专题一 feflow简介

4.1 FEFLOW简介

FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）是由德国水资源规划与系统研究所（WASY）开发出来的地下水流动及物质迁移模拟软件系统。 该软件提供图形人机对话功能、具备地理信息系统数据接口、能够自动产生空间各种有限单元网、具有空间参数区域化、快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。在FEFLOW系统中，用户可以方便快速地产生空间有限元网格，设置模型参数和定义边界条件，运行数值模拟以及实时图形显示结果与成图。软件自问世以来，在理论研究和实际问题的处理上，经过了不断的发展、修改、扩充、提高，日趋完善。

4.1.1 FEFLOW的应用领域

● 模拟地下水区域流场及其他地下水资源规划和管理方案；

● 模拟矿区露天开采或地下水开采对区域地下水的影响及其最优对策方案；

● 模拟由于近海岸区抽取地下水或者矿区抽排地下水引起的海水或深部盐水入侵问题；

● 模拟非饱和带以及饱和带地下水流及其温度分布问题；

● 模拟污染物在地下水中迁移过程及其时间空间分布规律（可用于分析和评价工业污染物及城市废物堆放对地下水资源和生态环境的影响， 研究最优治理方案和对策）；

● 结合降雨－径流模型进行模拟“降雨－径流－地下水”的系统问题（可用于研究水资源合理利用、管理以及生态环境保护方案等）。

4.1.2 系统输入特点

● 通过标准数据输入接口，用户既可以直接利用已有的GIS空间多边型数据生成有限单元网格，还可以基于地图用鼠标进行设计，能够自定义网格的数目，方便地调整网格的几何形状，增加和减小网格的宽度；

● 在建立水流场和迁移模型时，用户不仅能够根据具体情况定义第一、第二和第三类边界，而且可以对边界条件增加特定的，以避免不合理的数值解；

● 能够直接定义多含水层中的分层开采井和混合开采井，以及注水井；

● 所有边界及附加条件既可设置为常数，也能定义为随时间变化的函数；

● 已知的边界及模型参数可以按点，线或面的形式直接输入，也可以调用已有的空间数据。对离散的空间抽样数据进行内插或外推(数据区域化)，FEFLOW提供克里金法(Kriging)，阿基玛(Akima)、距离反比加权法(IDW)和ID线性插值法（Liner ID interpolation）；

● 输入数据格式既可以是ASCII码文件，也可以是GIS地理信息系统文件。FEFLOW还支持点、线、面的广义数据格式，DXF 格式,Tiff图形以及 HPGL数据格式。

4.1.3 地下水模拟功能

● 建立三维空间模型、二维平面、二维剖面或者轴对称二维模型； 

● 模拟非稳定流或稳定流； 

● 模拟多层自由表面含水系，包括滞水 (perched water)模拟；

● 模拟化学物质迁移及热转递，包括温度盐份 (thermohaline)迁移模拟； 

● 模拟可变密度流场(盐水或海水入侵问题)； 

● 模拟非饱和带流场及物质迁。

4.1.4 求解过程

FEFLOW采用有限单元法，并配备若干先进的数值求解法来控制和优化求解过程： 

● 快速直接求解法，如PCG，BICGSTAB，CGS，GMRES以及带预处理的再启动 ORTHOMIN法； 

● 灵活多变的up-wind技术，如流线up-wind、奇值捕捉法(Shock capturing)以减少数值弥散；

● 皮卡和牛顿迭代法求解非线性流场问题，自动调节模拟时间步长； 

● 模拟污染物迁移过程包括对流、水动力弥散、线性及非线性吸附、一阶化学非平衡反应； 

● 为非饱和带模拟提供了多种参数模型如指数式，Van Genuchten式和多种形式的Richard 方程； 

● 垂向滑动网格(BASD)技术处理自由表面含水系以及非饱和带模拟问题； 

● 适应流场变化强弱的有限单元自动加密和放疏技术，以获得最佳数值解； 

● 实时图形显示模拟非稳定流过程中观测点水头和污染物浓度的动态变化值； 

● 非稳定流模拟计算可以随时暂停，以便用户显示和分析中间模拟结果； 

● 开放性外部程序接口，以便用户在FEFLOW系统中连接和使用自己的程序模块。 

4.1.5 系统结果输出及显示

FEFLOW的计算结果既有水位、污染物浓度及温度等标量数据，也包括流速、流线和流径线等向量数据。模型参数和计算结果既能按 ASCII码文件、GIS地理信息系统文件、DXF或HPGL文件输出，又能在FEFLOW系统中直接显示和成图。FEFLOW提供了其他任何地下水模拟软件都无法比拟的、丰富实用的图形显示和数据结果分析工具。其先进的图形视觉化及数据分析技术表现在： 

● 有限单元网格、边界条件和模型参数的三维可视化及显示； 

● 标量数据的三维彩色(透明或灰度)等势面显示以及其二维平面彩色或等值线显示； 

● 三维地下水流径追踪、流动时间及流速动画显示(包括其二维平，剖面投影或二维平面追踪)； 

● 三维体截段的空间显示和三维交叉剖面组的空间显示；

● 三维图形的任意旋转，二维、三维图形的放大或缩小；

● 总体和局部水量平衡分析(包括任意几何多边型内的水流通量分析)；

● 计算和图形显示通过各种边界条件的水通量、物质通量以及其在特定时间区间内的积分量； 

● 借助FEFLOW提供的XPLOT或FEPLOT程序模块可以直接设计和打印各种成果图件。