Программный комплекс PMWIN

Программный комплекс PMWIN

Введение

Что такое PMWIN?

PMWIN - полная имитационная система  для моделирования потока подземных  вод и процессов переноса, включающая  моделирующую трехмерную конечно-разностную  модель потока подземных вод MODFLOW Геологической службы США (McDonald и др., 1988), модель прослеживания пути частиц PMPATH для Windows (Chiang, 1994) или MODPATH (Pollock, 1988, 1989, 1994), вычислительные модели переноса MT3D и MT3D96 (Zheng, 1990, 1996) и программу оценки параметров PEST (Doherty и др., 1994). Программы, поддерживающие PMWIN, широко используются и доступны по номинальной цене.

Приложения MODFLOW для описания и прогнозирования поведения системы подземных вод значительно расширились за последние несколько лет. С момента опубликования MODFLOW различные программы были развиты многочисленными исследователями для моделирования специфических особенностей гидравлических систем. MODFLOW может имитировать действие скважин, рек, дренажа, зависящих от положения уровня границ, питание и эвапотранпирацию. PMWIN также поддерживает вычисление упругих и жестких сжатий (деформаций) водоносного горизонта вследствие изменения гидравлических напоров.

Модель прослеживания пути частиц PMPATH для Windows включена в PMWIN. PMPATH использует полуаналитическую (???) схему пути частиц (Pollock, 1988) для расчета путей подземных вод и времен движения. PMPATH позволяет пользователю выполнять прослеживание пути частиц просто нажатием нескольких клавиш мыши. Схемы прослеживания пути частиц как “вперед”, так и “назад” допустимы и для стационарного, и для нестационарного потоков. PMPATH рассчитывает и показывает линии пути (или линии тока) и время движения меток одновременно. Это сопровождается различными экранными графическими опциями, включающими изолинии напоров и понижений, а также векторами скоростей.

Развитие модели прослеживания пути частиц MODPATH может быть ориентировочно разделено на две стадии. Ранняя реализация MODPATH развивалась для расчета линий тока, основанного на результатах моделирования стационарного потока в MODFLOW. Более современная модификация MODPATH допускает прямое и обратное прослеживание пути в нестационарном потоке, так же как и в стационарном. Результат расчета MODPATH может быть показан графически с помощью программы MODPATH-PLOT.

Модель переноса MT3D использует смешанное (???) приближение Эйлера-Лагранжа для решения трехмерного advective-dispersive-reactive (конвективно-дисперсионное с учетом реакций ???) уравнения переноса. MT3D базируется на допущении, что изменения в концентрациях не оказывают значительного воздействия на фильтрационный поток. Это позволяет пользователю строить и калибровать фильтрационную модель независимо (от миграционной). После решения фильтрационной задачи MT3D принимает рассчитанные напоры и различные показатели фильтрационного потока, записанные MODFLOW. Модель переноса MT3D может быть использована для моделирования изменений концентраций отдельного компонента смеси загрязнителей в подземных водах с учетом переноса, дисперсии и некоторых простых химических реакций. Химические реакции, включенные в модель, ограничиваются равновесной линейной или нелинейной сорбцией и необратимым распадом первого порядка или биодеградацией.

Назначением PEST (который является сокращением словосочетания “оценка параметров”) является оказание помощи в интерпретации данных и в калибрации модели. Если имеются полевые или лабораторные измерения, PEST может согласовать параметры модели и/или данные возмущений для того, чтобы расхождения между подобранными значениями, сгенерированными моделью, и соответствующими измерениями свелись к минимуму. Это достигается путем управления моделью (MODFLOW) и запусканием ее столько раз, сколько необходимо для того, чтобы определить эти оптимальные установки параметров и/или данных возмущений. PMWIN помогает пользователю информировать PEST о назначении согласуемых параметров и данных возмущений.

 

Новое в PMWIN

• PMWIN способен использовать всю доступную память. Ограничений на размер модели практически не существует. PMWIN может управлять моделями, имеющими до 80 слоев и 1000 периодов возмущений. Каждый модельный слой может состоять из 2000х2000 блоков. Конечно, достаточно большой жесткий диск должен иметь возможность размещать будущие файлы результатов.
• PMWIN обеспечивает широкую поддержку программе оценке параметров (PEST). От пользователей требуется только определить зоны параметров и послать их в Список Параметров (Parameter List). Это все осуществляется с помощью мыши.
• PMWIN обслуживает диалоговое окно “Настройка слоя” (Layer Options). Величины проводимости, коэффициентов перетока между слоями и коэффициента емкости каждого слоя могут быть определены пользователем напрямую или быть рассчитаны с применением соответствующей зависимости, например, Проводимость = Коэффициент Фильтрации х Мощность Слоя. Выбор каждого из этих параметров осуществляется выбором между пунктами “Рассчитанный” ("Calculated") или “Определяемый пользователем” ("User Specified") в диалоговом окне “Layer Options”.
• Пять дополнительных пакетов MODFLOW поддерживаются PMWIN. Имеются: пакет “Барьер в латеральном потоке” (Horizontal Flow Barrier Package - HFB1) для облегчения моделирования слабопроницаемых вертикальных стенок (slurry walls) и разломов,  пакет “Изменяющийся во времени заданный напор” (Time Variant Specified Head Package - CHD1), пакет “Резервуар” (Reservoir Package - RES1), пакет “Управление решением” (Direct Solution Package - DE45), и “Водоотдача прослоя” (Interbed-Storage Package - IBS1) для моделирования нестационарной водоотдачи и расчета деформаций и просадок в водоносном горизонте вследствие изменения напоров.
• PMWIN поддерживает мощную “Выборку Результатов” (Result Extractor). Обычно результаты моделирования MODFLOW èëè MT3D записываются в неформатированном виде (бинарном) и не могут быть просмотрены. Файл с неформатированными результатами моделирования включает в себя гидравлические напоры, понижения, поблочные балансовые характеристики потока, доконсолидационые напоры??? (preconsolidation head), деформации, просадки, концентрации и поблочные характеристики массового потока. Result Extractor позволяет выбирать результаты моделирования по любому периоду возмущений, временному шагу и модельному пласту и помещать выбранное в электронную таблицу (spread sheet). Пользователь может потом просмотреть результаты или записать их в файл данных в ASCII-кодах или в формате, совместимым с SURFER.
• С использование Генератора Полей (Field Generator), поддерживаемого PMWIN, могут быть сгенерированы поля неоднородности проводимости или коэффициента фильтрации. Это позволяет пользователю стохастически моделировать воздействие или влияние неизвестного характера неоднородности параметров. Генератор полей (Frenzel, 1995) основан на алгоритме Mejía (1974).
• PMWIN предоставляет возможность временного прослеживания результатов моделирования: напоров, понижений, концентраций, доконсолидационных (???) напоров, деформаций в слое модели и просадок водоносного горизонта в целом.
• Усовершенствован Калькулятор Водного Баланса (Water Budget Calculator). Он может рассчитывать не только баланс определенных пользователем зон, но также и обмен потоками между зонами. Это свойство очень удобно для многих практических целей. Это позволяет точно определять поток через отдельно взятую границу.
• PMWIN поставляется с обучающей версией MT3D è PEST и обеспечена многочисленными примерами, включая тестовые проблемы пакетов STR1, IBS1, BCF2 è MT3D.
• PMWIN может создавать карты изолиний или цветные карты (плоты) исходных данных и результатов моделирования. Цветовое заполнение (Solid Fill) может использовать полный спектр RGB-цветов для заполнения блоков с различными значениями. Изолинии могут быть добавлены на эти карты. Отчетная графика может быть записана в широком спектре форматов файлов, включая SURFER, DXF, HPGL è BMP (Windows Bitmap).

 

Среда моделирования

См. также Grid Editor, Data Editor

Введение

Среда моделирования PMWIN состоит из двух редакторов и множества меню и диалоговых окон.

PMWIN использует систему раскрывающихся  меню. Все операции моделирования  контролируются посредством меню. Панель инструментов показывается  под меню и содержит значки, которые представляют доступные PMWIN операции или команды. Использование Панели Инструментов - кратчайший путь к системе меню. Для выполнения одной из команд Панели используйте мышь, передвинув курсор на соответствующий значок и нажав кнопку Панели.

Все данные модели определяются в Редакторе Данных (Data Editor) или диалоговых окнах. PMWIN сохраняет данные в бинарных файлах. Список бинарных файлов данных дается в Приложении 2 Руководства PMWIN. Перед запуском соответствующих моделей MODFLOW, MT3D или MODPATH или программы оценки параметров (PEST) PMWIN создает требующийся ASCII-входной файл. Имена таких файлов представлены в Приложении 7. Форматы входных файлов MODFLOW и MT3D даются в Приложениях 3 и 4. Модель прослеживания пути частиц PMPATH восстанавливает бинарные файлы данных, таким образом для нее требуется входной файл не в ASCII-кодах.

Единицы

PMWIN предполагает, что вы используете  последовательные единицы на  протяжении всего процесса моделирования. Например, если вы используете  в качестве единиц длины фут, а времени - сутки, то коэффициент фильтрации будет выражаться в футах/сутки, дебит скважины - в куб.футах/сутки, а дисперсивность - в футах. Если вы берете длину в метрах и время в секундах, то коэффициент фильтрации выражается в м/с, дебит скважины - м3/с, а дисперсивность - в метрах.

 

Редактор Сетки (Grid Editor)

Для построения или изменения сетки модели выберите “Размерность Сетки” (Mesh Size) из меню Grid. Если сетка еще не задана, диалоговое окно “Размерность модели” (Model Dimension) запросит о размерности базовой (равномерной) модельной сетки. После определения этой размерности и нажатия ОК запускается Редактор Сетки, который показывает план модельной сетки. Индексная характеристика [J, I] используется для описания положения курсора сетки в столбце [J] и строке [I].

При первом использовании Редактора Сетки вы можете вставлять или удалять столбцы или строки (см. ниже). После выхода из Редактора и записи сетки, вы можете впоследствии редактировать существующую сетку (изменять размеры столбцов и рядов или делить выбранные столбцы и ряды), снова вызвав Редактор Сетки. На любой стадии вы можете изменять размер каждого столбца или ряда. Если сетка детализирована (т.е. некоторые столбцы или ряды разделены на несколько частей), все параметры модели сохраняются. Например, если блок откачивающей скважины разделился на четыре блока, все четыре блока будут рассматриваться как скважины, а сумма их дебитов будет такой же, какой она была в первоначальной единственной скважине. Это также справедливо и для гидравлической проводимости зависящих от напора границ (реки, потоки, дренажи и границ с генеральным напором). Если используется пакет Stream-Routing, вы должны переопределить сегмент и номер зоны потока, т.к. эти значения не могут быть заданы автоматически.

 

Панель Инструментов Редактора Сетки

Кнопки Панели рассмотрены слева направо по порядку:

1. Выход из Редактора Сетки 
2. Задание значения; дает возможность перемещать курсор сетки и вводить характеристики сетки
3. Увеличение; позволяет организовать окно увеличения на части главной модели
4. Уменьшение; возвращает Редактор в режим показа рабочего листа целиком (всей модели)
5. Вращение сетки; для вращения сетки модели щелкните мышью на рабочем листе и удерживайте ее левую клавишу, пока вы передвигаете мышь
6. Перемещение сетки; для перемещения сетки модели щелкните мышью на рабочем листе и удерживайте левую клавишу, пока передвигаете мышь
7. Включение/выключение дублирования; если дублирование включено, размер текущего столбца или строки будет копироваться на все столбцы или строки, по которым движется курсор сетки.

 

Для изменения ширины столбца или строки:

1. Нажмите кнопку “Задание Значения” на Панели Инструментов. Курсор сетки появится только если значок этой кнопки утоплен. Вам не нужно вызывать этот значок, если он уже утоплен.
2. Передвиньте курсор сетки с использованием клавиш со стрелками или с помощью мыши, щелкнув ее в нужной позиции. Размер текущего столбца или строки показан в строке состояния.
3. Нажмите правую клавишу мыши один раз.

Редактор Сетки выведет диалоговое окно “Размер столбца и ряда”.

4. В диалоговом окне наберите  новое значение, затем ОК.

 

Для вставки или удаления столбца или ряда:

1. Нажмите кнопку “Задание Значения” на Панели Инструментов.
2. Передвиньте курсор сетки с использованием клавиш со стрелками или с помощью мыши, щелкнув ее в нужной позиции.
3. Удерживая нажатой клавишу Ctrl, нажмите клавишу “стрелка вверх” или “стрелка вправо” для вставки строки или столбца; а “стрелка вниз” или “стрелка влево” для удаления текущей строки или столбца.

 

Для детализации (деления) слоя, столбца и/или строки:

1. Нажмите кнопку “Задание Значения” (Assign Value) на Панели Инструментов.

2. Поставьте курсор сетки на  интересующий столбец/строку путем  щелчка мыши в выбранной позиции. Нажмите клавиши PgUp или PgDn для перехода  к другим слоям. Номер текущего слоя показывается на Панели Инструментов Редактора Сетки.

3. Нажмите правую кнопку мыши.

Редактор Сетки выведет диалоговое окно “Размер столбца и ряда”.

4. Наберите степень детализации  в окне “Детализация” (Refinement) и  нажмите ОК.

PMWIN произведет детализацию при  выходе их Редактора Сетки. Если  сетка детализирована, почти все  параметры модели сохраняются. Например, если блок откачивающей скважины  разделился на четыре блока, все  четыре блока будут рассматриваться  как скважины, а сумма их дебитов будет такой же, какой она была в первоначальной единственной скважине. Это также справедливо и для гидравлической проводимости зависящих от напора границ (реки, потоки, дренажи и границ с генеральным напором). Если используется пакет Stream-Routing, вы должны переопределить сегмент и номер зоны потока, потому что эти значения не могут быть переопределены автоматически.

Если вы детализировали слой, учтите следующие дополнительные возможности:

1. Если в вашей модели используется определенный пользователем коэффициент перетока (Vertical Leakance), вы должны переопределить его. Возможно, вы должны перекалибровать значения этого параметра. Это должно быть сделано, т.к. детализированный слой не имеет данных о вертикальной проводимости внутри себя.
2. Высотные отметки кровли или подошвы слоев не будут согласованы, если или отметка кровли, или отметка подошвы не определены.
3. Определенные пользователем величины проводимости и/или упругой водоотдачи будут согласованы автоматически. Первоначальные значения “исходного” слоя будут разделены на число детализации (количество полученных прослоев) и затем поставлены в соответствие каждому из новых прослоев.
4. Индикаторные массивы слоев в пакетах “Питание” (Recharge (RCH1)), “Эвапотранспирация” (Evapotranspiration (EVT1)) и “Резервуар” (Reservoir (RES1)) будут согласованы таким образом, что питание, эвапотранспирация или резервуар будут отнесены к той же высотной отметке. Например, если значение индикатора слоя - 2 и первый слой модели делится на три прослоя, то новый индикатор слоя будет 4.
5. Новые прослои будут иметь те же зоны неоднородности данных, что и исходный слой.
6. Новый прослои будут иметь такие же характеристики слоя, как и исходный - такие как: тип слоя, фактор анизотропии или данные для пакета “Химические реакции 1” модуля MT3D (версии 1.х)

 

Редактор Данных (Data Editor)

См. также Environment Options, Maps Options, Toolbar

Редактор данных используется для задания параметров в блоки модели. Для вызова Редактора Данных выберите соответствующий пункт из следующих меню: “Сетка” (Grid), “Параметры” (Parameters), “Модели” (Models>Modflow) и т.д.. Например, если вы хотите задать эффективную пористость в блоки модели, то должны выбрать пункт “Эффективная пористость” из меню “Параметры”.