Программный комплекс PMWIN

 

· Save and Load: Используя эти кнопки, можно сохранить или загрузить временные параметры в виде файла специального формата. Этот формат описан в приложении 2 руководства пользователя  PMWIN.

 

 

Initial Hydraulic Heads (Начальные значения напоров)

Необходимо ввести начальные значения напоров перед началом моделирования. Начальные значения в ячейках с границей первого рода будут поддерживаться постоянными в течение всего процесса моделирования.

 

При моделировании нестационарной геофильтрации начальные значения напоров должны иметь реальные значения. Для стационарной фильтрации это непринципиально, но значения в узлах с границами первого рода должны быть реальными. Для безнапорных горизонтов (слой типа 1 или 3), начальные напоры должны быть выше, чем отметки подошвы горизонта, так как MODFLOW автоматически не конвертирует такие ячейки в неактивные. Если какая-либо из ячеек с границами первого рода становится «сухой», MODFLOW останавливает моделирование и записывает сообщение "CONSTANT-HEAD CELL WENT DRY - SIMULATION ABORTED" (ячейка с постоянным напором осушена – моделирование остановлено) в файл OUTPUT.DAT.

 

Как MT3D так и MOC3D требуют ввода начальных значений концентраций для моделирования массопереноса. Ввод начальных значений концентрации в ячейках с границами первого рода (по миграционной задаче) должен обязательно выполняться до начала моделирования. Эти значения остаются постоянными в течение всего процесса моделирования. Такие ячейки используют для моделирования загрязненных территорий с постоянной концентрацией загрязнителя. Отметим, что граничные условия с постоянной концентрацией  Note that constant-concentration boundary condition is not implemented in MOC3D.

 

Boreholes and Observations (Скважины)

 

Опции для скважин собраны в двух таблицах — Boreholes и Observations.

 

· Boreholes (скважины): представлены координаты (восточной долготы (x), северной широты (y)) и число слоев для каждой скважины. Скважина принимается в расчет, если установлен флажок Active. В процессе редактирования модели с использованием Data Editor, учитываемые скважины и их названия могут отображаться. По завершении моделирования  PMWIN интерполирует результаты для каждой скважины. Таким образом, можно использовать Graph Viewer (меню Tools Graph) для отображения изменений во времени, например, кривую зависимости напора от времени  Graph Viewer также можно использовать для отображения точечных графиков сравнения наблюдаемых и вычисленных напоров.

 

· Observations (наблюдения): Имя скважины, в которой проводятся наблюдения. Время конкретного наблюдения считается от начала моделирования и указывается обязательно в возрастающем порядке. Если при калибровке стационарной модели с одним периодом возмущения используются инверсные модели PEST или UCODE (в принципе возможно запускать стационарную модель с несколькими периодами возмущения) длина периода задается как время наблюдения.

 

The Weight of an observation задает уровень достоверности наблюдения. Чем выше его значение, тем надежнее проведено измерение. Вес можно обнулить, например, если мы не хотим, чтобы ненадежное измерение принималось во внимание при проведении автоматической калибровки. Об использовании весовых функций при оценке параметров обратитесь к документации по UCODE  PEST. Отметим, что понижение в определенный момент времени рассчитывается как h0 - h, где h0 — начальный напор, а h — напор в момент времени наблюдения.

 

· Save, Load и Clear: щелкните на кнопке Clear для удаления выбранного наблюдения. Используя кнопки Save и Load, можно записывать и читать данные из специальных файлов, формат которых описан в Приложении 2 — «Файлы и форматы».

Добавлять и удалять строки таблицы можно, используя комбинации клавиш Ctrl+Ins или Ctrl+Del key. Программа допускает создание не более 1000 скважин и 10000 наблюдений.

 

Horizontal Hydraulic Conductivity and Transmissivity (горизонтальные коэффициенты фильтрации и водопроводимость) Horizontal hydraulic conductivity это гидравлическая проводимость (коэффициент фильтрации) вдоль рядов ячеек. Она умножается на фактор анизотропии, указанный в диалоговом окне Layer Options

 

Диалоговое окно  для отображения коэффициентов фильтрации в горизонтальном направлении.  Horizontal hydraulic conductivity (коэффициент фильтрации) требуется вводить для слоев типа (layers type) 1 или 3. Водопроводимость  (Transmissivity) вводят для пластов типа 0 или 2.

 

PMWIN вычисляет водопроводимость как произведение мощности горизонта (layer thickness) и коэффициента фильтрации, если флажок Transmissivity в диалоговом окне Layer Options установлен в положение Calculated. Можно установить водопроводимость напрямую, выбрав «Transmissivity» в меню Parameters (Параметры). Эти значения водопроводимости используются, если флажок Transmissivity установлен в положение User-specified (указывается пользователем). См. Раздел 3.4 для просмотра информации о диалоговом окне Layer Options.

 

 

Vertical Hydraulic Conductivity and Vertical Leakance (Вертикальные коэффициенты фильтрации и перетекание)

Как обсуждалось выше, в разд. Layer Type, существует два варианта для ввода вертикальной проводимости (VCONT) между двумя горизонтами.

 

Во-первых, ее можно указать непосредственно, используя Vertical Leakance из меню Parameters (Параметры). Эти значения будут использоваться, если флажок Leakance диалогового окна Layer Options установлен в положение User-specified (определяется пользователем). В редакторе Data Editor, вертикальная водопроводимость (vertical leakance) между слоями i и i+1 введен в данные по пласту i. Вертикальная проводимость не вводится для нижнего пласта в системе, так как MODFLOW принимает подошву нижнего горизонта как водоупор.

 

Отметим, что после установки флажка Leakance в диалоговом окне Layer Options  в положение Calculated программа начинает пересчитывать вертикальную проводимость по формуле 3.1.

 

Effective Porosity (Активная пористость).

Если разделить общий объем грунта V на объем твердой фазы Vs и объем пустот Vv, пористость n определяется как n=Vv/V. Активная (или эффективная) пористость, через которую проходит вода во время фильтрации, обычно меньше общей пористости, так как часть порового пространства не используется потоком, или используется не в полной мере. Например, в тонкозернистых средах на скорость фильтрации начинает влиять адгезия, т.е. взаимодействие матрицы грунта с молекулами флюида, фильтрующегося в непосредственной близости от грунта.

 

Активная пористость используется при моделировании миграции пакетами PMPATH,  MOC3D или MT3D/MT3DMS,  для вычисления действительной средней скорости потока в пористой среде. В средах с двойной пористостью при моделировании пакетом MT3DMS, активная пористость определяется как часть общей пористости, заполненная движущейся водой, другая часть пористости с неподвижной водой определяется с помощью пунктов меню Models > MT3DMS > Chemical Reaction. (VCONT)

 

Specific Storage, Storage Coefficient and Specific Yield (Емкость)

Для моделирования нестационарных задач требуется ввести в MODFLOW безразмерные значения емкости для каждого слоя. Для моделирования стационарной задачи эти параметры не требуются.

 

В напорном пласте емкость задается с помощью storativity или confined storage coefficient (=specific storage [1/L] x layer thickness [L]). Storativity это функция сжимаемости воды и грунта. Specific storage или specific storativity определяется, как объем воды, который отдает колонка грунта единичной площади при снижении напора воды в пласте на единицу напора. Обычно 1Е-2 – 1Е-6.

 

confined storage coefficient необходимо вводить для слоев типа 0, 2 и 3. PMWIN, используя specific storage и layer thickness, вычисляет confined storage coefficient, если соответствующий флажок Storage Coefficient в диалоговом окне Layer Options установлен в позицию Calculated. Если установить флажок Storage Coefficient в позицию User  Specified и выбрать Storage Coefficient из меню Parameters, можно установить значения confined storage coefficient непосредственно.

Для безнапорных пластов для емкостного коэффициента используют specific yield или drainable porosity. Specific yield определяется как объем воды, который безнапорный пласт отдает при единичном снижении уровня воды. В данном случае это функция пористости, но не равна пористости, так как при снижении уровня вытекает не вся поровая вода. Данный коэффициент необходим для слоев типа 1, 2 и 3.

 

 

Меню   Models / MODFLOW

 

Density (Пакет для расчета плотностной конвекции, авторы Schaars and van Gerven, 1997). Начальная плотность воды может быть установлена независимо в каждую ячейку. В процессе моделирования вычисляются напоры с учетом плотности. При этом потоки считаются несмешивающимися, а водопроводимости постоянными. Соответственно, такое моделирование возможно только  в слоях типа 0 или 2 (напорных). Слой с жидкостью повышенной плотности устанавливается с помощью диалогового окна Layer Options.

 

Пакет для расчета плотностной конвекции требует ввода «нормальной плотности» ( reference density), обычно плотность пресной воды, и начального распределения плотности по слоям. Последнее осуществляется с помощью Data Editor.

 

Reference density (REFRHO) [M/L^3] и

Cell-Density [M/L^3].

 

Внимание! Данный пакет поддерживается программой только в том случае, если была выбрана версия MODFLOW + Density pacade из KIWA в диалоговом окне Run MODFLOW. См. MODFLOW  > Run... для более подробной информации о версиях MODFLOW.

 

Дрены задаются с помощью Data Editor. Для каждой ячейки задается 3 параметра:

 

Drain hydraulic conductance (Cd) [L^2/T] (гидравлическая проводимость дрены),

Elevation of the Drain (d) [L] (уровень воды дрены),

Parameter Number [-] (номер параметра, используется при автоматической калибровке моделями  PEST или UCODE, см. PEST > Parameter List... или UCODE > Parameter List....)

 

Эти величины указываются в нижней левой части строки состояния слева направо. Они остаются постоянными в течение периода возмущения. При моделировании нестационарной геофильтрации данные величины могут изменяться для различных периодов возмущения. 

.

Если уровень водоносного горизонта в ячейке с дреной выше, чем уровень воды в дрене, моделируется стекание воды в дрену. Если уровень в горизонте равен или ниже уровня в дрене, объем водопритока в дрену нулевой. Отток воды из дрены в горизонт всегда нулевой, независимо от напора в горизонте. Сток в дрену рассчитывается по формуле

 

Qd = Cd · (h - d)

 

Величину Cd для ячеек с дреной представляют как

 

Cd =  K  ·  L

 

где L длина дрены в пределах ячейки. Здесь K — эквивалент гидравлической проводимости, описывающий все изменения напора между дреной и горизонтом. Он зависит как от материала и строения самой дрены, так и ее непосредственного  окружения. Величина Cd обычно неизвестна и устанавливается в процессе калибровки модели.

 

Пакет Evapotranspiration моделирует испарение и эвапотранспирацию (ЭТ) воды из зоны насыщения. В модели определяется присвоением каждой ячейке следующих параметров в диалоговом окне Evapotranspiration в Data Editor:

Elevation of the ET Surface hs [L] (отметка поверхности для ЭТ),

Maximum ET Rate RETM [L/T] (скорость испарения),

ET Extinction Depth d  [L] (глубина затухания ЭТ)

Layer Indicator IET [-] (индикатор слоя),

Parameter Number [-] (номер параметра).

 

Эти величины отображаются в нижней левой части строки состояния и остаются постоянными в течение заданного периода возмущения, для нестационарной фильтрации могут быть различными для каждого такого периода.

 

Хотя данная величина задается для каждой вертикальной колонки ячеек, Data Editor позволяет просматривать конфигурацию сетки в каждом слое. Номер параметра используется для того, чтобы связать RETM как параметр при автоматической калибровке моделями PEST или UCODE, см. PEST > Parameter List... или UCODE > Parameter List...

 

Данный модуль моделирует испарение воды из водоносного горизонта на основании следующих предпосылок:

 

1. Когда уровень воды находится вблизи поверхности, указанной как ET surface, моделируется испарение с максимальной скоростью maximum ET Rate RETM;

2. Моделирование прекращается, когда уровень воды опускается ниже ET extinction depth;

3. Между двумя указанными значениями скорость ЕТ меняется линейно.

 

Пакет эвапотранспирации паредоставляет две возможность моделирования в двух режимах:

 

 

1. Evapotranspiration происходит из верхнего слоя.

2. Вертикальное распределение evapotranspiration определяется с помощью Layer Indicator Array. IET  устанавливает слой, откуда происходит эвапотранспирация.

Можно выбрать (соответствующую) опцию в диалоговом окне Evapotranspiration Package.  The layer indicator array (IEVT) работает только тогда, когда используется второй режим моделирования. Если ячейка с установленными параметрами эвапотранспирации попадает на границы с постоянным напором или на границы с нулевым расходом, эвапотранспирация не моделируется.

 

Модуль General-Head Boundary используется для моделирования границ третьего рода (head-dependent flow boundaries, Cauchy boundary conditions). Аналогично пакету Drain (дрены), в ячейку с условием General-Head Boundary (GHB-cell) задают три значения:

 

• GHB hydraulic conductance Cb  [L^2/T] (проводимость в ячейке GHB)
• Hydraulic head at the boundary hb [L] (Напор в ячейке)
• Parameter Number [-] (номер параметра)

 

Номер параметра требуется для автоматической калибровки инверсной модели PEST или UCODE, см. PEST > Parameter List... или UCODE > Parameter List....

 

Поток через GHB ячейку рассчитывается так:

Qb = Cb*(hb - h)

 

где h — напор в пласте. GHB-ячейка эквивалентна ячейке с постоянным напором, в случае больших значений Cb. Значения Cb и hb постоянны в течение всего периода возмущения. При нестационарном моделировании, включающем несколько периодов возмущения, эти значения могут быть различными для каждого периода. Это можно использовать при необходимости изменять границы первого рода в течение срока моделирования.

 

 

Модуль Horizontal-Flow Barrier (HFB) моделирует геологические образования с низкой проводимостью, такие как вертикальные трещины или глинистые прослои, препятствующие горизонтальному движению воды. Такие образования представляются серией барьеров, расположенных на границах между парами смежных ячеек (boundaries between pairs of adjacent cells in the finite-difference grid).

 

Для HFB в соответствующем диалоговом окне задаются следующие параметры:

 

Barrier direction, направление барьера [-];

Hydraulic Conductivity/Thickness, (коэффициент фильтрации и мощность барьера), TDW [1/T] для безнапорных или Transmissivity/Thickness (водопроводимость и мощность барьера)  TDW [L/T] для напорных слоев.

 

Параметр Barrier direction определяет сторону ячейки, вдоль которой расположен барьер. Нумерация этих сторон указана в рамке Directions в правой стороне диалогового окна Horizontal-Flow Barrier Package. Для того чтобы удалить существующий барьер, нужно установить направление барьера = 0. Вторая величина TDW представляет гидравлическую характеристику барьера. Для безнапорных слоев (1 или 3), TDW это коэффициент фильтрации, деленный на мощность барьера. Для напорных слоев (0 или 2), TDW это водопроводимость, деленная на мощность барьера. Т.о. Ширина барьера включена в явном виде в массивTDW.