【六天案例教程】全流程TOUGH系列软件实践技术应用

TOUGH系列软件是由美国劳伦斯伯克利实验室开发的，旨在解决非饱和带中地下水、热运移的通用模拟软件。和传统地下水模拟软件Feflow和Modflow不同，TOUGH系列软件采用模块化设计和有限积分差网格剖分方法，通过配合不同状态方程（EOS模块），软件可以处理各种复杂地质条件下，诸如地热能开发，非饱和带水气运移、油气运移，深部碳存储，天然气水合物开发以及多种环境修复等问题。

例如：TOUGHREACT是在TOUGH的基础上，添加了水文地球化学模块，功能上基本囊括了PHREEQC所有模块，真正意义上完成了运移反应模拟的全耦合。相较于过去仅仅考虑对流弥散过程的地下水污染问题，TOUGHREACT在处理复杂水岩相互作用问题上更具优势。

TMVOC模块是基于TOUGH开发，面向多维度非均质介质中水、空气和多组分挥发性有机物混合物的三相非等温流动模拟工具。TMVOC设计之初是为了处理饱和带和非饱和带中烃类物质或有机溶剂逸散造成的污染问题，后又集成了工程修复的数值实现，包括土壤吸附、气相抽提，地下水开采、蒸汽辅助修复、生物降解技术等。

目前，TOUGH系列软件已经广泛应用于高校各领域科研工作之中，并不断向生产渗透；随着各项功能不断开发和完善，TOUGH表现出了强大的生命力。通过理论学习和上机实践，基本掌握TOUGH系列软件的程序构成，网格剖分，文件输入输出格式，模型通用设置和前后处理等内容，培养其独立解决各自领域科学问题的能力。特别地，本次对内容进行了全新模块化整合，对Petrasim进行更加全面系统的介绍与练习；同时增加部分内容，如：TOUGHIO、TOUGH-CSM和EGS模块的支持。

【内容简介】：

第一部分、多相流流体基本特征及TOUGH系列软件讲解

首先，通过系统介绍多相流流体特征，将学员从从传统包气带或饱水带-这两种“非黑即白”的水文地质划分中解放出来，理解TOUGH所面向的更加复杂且真实的地下流体空间与相关问题。之后，就TOUGH软件开发背景、设计思路与数值模型、发展历史和各模块功能进行详细讲解，使学员对该系列软件形成初步认识，能够按需、准确选择对应模块开展后续模拟。

1.1多相流流体基本特征与解决思路

1.2 TOUGH2系列软件简介

1.3 TOUGH2软件功能模块介绍

1.4 TOUGH2软件设计思路

1.5 TOUGH2软件数学模型与数值方法

第二部分、TOUGH系列软件建模步骤、文本输入输出与可视化练习

文本输入输出是TOUGH系列软件一大特点，给用户调用软件提供了很大的自由度；同时也导致原版TOUGH软件的学习比较抽象困难。通过本节内容的学习与练习，学员将进一步加深对TOUGH软件的理解，了解建模前资料准备和一般建模过程，重点掌握TOUGH2规则网格剖分，文本输入输出和结果可视化等操作。

2.1建模一般流程

2.2 建模前的资料准备

2.3 TOUGH2简单网格剖分

2.4 TOUGH2文本输入输出练习

2.5 TOUGH2结果可视化 

第三部分、TOUGH2第三方软件讲解与练习、功能拓展与高阶应用

如今，市面上存在诸多面向TOUGH开发的、且具有用户界面第三方软件。这些软件的出现为更复杂的TOUGH建模提供了可能与便利。本部分内容选取Petrasim（商业软件）和TOUGHIO（开源软件）两款软件，结合实际案例，就TOUGH建模的第三方软件操作进行详细讲解，为学员们复杂建模的诉求指明了方向。此外，结合笔者多年使用经验，就TOUGH软件的建模技巧进行讨论，方便学员们解决诸如：复杂模型边界条件和初始化问题，复杂随机场的构建问题，复杂网格的可视化问题，多场耦合等问题。通过该部分学习，学员基本可以自行处理部分复杂模型的搭建与求解问题。

3.1 常见TOUGH第三方软件讲解

参考：https://tough.lbl.gov/pre-and-post-processors/ 

3.2 Petrasim软件 

3.3 Petrasim复杂三维网格剖分（考虑断层发育）

3.4 Petrasim案例实操 

3.5 TOUGHIO软件

3.6 TOUGHIO案例实操

3.7 TOUGH建模技巧

第四部分、TOUGH2常用模块讲解与实例应用练习与分析

4.1 介绍地热能开发背景和我国地热能开发现状，以及地热能开发对数值模拟工作的要求；通过实例练习（EOS1模块），使学员掌握TOUGH2在地热模拟中的主要流程、研究重点和基本操作。

系统介绍面向裂隙介质的多重作用介质模型-MINC方法，对比考虑不同裂隙发育条件下对地热开采过程的影响。

4.2 EOS3模块讲解及圆柱体热管模型练习

水气两相流动，考虑温度影响，区分液相水与水蒸气，并追加空气流动，非常适合处理非饱和带各类水文地质问题。

4.3 EOS9模块讲解及离散裂隙模型练习

使用Richard方程，适用于传统土壤水动力学规律研究。

4.4 CO2地质封存（CCS）背景介绍及ECO2N模块说明。

通过挪威Sleipner场地模型，掌握ECO2N模块基本操作过程和模拟结果三维可视化。在原Sleipner水动力模型基础上，添加水文地球化学模块TOUGHREACT，研究CO2注入条件下储、盖层中水岩相互作用及物性参数变化特征；通过和运移模型对比，揭示水化学反应对流体迁移规律的影响。

Sleipner油气开采和CO2回收再注入      

 CO2气体饱和度空间分布 

观测点水化学和矿物组分随时间变化特征

4.5 TMVOC模块介绍与多尺度模拟练习

4.6水合物开采及Hydrate模块介绍与练习

介绍水合物的基本物理过程与开采逻辑，介绍TOUGH+处理水合物的方法，文本输入关键字介绍，以及如何借助PetraSim实现模型的前处理。

 4.7 流固耦合模型及TOUGH-CSM、EGS模块介绍与练习

第五部分、建模经验分享与学习交流

针对初学者，梳理TOUGH系列软件常见错误及避免方法，交流建模技巧，并结合六天的学习内容进行互动与答疑。