MODFLOW-SURFACT
MODFLOW-SURFACT 是由 HydroGeoLogic, Inc. 开发的完全集成的地下水流和溶质运移代码，基于广泛流行的美国地质调查局模块化三维 (3-D) 地下水流建模代码 MODFLOW。
本卷（代码文档第一卷）描述了 MODFLOW 中添加的新流量模块，以增强其地下水流建模能力和计算鲁棒性。
详细介绍了新增强功能背后的物理和数学概念，并讨论了这些概念在 MODFLOW 模块化结构中的实现。提供示例问题来验证代码并使用户熟悉其应用程序。读者应该熟悉原始的 MODFLOW 文档（McDonald 和 Harbaugh，1988）。
MODFLOW 使用以块为中心的有限差分方法来模拟地下水流。
可以对承压含水层和非承压含水层进行完全或准 3D 模拟。通过其新的流量包，MODFLOW-SURFACT 增强了执行无侧限模拟的方案，以严格模拟含水层的去饱和/再饱和，并克服 MODFLOW 先前版本遇到的数值困难。
MODFLOW-SURFACT 提供了使用轴对称几何结构离散化域的选项，以有效模拟泵送测试、泄压/恢复测试等。MODFLOW 通常允许的外部应力包括恒定水头、恒定通量、面积补给、蒸散、排水、和溪流。
此外，MODFLOW-SURFACT 还提供严格的回井包、无侧限补给边界条件和渗流面边界条件。
最后，MODFLOW-SURFACT 包括自适应时间步进和输出控制程序的选项以及附加的预处理共轭梯度 (PCG) 解决方案包。
MODFLOW-SURFACT 版本 2 包含附加功能，其中包括严格的饱和-不饱和水分运动模拟功能、气流模拟功能以及用于提高鲁棒性的 Newton-Raphson 线性化包。
美国地质调查局模块化流模型 (MODFLOW) 可能是全球最流行的地下水代码，作为支持地下水调查的模拟工具。 HydroGeoLogic, Inc. 大大增强了 MODFLOW，使用户能够以更稳健、更高效的方式处理复杂的现场问题。增强的代码被命名为 MODFLOW-SURFACT（即带有新流量和污染物传输包的 MODFLOW）。新流程包的 SURF 首字母缩略词含义如下：
• S —— 稳健且高效（矩阵解、具有自适应时间步长的非线性迭代、输出控制和轴对称）方案
• U——无侧限流的严格处理
• R——非积水补给和渗流面边界条件
• F—— 裂缝井表示，以提供井条件的严格处理。
HydroGeoLogic, Inc. 开发了七个新的模块化包，并将其添加到原始 MODFLOW 代码中（McDonald 和 Harbaugh，1988）。这些包如下：
(1) BCF4 —— 块中心流包，包括轴对称分析选项，并使用具有拟土函数的可变饱和公式对无侧限流进行严格处理。该软件包还包括版本 2 的严格水流和气流模拟功能。
(2) FWL4/FWL5 —— 压裂井包（FWL4 和 FWL5）使用一维 (1-D) 压裂管元件模拟井，提供对井回采条件的严格处理。
(3) RSF4 - 补给渗流面包，适应无积水补给和渗流面边界条件
(4) ATO4 - 自适应时间步进和输出控制包，它使用积极的时间步进方案进行瞬态解决方案，自动生成和控制时间步长以及更好的输出控制。
(5) PCG4 - 预条件共轭梯度包，其中包含新的 PCG 矩阵求解器，作为 MODFLOW 中现有强隐式过程 (SIP) 和切片连续过度松弛 (SSOR) 求解器的强大替代方案。
(6) NRB1 - 具有回溯功能的 Newton-Raphson 线性化包提高了无约束或不饱和流（空气或水）模拟的鲁棒性。
(7) OBS1 - 用于记录选定节点处的过程线的观测节点包。
MODFLOW-SURFACT 中的这些附加流量包记录在本文中。以下章节提供了它们的简要描述、公式、验证和应用示例、输入指令和示例数据文件。假定本文档的用户相当熟悉原始 MODFLOW 代码及其文档。
1.2 MODFLOW-SURFACT 中新流程包的属性
新的流程包和增强功能提供了如下所述的以下主要优势。
• 处理网格块的完全去饱和和再饱和 - 最初的 USGS MODFLOW 的 BCF 包在瞬态模拟期间难以干燥/再润湿网格块。
• 准确描绘和跟踪地下水位位置，考虑到非饱和带中的流量、延迟产量和垂直流分量 - 原始 USGS MODFLOW 的 BCF 包忽略了这些功能。
• 轴对称流动模拟选项 - 原始 USGS MODFLOW 的 BCF 软件包忽略了这些功能。
• 将多层井的总流量自动正确地分配到井节点 - 最初的 USGS MODFLOW 的 WEL 包需要先验分配来自多个含水层或多个模型网格层的井抽水。
• 井筒储存和超抽油井的适应——当提取需求大于油井的供应时，最初的USGS MODFLOW 的WEL 包就会失败。
• 处理非积水或规定的积水补给条件 - 最初的 USGS MODFLOW 的 RCH 包忽略了这些功能。
• 渗流面边界条件的处理 - 最初的 USGS MODFLOW 的 RCH 包忽略了这些功能。
• 自动生成和控制时间步长的自适应时间步长方案 - 原始 USGS MODFLOW 的 OC 包忽略了这些功能。
• 更好地组织和控制模拟输出 - 原始 USGS MODFLOW 的 OC 包忽略了这些功能
• 强大且高效的PCG 矩阵解决方案选项。
• 模拟不饱和水分运动的能力。
• 使用双峰水力传导率函数实现非平衡优先不饱和流动的能力。
• 模拟不饱和空气运动的能力。
• 强大且高效的Newton Raphson 线性化选项。
• 可变各向异性选项- 此选项允许在逐个单元的基础上包含水平各向异性。请注意，MODFLOW 要求每个模型层内的各向异性是均匀的。
• 垂向渗透系数输入选项- 使用此选项，输入网格块的垂向渗透系数，并在内部计算层间的饱和泄漏。请注意，MODFLOW 需要层间的饱和泄漏作为输入。
• USGS 为 MODFLOW 更高版本开发的其他软件包（包括 MODFLOW-96 和 MODFLOW-2000）也已合并到此版本的 MODHMS 中。 MODFLOW-96 中包含的软件包包括瞬态泄漏软件包 (TLK)、直接求解器软件包 (DE4)、流路由软件包 (STR1)、液压流屏障软件包 (HFB)、层间存储软件包 (IBS)、常数软件包（时变）水头包 (CHD)、一般有限差分包 (GFD) 以及流量和水头边界（时变）包 (FHB)。 MODFLOW 2000 中包含的包包括水库包 (RES1)、溪流路由包 (SFR1)、湖泊包 (LAK3)、仪表包 (GAGE) 和蒸发段包 (ETS1)。请注意，LAYCON 应设置为无限制选项 (LAYCON=3, 13, 23, 33, 43)，以便 LAK3 程序包能够与此处的 BCF 程序包正常工作。如果不满足此条件，则输出列表文件中会反映此效果的警告。
• 对将MODPATH 与FWL4、FWL5 和ATO4 软件包一起使用进行了修改。
此增强功能将时间步信息提取到二进制 *.mph 文件（使用 ATO4 包时），以便与 MODPATH 的修改版本一起使用。 MODPATH 的原始版本仅利用 OC 包中的时间步长信息，并且无法识别 MODHMS 逐个单元输出的 FWL4 和 FWL5：请注意，MODPATH 只能与 MODHMS 的地下部分一起使用，因为 MODPATH 中不包含地表水模块。
• 曲线网格选项- 此选项允许在区域平面中使用非矩形网格。因此，层内每个节点的 DELR 和 DELC 都需要作为输入，多个层垂直堆叠在第一层下方。请注意，原始 MODFLOW 网格在平面上是矩形的。
• LAK2 软件包由GeoTrans 的Greg Council 于1996 年开发，已在作者许可下实施。该包的输入说明和实现细节可从 GeoTrans 获得。
• 已包含观测节点包，可列出任何规定观测位置随时间推移的水头或污染物浓度突破情况。
MODFLOW-SURFACT 的所有模块都是完全兼容的，并且原始 MODFLOW 和 MODFLOW-SURFACT 中的模块的混合搭配可以在单个仿真中使用。 MODFLOW 的模块化结构得以保留，增强功能的模块从主程序中调用。附加包中实施的新公式和计算方案已使用解析解和其他数值模型进行了验证。 MODFLOW-SURFACT 的附加包和原始 MODFLOW 代码之间保持了完全的兼容性。 MODFLOW-SURFACT 的输入准备非常简单，并遵循 MODFLOW 格式结构。流建模的输入数据本质上是原始 MODFLOW 所需的数据，增强功能所需的附加数据最少。传输模拟利用所有 MODFLOW 数据集，并且消除了所提供的输入信息的重复。传输参数通过附加数据集提供给代码，边界条件通过 MODFLOW 边界数据集实现。
1.3 MODFLOW-SURFACT OPERATION AND INPUT OPTIONS
MODFLOW-SURFACT 可以独立模式运行，也可以作为包含图形用户界面的完整软件包的一部分运行。如果用户自行获取 MODFLOW-SURFACT 或希望在用户界面系统之外执行模拟，则第一个选项相关。
本节重点介绍第一个选项（即，在独立模式下运行 MODFLOW-SURFACT）。在运行代码之前，用户需要为给定的模拟问题创建输入数据文件。要构建地下水流模拟的输入数据文件，应采取两个关键步骤： 1. 请参阅原始 MODFLOW 用户手册（McDonald 和 Harbaugh，1988），并按照手册中的说明为相关流量包创建输入文件。
2. 如果需要使用新的 SURF 包，请继续阅读本文档的相关章节，并按照所选包的附加输入说明编辑相应的数据文件。
如果用户已有 MODFLOW 输入文件，则只需执行步骤 2。
1.4 文档组织和使用指南
本文档分为九章。其余章节及其目的概述如下。
第 2 章介绍了 BCF4 包，其中包含新的可变饱和和轴对称流动公式。本章包括配方描述、验证和应用示例以及 BCF4 包的输入说明。由于 BCF4 取代了以前的 BCF 包，因此第 2 章为用户提供了在 IUNIT(1) 中设置以块为中心的流输入文件的最一般说明。
第 3 章介绍了 FWL4 和 FWL5 包，其中包含严格处理多层井和特殊井条件（例如井筒储存和超抽）的新方案。对严格处理多层井并考虑特殊井况感兴趣的用户应查阅本章。
第 4 章介绍了 RSF4 包，其中包含处理补给边界条件（具有规定或零积水高度）和渗流面边界条件的新方案。处理具有如此复杂边界条件的无侧限流动问题的用户应该参考本章。
第 5 章介绍了 ATO4 包，它将自适应时间步长方案与时间步长大小的自动控制以及仿真输出控制相结合。
这些方案允许更有效地执行模拟。因此，对这些选项感兴趣的用户应该阅读第 5 章。
第 6 章介绍了 PCG4 包，其中包含预条件共轭梯度 (PCG) 和 Orthomin 矩阵解决方案。有兴趣尝试 PCG 求解器的用户应该查阅本章。
第 7 章介绍了用于 Newton-Raphson 线性化的 NRB1 软件包。请注意，PCG4 软件包需要与 NRB1 软件包一起使用，因为它是 MODFLOW 中唯一能够处理非对称矩阵的求解器。
第8章介绍了OBS1包来记录指定观测节点的水头随时间的变化。
第 9 章提供了前几章中引用的参考文献列表。
该文档还包括五个附录（A 到 E），其中包含第 2 章到第 5 章中描述的示例问题的附加信息和输入数据文件。用户可以选择使用这些文件来执行测试运行并深入了解新功能由 MODFLOW-SURFACT 提供。四个附加附录（F 到 I）提供 MODFLOWSURFACT/MODHMS 扩展模块的输入指令。
