一个简单的参数估计算法和灵敏度分析程序，允许用户有效地进行逆建模HYDROSCAPE对Karanovic等人（2007）的解决方案[4]进行了额外修改，使其更加通用。这些增强包括：（1）自定义源区域（任意用户定义的源函数/几何形状和源浓度的空间变化）;和（2）简单的地质。新的“简单地质学”特征是一种启发式近似，如果不小心使用，可能会我们表明，虽然我们的实施简单的地质是启发式的，相比MODFLOW的差异是很小的域调查，羽流形状，尺寸和质量相似。同样，这两个程序产生的穿透曲线和中心线浓度曲线（见补充我们认为，HYDROSCAPE在评估污染场地的修复策略时，HY- DROSCAPE是一种比目前使用的现有类似程序更有用和通用的工具（例如[13，14]）。该程序作为昂贵的，资源密集型数值模拟和廉价的，更快的分析解决方案之间的桥梁。HYDROSCAPE允许用户平衡这两个端元，允许更快，更复杂的模拟，同时保持成本和计算时间下降。视频教程可以在YouTubeTM（https://www.youtube.com/channel/UCI 9 GwvAA 5 kUMJC 9fB-19 aiA）上找到。计划随着时间的推移或应社区的要求增加其他解决方案。致谢这项研究是由加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）的发现基金（RGPIN-04134）资助的。 Alessi和NSERC研究生奖学金基金。放克我们也要感谢C。Mendoza和T.感谢他们的专业知识和许多有益的讨论。我们还要感谢一位匿名的审稿人，他为我们改进这份手稿提供了有益的附录A.补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2017.10.001上找到。引用[1] Zheng C ， Bennett GD. 应 用 污 染 物 传 输 模 型 ： 理 论 与 实 践 。 纽 约 ： VanNostrand Reinhold（现为John Wiley& Sons）;1995年。 p. 四百四十[2] Cecan L，Schneiber RA.BIOSCREEN、AT 123D和MODFLOW/MT 3D：模型结果的综合审查。载于：土壤、沉积物、水和能源年度国际会议论文集。2008. p.13.[3] 朴E，詹H.污染物输运的解析解有限厚度含水层中的二维和三维震源。J ContamHydrol2001;53：41-61.[4] KaranovicM，Neville CJ，Andrews CB.BIOSCREEN-AT：BIOSCREEN提供精确的分析解决方案。地下水2007;45：242-5.[5] Leij FJ，Bradford SA. 3DADE：一个计算多孔介质中三维平衡溶质运移的计算机 程 序 。 研 究 编 号 134 。 USDA ， ARS ， Riverside ， CA ： US SalinityLaboratory;1994.[6] Leij FJ，Skaggs TH，van Schlichten MT.三维半无限多孔介质中溶质运移的解析解。水资源研究1991;27：2719-33.[7] LeijFJ，Toride N，van Bogchten MT.三维多孔介质中非平衡溶质运移的解析解。J Hydrol1993;151：193 - 228.[8] 叶GT.AT123D：分析瞬态一维，二维和三维模拟含水层系统中的废物运输。ORNL-5602 橡树岭，田纳西州：橡树岭国家实验室;1981年。[9] SintonLW，Noonan RK，Finlay RK，Pang L，Close ME.冲积砾石含水层中细菌和噬菌体的迁移和衰减。 新西兰J MarFresh2000;24：20-5.[10] Burnell DK，Lester BH，Mercer JW.对AT123D代码的改进和更正。地下水2012;50：943-53.[11] BurnellDK，Cooper J，Xu J，Burden DS.AT123D-AT溶质运移模型的图形用户界面。地下水2016;54：313-4.[12] DomenicoPA 衰变污染物多维输运的分析模型。J Hydrol1987;91：49-58.[13] NewellCJ，McLeod RK，Gonzales JR. 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