非饱和带溶质运移模拟软件（WHI UnSat Suite）简介

丁素玲 中国地质大学（北京） 水资源与环境学院 北京 100083

非饱和带溶质运移模拟软件（WHI UnSat Suite）简介

丁素玲 中国地质大学（北京） 水资源与环境学院 北京 100083

非饱和带是研究地下水必须关注的领域，污染物在包气带中的迁移转化过程直接影响着其对自然界整体环境的表观作用，对这一过程的数值模拟研究在污染物系统分析中起到了不可替代的作用。国外应用较多的一个非饱和带水流和溶质运移模拟软件是WHI UnSat Suite，为了使更多研究者能了解和使用这个软件以协助其研究，文章分别介绍了该软件所包含的五个模块的功能，并指出其优点、不足和应用中应注意的事项以及其在国外研究中的应用。

非饱和带；溶质运移；模拟软；WHI UnSat Suite

1.引言

近年来，随着现代工业的迅速发展，各种工业产品引发的环境问题也日益严重。其中，污染物在土壤等多孔介质中的迁移转化过程直接影响着污染物对自然界整体环境的表观作用，由于室内物理模拟实验条件上的局限性，对这一过程的数值模拟研究也因此在污染物系统分析中起到了重要的作用。

包气带是大气水、地表水、土壤水同地下水相互转化的地带，是地表、土壤污染物进人地下水的通道，也是大气圈、生物圈、岩石圈、水圈之间物质、能量传输、转换的枢纽地带，又是圈层间相互作用最为敏感、对人类生存的生态环境影响最为巨大的地带。它直接影响与它相通的饱和带中的水流和溶质运移过程；人类活动则通过非饱和带间接影响地下水系统；反过来，地下水对地表水和生态系统的影响又要通过非饱和带传递，因而，非饱和带成为研究地下水必须关注的领域。随着石油制品和垃圾渗滤液的渗漏，非饱和带中水流和溶质运移过程越来越受到人们的重视。近二十多年以来,随着计算机技术的飞速发展,出现了一大批模拟软件。

2.WHI UnSat Suite的发展史

WHI UnSat Suite是由滑铁卢水文地质公司研制开发，由加拿大国家研究理事会通过工业研究适应计划（#28557U）提供资金支持。

1998年，滑铁卢水文地质公司为已有的HELP模型3.08版本开发了Windows界面，并命名Visual HELP version 1.101。WHI UnSat Suite于1998年在WANA,s WASTECON和北卡罗来纳州的ISWA orld Congress商业展上第一次出现。该软件是一个强大的绘图软件，它包含SESOIL、HELP、PESTAN、VLEACH和 VS2DT五个模块，专门用于模拟一维情况下不饱和带中地下水流动和污染物运移的问题。目前对外出售的产品有三种版本：Visual HELP 2.1（仅包括HELP模块）；WHI UnSat Suite 2.1（包括PESTAN、VLEACH 和VS2DT三个模块）；WHI UnSat Suite Plus 2.1（包括HELP,PESTAN,VLEACH 和VS2DT四个模块）。

目前，该产品的400多个副本被用于各个咨询公司、政府调控系统和美国、加拿大、英国、德国、澳大利亚、瑞士、墨西哥、法国、斯洛维尼亚和匈牙利等国家的大学中。但是由于我国对不饱和带中水流和溶质运移的研究较少，该软件的应用还不甚广泛。

3.WHI UnSat Suite的五个模块

WHI UnSat Suite包含五个子模块，用不同的模型解决不同的问题：

SESOIL：美国EPA模型，它能同时模拟水的运移、沉积物运移和污染物迁移转化。它考虑诸如离子交换能力、水解和金属络合反应等化学过程，不考虑地下水对渗滤液的稀释作用。SESOIL被作为一个监测工具广泛用于咨询和管理机构来评估污染物迁移和转化。

PESTAN(PESTicide ANalytical)：用于评价因农业生产中使用农药导致的地下水污染的评价模型。

VS2DT(Variably Saturated 2D flow and Transport)：有限差模型，用于确定不饱和带中农业化学物质的转化、垃圾渗滤液和偶然倾洒的化学物质等的迁移转化。

VLEACH(Vadose Zone LEACHing model)：一个用于估算不饱和带中挥发性有机污染物的迁移转化的模型。

HELP：最直接的用途是设计垃圾填埋场，还可以用作评价土壤表面水均衡等问题。

4.WHI UnSat Suite的新特征

WHI UnSat Suite在一个绘图软件中融合了HELP, PESTAN,SESOIL,VLEACH 和VS2DT五个模型。它是模拟不饱和带中一维的流体和污染物运移的专业软件。这五个模型与WHI UnSat Suite有机地结合在一起，每个模块都可以被独立或联合应用。与其他非饱和带模拟软件相比有如下新特征：

WHI UnSat Suite用独特的界面设计来协调其专业的特征和每个模块的分析功能，为每种数据设置保持统一的界面。这可以使使用者很容易地从一个模块转换到另一个模块中，避免对不同模块的界面和数据结构的繁琐的学习过程。软件中许多交互的绘图工具允许使用者迅速简单地创建模型剖面、修改层的设计、自定义模型的特征和边界条件等。

该软件把所有信息组织到工程中。每个工程与一个名字、作者、客户和地址相关。这种识别工程的方法使管理工程变得更简单。软件带有庞大的土壤、污染物的数据库，可以从中选择所需的土壤、污染物，进而选择数据库中的各个参数，避免了用户确定参数的困难。此外还可以自定义土壤类型和污染物的类型，自己创建数据库。WHI UnSat Suite软件有一个Weather Generator插件，运行该插件使用者就可以从世界上3000多个气象站中选择数据创建某一个区域精确的气象数据。

UnSat Suite允许使用者按照不同的需求（粗略查看、详细查看、定性、定量查看等）选择输出。还可以使用Report Generator来创建和打印报告。报告中包括输入信息和选择输出的图标和表格。在不同的模块之间使用者可以轻易地调度数据和输出结果供其他模块使用（例如从Visual HELP中输出地下水补给量到Visual MODFLOW中）。

5.WHI UnSat Suite在非饱和带模拟中的应用

在非饱和带溶质运移问题的研究中,有很多使用WHI UnSat Suite进行模拟的例子。其中的一部分应用有:

Rojas等用该软件包中的HELP模块，估算菲律宾马尼拉市的一个垃圾处理场往地下水中的渗漏量，并用该软件评价该垃圾场的设计。Despina G.Chatzikosma等用该软件包中的VS2DT模块模拟30年内多氯联苯从土壤表面到地下水中的迁移情况。除此之外，还用VS2DT模拟不饱和条件下胶体对多氯联苯的迁移的影响。Volkmar Gutsche等用PESTANA模块评价和比较了不同农药对环境的潜在危险。Ni-Bin Chang等人在LRGV地的柠檬园中用三种不同的杀虫剂运移模型模拟并进行了地下水对杀虫剂的脆弱性评价。这三种模型分别是PESTAN、PRZM-3、IPTM，得出结论：三种模型得出的浓度值较一致。J.N. Shaw等人在美国佐治亚州用VS2DT模型估算该地海相沉积平原上部土壤的水力性质；Catherine N. Mulligan用SESOIL模拟土壤和地下水中污染物的自然衰减过程；Faisal I. Khan等用SESIOL模拟80年间原油中苯系物在包气带中的迁移转化；

6.WHI UnSat Suite的优缺点和使用过程中的注意事项

WHI UnSat Suite的专业性很强,其图形化的操作界面方便了用户的使用。尽管WHI UnSat Suite含有五个模块，且各有其用，但有一个不可忽视的缺点：只能刻画非饱和带垂向上的非均质性，不能刻画水平向的非均质性，对于含有透镜体的包气带情况则不能模拟。模型要求的参数较多，不仅要求土壤和污染物的物理性质还要有化学性质及其参数，因此不方便使用者自己新建或修改土壤及污染物类型。

WHI UnSat Suite及其所有的相关软件不能免费下载，必须购买安装才能使用其所有功能。其实例文件包含在安装程序中，用户下载安装即可使用。

[1]王宝辉,董荟思,徐兆明等. 多孔介质中污染物溶质迁移模型研究进展[J]. 化工进展.2010, 第29卷(第7期).

[2]薛禹群. 中国地下水数值模拟的现状与展望[J]. 高校地质学报. 2010,第16卷(第1期):1-6.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.031