非飽和帶溶質運移模擬軟件（WHI UnSat Suite）簡介

丁素玲 中國地質大學（北京） 水資源與環境學院 北京 100083

非飽和帶溶質運移模擬軟件（WHI UnSat Suite）簡介

丁素玲 中國地質大學（北京） 水資源與環境學院 北京 100083

非飽和帶是研究地下水必須關注的領域，污染物在包氣帶中的遷移轉化過程直接影響著其對自然界整體環境的表觀作用，對這一過程的數值模擬研究在污染物系統分析中起到了不可替代的作用。國外應用較多的一個非飽和帶水流和溶質運移模擬軟件是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，并指出其優點、不足和應用中應注意的事項以及其在國外研究中的應用。

非飽和帶；溶質運移；模擬軟；WHI UnSat Suite

1.引言

近年來，隨著現代工業的迅速發展，各種工業產品引發的環境問題也日益嚴重。其中，污染物在土壤等多孔介質中的遷移轉化過程直接影響著污染物對自然界整體環境的表觀作用，由于室內物理模擬實驗條件上的局限性，對這一過程的數值模擬研究也因此在污染物系統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化的地帶，是地表、土壤污染物進人地下水的通道，也是大氣圈、生物圈、巖石圈、水圈之間物質、能量傳輸、轉換的樞紐地帶，又是圈層間相互作用最為敏感、對人類生存的生態環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運移過程；人類活動則通過非飽和帶間接影響地下水系統；反過來，地下水對地表水和生態系統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注的領域。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運移過程越來越受到人們的重視。近二十多年以來,隨著計算機技術的飛速發展,出現了一大批模擬軟件。

2.WHI UnSat Suite的發展史

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

1998年，滑鐵盧水文地質公司為已有的HELP模型3.08版本開發了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商業展上第一次出現。該軟件是一個強大的繪圖軟件，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移的問題。目前對外出售的產品有三種版本：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，該產品的400多個副本被用于各個咨詢公司、政府調控系統和美國、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中。但是由于我國對不飽和帶中水流和溶質運移的研究較少，該軟件的應用還不甚廣泛。

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移、沉積物運移和污染物遷移轉化。它考慮諸如離子交換能力、水解和金屬絡合反應等化學過程，不考慮地下水對滲濾液的稀釋作用。SESOIL被作為一個監測工具廣泛用于咨詢和管理機構來評估污染物遷移和轉化。

PESTAN(PESTicide ANalytical)：用于評價因農業生產中使用農藥導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業化學物質的轉化、垃圾滲濾液和偶然傾灑的化學物質等的遷移轉化。

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

HELP：最直接的用途是設計垃圾填埋場，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移的專業軟件。這五個模型與WHI UnSat Suite有機地結合在一起，每個模塊都可以被獨立或聯合應用。與其他非飽和帶模擬軟件相比有如下新特征：

WHI UnSat Suite用獨特的界面設計來協調其專業的特征和每個模塊的分析功能，為每種數據設置保持統一的界面。這可以使使用者很容易地從一個模塊轉換到另一個模塊中，避免對不同模塊的界面和數據結構的繁瑣的學習過程。軟件中許多交互的繪圖工具允許使用者迅速簡單地創建模型剖面、修改層的設計、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。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、污染物的數據庫，可以從中選擇所需的土壤、污染物，進而選擇數據庫中的各個參數，避免了用戶確定參數的困難。此外還可以自定義土壤類型和污染物的類型，自己創建數據庫。WHI UnSat Suite軟件有一個Weather Generator插件，運行該插件使用者就可以從世界上3000多個氣象站中選擇數據創建某一個區域精確的氣象數據。

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

5.WHI UnSat Suite在非飽和帶模擬中的應用

在非飽和帶溶質運移問題的研究中,有很多使用WHI UnSat Suite進行模擬的例子。其中的一部分應用有:

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計。Despina G.Chatzikosma等用該軟件包中的VS2DT模塊模擬30年內多氯聯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苯的遷移的影響。Volkmar Gutsche等用PESTANA模塊評價和比較了不同農藥對環境的潛在危險。Ni-Bin Chang等人在LRGV地的檸檬園中用三種不同的殺蟲劑運移模型模擬并進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；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化；

6.WHI UnSat Suite的優缺點和使用過程中的注意事項

WHI UnSat Suite的專業性很強,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性，不能刻畫水平向的非均質性，對于含有透鏡體的包氣帶情況則不能模擬。模型要求的參數較多，不僅要求土壤和污染物的物理性質還要有化學性質及其參數，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及其所有的相關軟件不能免費下載，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. 多孔介質中污染物溶質遷移模型研究進展[J]. 化工進展.2010, 第29卷(第7期).

[2]薛禹群. 中國地下水數值模擬的現狀與展望[J]. 高校地質學報. 2010,第16卷(第1期):1-6.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.031