Программный комплекс PMWIN

 

Пакет Interbed Storage (двойная среда)

Пакет моделирует изменение емкости как при упругом, так и неупругом сжатии.

При моделировании стационарной фильтрации, данный пункт меню не используется и поэтому недоступен.

 

Термин Interbed означает прослой относительно слабопроницаемой породы внутри водоносного горизонта. Такие прослои представляют собой своеобразные емкости, из которых,  вследствие снижения напора, выделяется подземная вода. Объем этой воды пропорционален сжимаемости воды и скелета породы. В русскоязычной литературе для обозначения таких горизонтов, как правило, в связи с моделированием массопереноса, используют термин «двойная среда».

 

Для подключения Interbed Storage следует установить соответствующий флажок в диалоговом окне Layer Options. Необходимые данные устанавливаются с помощью Data Editor.

 

Preconsolidation Head or preconsolidation stress Hc [L]: Предшествующее минимальное значение напора. Для любой ячейки модели, в которой это значение превышает начальную величину напора, предшествующий напор считается равным начальному;

Elastic Storage Factor Sfe [-] коэффициент упругой емкости для прослоев внутри текущего горизонта;

Inelastic Storage Factor Sfv [-] коэффициент неупругого (жесткого) для прослоев внутри текущего горизонта;

Starting Compaction [L]. Начальное уплотнение. Величина уплотнения, рассчитанная внутри пакета Interbed-Storage package прибавляется к начальному уплотнению таким образом, что текущие значения уплотнения и просадки грунта могут включать прежние составляющие. Начальное уплотнение не влияет на вычисление емкостных коэффициентов и результирующего уплотнения; и

Parameter Number [-]. См. Выше.

 

Для напорных горизонтов упругое сжатие или расширение породы пропорционально или почти пропорционально изменению гидравлического напора в пласте. Для расчета изменения мощности прослоев b [L] (+ при сжатии и – при расширении) используется следующее уравнение

 

Дb = - Дh · Sske · bo = -Дh · Sfe   (3.10)

 

где Дh [L] — изменение гидравлического напора, положительное при увеличении; Sske [1/L] компонент упругой емкости, относящийся к скелету породы; bo — мощность прослоев; Sfe — коэффициент упругой емкости, устанавливаемый пользователем. Когда сжимаемые тонкозернистые осадки подвергаются давлению, превышающему предыдущее максимальное (preconsolidation stress), уплотнение считается неупругим. По аналогии с уравнением 3.10, для расчета жесткого уплотнения Дb* [L] используется уравнение:

 

Дb* =  -Дh ·  Sskv ·  bo = -Дh · Sfv   (3.11)

 

где Sskv [1/L] скелетный компонент  inelastic specific storage и  Sfv inelastic storage factor, устанавливаемый пользователем.

 

Упругое сжатие или расширение пород безнапорного горизонта вычисляется по формуле

 

Дb = -Дh ·  (1 - n + nw) · Sske · bo = -Дh · Sfe

 

где n [-] — пористость и  nw [-] — влажность выше уровня грунтовых вод, в долях от общей пористости. Аналогично, неупругое сжатие или расширение породы вычисляется по уравнению

 

Дb = -Дh  · (1 - n + nw) · Sskv · bo = -Дh · Sfv

 

Для горизонта с n прослоями, имеющими емкостные коэффициенты S1, S2,..., Sn, и  мощности b1, b2, ..., bn, эквивалентный емкостной коэффициент вычисляется по уравнению:

 

Ssystem = S1 · b  + S2 · b2  + ... + Sn · bm

 

 

Recharge  / площадное питание

 

Меню Parameters |  Models | MODFLOW

 

Данный пакет предназначен для моделирования распределенного по площади питания водоносных горизонтов. Это питание задается с помощью Data Editor тремя параметрами

 

Recharge Flux IR [L/T] / Объем питания

Layer Indicator IRCH [-] / Индикатор слоя

Parameter Number [-] / Номер параметра

 

После того, как данные величины заданы, они отображаются в строке состояния слева направо. Paramеter number используется для автоматической калибровки в инверсных моделях PEST или UCODE, с использованием параметра Recharge Flux IR (см. PEST > Parameter List... или UCODE > Parameter List.) Отметим, что несмотря на то, что эти величины задаются для каждой вертикальной колонки ячеек сетки, с помощью Data Editor можно перемещаться в нижние слои и просматривать их настройки.

 

 

MODFLOW использует IR для вычисления объема внешнего питания пласта (QR [L^3/T]) следующим образом:

 

QR = IR · DELR ·  DELC

 

здесь DELR · DELC – площадь ячейки модели. Расход питания QR вычисляется для каждой ячейки внутри вертикальной колонки ячеек. В простейшем случае уровень грунтовых вод расположен в верхнем слое, и массив Recharge Flux IR рассчитывается для этого горизонта. В случае пересечения водной поверхностью границы слоев могут возникать вычислительные проблемы. Для их решения в пакете Recharge предусмотрены три опции, уточняющие условия питания для ячеек вертикальной колонки модели

 

1. Питание применяется  только для верхнего слоя сетки.

2. Вертикальное распределение  питания уточняется в массиве  индикаторов IRCH  (Layer Indicator array) где слои с питанием определяются непосредственно.

3. Питание автоматически определяется программой только для верхней активной ячейки каждой вертикальной колонки. В случае, если эта колонка попадает на границу первого рода, в питании гидрогеологической системы она не участвует.

 

 

Reservoir (RES1) /

 

The Reservoir package (Fenske et al., 1996) simulates leakage between a reservoir and an underlying ground-water system as the reservoir area expands and contracts in response to changes in reservoir stage.

 

Меню  Models | MODFLOW | Reservoir

 

Пакет Reservoir package (искусственный водоем, далее водохранилище) разработан для случаев, когда водохранилища заметно превышают по площади размеры ячеек модели. Используя данный пакет, можно моделировать более одного водохранилища. Площадь, заполненная водой конкретного водохранилища, идентифицируется путем присвоения номера этого водохранилища каждой ячейке модели.

 

Параметры водохранилища задаются с помощью диалогового окна Reservoir Package. Data Editor присваивает следующие значения ячейкам модели:

 

Reservoir Number IRES, номер водохранилища

Land-surface elevation of the reservoir BRES [L], отметка поверхности земли для водохранилища,

Vertical hydraulic conductivity of the reservoir bed HCres [L/T], вертикальный коэффициент фильтрации для ложа водожранилища,

Thickness of the reservoir bed Rbthck [L], мощность ложа,

Layer Indicator IRESL [-] индикатор слоя,

Parameter Number [-], номер параметра.

 

Parameter number используется при автоматической калибровке модели.

 

Отметка водной поверхности водохранилища задается в диалоговом окне Stage-Time Table of Reservoirs (см. ниже). Отметка дна водохранилища на площади потенциального затопления обычно определяется как средняя отметка дневной поверхности на данной площади. В ячейках, где отметка дна превышает превышает отметку дневной поверхности на данной площади, the reservoir boundary is activated. Аналогично, там где reservoir stage ниже дневной поверхности, the reservoir boundary is not activated. If reservoir stage drops below the lowest land-surface elevation for all cells within the specified reservoir area, water exchange is not simulated between the reservoir and нижележащих водоносных гороизонтов.

 

В активных ячейках водообмен между поверхностными и подземными водами вычисляется так же как в пакете River. Пакет Reservoir хорошо подходит для случаев, когда приток или отток из reservoirs является значительным компонентом в балансе подземной водоносной системы. Однако, if reservoir stage is unknown, then a more complex conceptualization would be needed in which reservoir stage would be computed as part of the simulation rather than having stage be specified as model input. Для reservoirs с неизвестным значением stage, a program that computes the stage in lakes based on inflows and outflows has been written by Cheng and Anderson (1993).

 

Для моделирования перетока между reservoir и подземными водами используют три режима (рамка Connection option). В первом случае моделируется переток только в первый слой; во втором случае — переток в верхнюю активную ячейку; в третьем моделируется переток в указанный слой для каждой активной ячейки (массив IRESL). Inherent in the simulation of reserviors is that the reservoir only partially penetrates an active model cell. Если reservoir полностью вскрывает ячейку, моделируется переток в нижележащие ячейки, через дно reservoir и поверхность нижерасположенных ячеек модели.

 

Переток между reservoir и нижележащим водоносным горизонтом моделируется в каждой ячейке модели corresponding to the inundated area путем умножения разности напоров на гидравлическую проводимость основания reservoir bed. Hydraulic conductance of the reservoir bed is given by eq. 3.16.

 

 

CRES = HCres · DELC(I) · DELR(J) / Rbthck     (3.16)

 

где DELC(I) — ширина ячейки модели в направлении I, (по строке) DELR(J)— ширина ячейки в направлении J.

 

Мощность основания Reservoir is subtrated from the land-surface elevation of the reservoir to obtain the elevation of the base of the reservoir-bed sediments. При вычислении величины перетока используется отметка основания reservoir-bed sediments. В том случае, когда напор в водоносном горизонте выше base of the reservoir-bed sediments, переток QRES [L^3/T] из или в водоносный горизонт вычисляется по уравнению 3.17.

 

QRES = CRES (HRES - h)    (3.17)

 

где HRES reservoir stage [L] и h — напор в водоносном горизонте[L]. В случае, если h ниже отметки основания reservoir-bed sediments, переток вычисляется по формуле:

 

QRES = CRES (HRES - HRESBOT)

 

где HRESBOT отметка основания reservoir-bed sediments [L].

 

To specify the stages of reservoirs

 

1. Щелкните кнопку Stage диалогового окна Reservoir Package. На экране появится диалоговое окно Stage-Time Table of Reservoirs.

2. Выберите номер reservoir (в строке) в первой таблице. Этот номер соответствует номеру IRES. Столбец description предназначен для комментариев.

3. Введите время наблюдения и соответствующее stage во вторую таблицу.

 

Время наблюдения измеряется

 

The observation time  is measured from the start of the model simulation, to which the measured stage pertains.

 

 

Пакет Reservoir требует ввода начальной и конечной stages для каждого периода возмущения. Эти величины автоматически определяются линейной интерполяцией по данным, введенным в диалоговое окно Stage-Time Table of Reservoirs. If the starting time or the ending time is beyong the latest observation time, the latest observed stage will be used.

 

Reservoir stage используется для того, чтобы определить, активирована ли reservoir boundary для ячейки модели в начале каждого шага по времени. The reservoir stage для каждого шага по времени, once again, определяется линейной интерполяцией по начальной и конечной stages для каждого периода возмущения. The interpolated reservoir stage corresponds with the simulation time at the end of a model time step.

 

River / река

 

Меню Parameters | Models | MODFLOW

 

 

 

The Streamflow-Routing package (Prudic, 1988) was designed to account for the amount of flow in streams and to simulate the interaction between surface streams and groundwater.

 

 

Пакет River используется для моделирования водообмена между водоносными горизонтами и поверхностными водами, такими как реки, озера и reservoirs. Они задаются в данном пакете с помощью следующих величин:

 

Hydraulic conductance of the riverbed CRIV [L^2/T] / Гидравлическое …выа… ложа водоема

Head in the river HRIV [L], and  / уровень воды в реке

Elevation of the bottom of the riverbed  RBOT [L] / уровень дна

Parameter Number [-] / номер параметра

 

После ввода этих величин они отображаются слева направо в строке состояния. Номер параметра необходим при автоматической калибровке с помощью моделей PEST or UCODE.  Для моделирования нестационарной фильтрации с различными периодами возмущения, для каждого такого периода эти величины могут меняться. Если уровень в реке выше чем RBOT, объем перетока из реки в водоносный горизонт рассчитывается по уравнению 3.19.

 

QRIV = CRIV ·  (HRIV - h)               h>RBOT        (3.19)

 

В случае если h больше HRIV, QRIV становится отрицательным, т.е. вода изымается из водоносного горизонта. Если h опускается ниже дна, фильтрация через дно вычисляется по уравнению 3.20.

 

QRIV = CRIV · (HRIV - RBOT)       h<= RBOT     (3.20)

 

Величина CRIV в ячейке, имитирующей реку, часто представляется в виде:

 

CRIV = (K · L · W) / M             (3.21)

 

где K – коэффициент фильтрации материала, складывающего дно, L – длина реки в пределах ячейки, W – ширина реки и M – мощность ложа реки. Если параметр CRIV неизвестен, его необходимо определять в процессе калибровки модели.

 

Streamflow-Routing (STR1) /

 

Меню Parameters | Models | MODFLOW

 

Данный пакет разработан для

The Streamflow-Routing package (Prudic, 1989) is designed to account for the amount of flow in streams and to simulate the interaction between surface streams and groundwater. Streams are divided into segments and reaches. Each reach corresponds to individual cells in the finite-difference grid. A segment consists of a group of reaches connected in downstream order. Streamflow is accounted for by specifying flow for the first reach in each segment, and then computing streamflow to adjacent downstream reaches in each segment as inflow in the upstream reach plus or minus leakage from or to the aquifer in the upstream reach. The accounting scheme used in this package assumes that streamflow entering the modelled reach is instantly available to downstream reaches. This assumption is generally reasonable because of the relatively slow rates of groundwater flow.

 

Streamflow into a segment that is formed from tributary streams is computed by adding the outflows  from the last reach in each of the specified tributary segments. If a segment is a diversion, then the specified flow into the first reach of the segment is subtracted from flow in the main stream. However, if the specified flow of the diversion is greater than the flow out of the segment from which flow is to be diverted, then no flow is diverted from that segment.

In the Data Editor, you can press the right mouse button and specify the following required cell values in the Streamflow-Routine Package dialog box (Fig. 3.23). The specified cell values will be shown from left to right on the status bar.

 

 

 

· Segment is a number assigned to a group of reaches. Segments must be numbered in downstream order. The maximum number allowed in PMWIN is 25.

· Reach is a sequential number in a segment that begins with one for the farthest upstream reach and continues in downstream order to the last reach in the segment. In PMWIN, you can only assign one reach to a model cell, although the Streamflow-Routing package allows the user to assign more than one reach in different segments to the same model cell. Refer to the documentation of the Streamflow-Routing package (Prudic, 1989) for more information about the numbering scheme.

 

· Streamflow [L^3/T] is the streamflow entering a segment. This value is specified only for the first reach in each segment. The value is either a zero or a blank when the reach number (Reach) is not 1. When inflow into a segment is the sum of outflow from a specified number of tributary segments, the segment inflow values are specified as -1.

· Stream Stage [L] is the head in the stream.

· Streambed hydraulic conductance CSTR, Elevation of the Streambed Top and Elevation of the Streambe Botton are used to calculate leakage to or from the aquifer through the streambed. CSTR is calculated in the same way as CRIV of the River package, see eq. 3.21.

 

· Width of the Stream Channel, Slope of the Stream Channel and Manning's roughness coeff. n/C are used only when the option Calculate stream stages in reaches is checked. The cross-sectional shape of the stream channel is assumed to be rectangular. Slope of the Stream Channel is the slope of the stream channel in each reach. Manning's roughness coeff. n/C is a value resulting from the Mannings’ roughness coefficient n divided by a conversion factor C. Some of the experimental values of the Manning's roughness coefficient can be found in the documentation of the Streamflow-Routing package. The value of the conversion factor C depends on the length and time units of your model.

 

 

 

 

 

· Stream Structure describes the configuration of the stream system. Each row in the table (Fig. 3.23) represents a stream segment in the model. Each segment can have up to 10 tributary segments. The numbers of the tributary segments are specified in the columns 1 to 10. The column Iupseg is the number of the upstream segment from which water is diverted. For a segment that is not a diversion, Iupseg must be specified as zero. Iupseg is used only when the option Simulate diversions from segments is checked. The values in Fig.3.24 indicate that segment 2 is diverted from segment 1, segment 1 is a tributary segment of segment 3, and segments 2 and 4 are tributary segments of segment 5. The configuration of the stream system is shown in Fig. 3.25.