Программный комплекс PMWIN

 

 

Пакет «Питание» («Recharge» (RCH1))

Пакет Recharge разработан для моделирования площадного питания подземных вод. Питание определяется заданием следующих данных в блоки модели в диалоговом окне Recharge:

- интенсивность питания IR [L/T]

- индикатор слоя IRCH

Заданные значения IR  и IRCH показаны в строке состояния Редактора Данных. Заметьте, что хотя эти данные определяются для каждого вертикального столбца блоков, вы можете переходить к другим слоям внутри Редактора Данных для просмотра строения сетки в каждом слое.

MODFLOW использует IR для расчета расхода  питания QR применительно к блоку  модели:

QR = IR  · DELR ·  DELC,

где DELR ·  DELC - площадь блока модели. Расход питания QR относится к одному блоку внутри вертикальной колонки блоков. Нет нужды учитывать питание на различных глубинах одной и той же вертикальной колонки блоков, потому что на самом деле питание поступает в подземные воды на уровень воды. В простейшей ситуации уровень воды расположен в верхнем слое модели. Верхний слой обозначается как безнапорный и массив IR определяется для этого слоя. Проблемы могут возникнуть, когда уровень воды пересекает слои. Для решения проблем такого типа пакет предоставляет три опции для задания блока в каждой вертикальной колонке блоков, которые получают питание:

1. Питание происходит только  в верхний слой сетки

2. Вертикальное распределение питания  определяется массивом "Индикатор  слоя". IRCH определяет слой, куда  поступает питание.

3. Питание относится к самому верхнему активному блоку каждой вертикальной колонки. Пользователь при этом не имеет представлений, в какой слой поступает питание. Соответствующий слой автоматически выделяется пакетом. Если самый верхний активный блок является блоком с постоянным напором, то питание будет перехвачено и не пропущено вниз.

 

 

Пакет «Эвапотранспирация» («Evapotranspiration» (EVT1))

Пакет моделирует влияние транспирации растительностью и прямое испарение подземных вод из зоны полного насыщения. Пакет требует задания следующих данных в каждый блок с эвапотранспирацией в соответствующем диалоговом окне:

- Максимальная интенсивность ЕТ - RETM [L/T]

- Высотная отметка поверхности ET - hs

- Глубина прекращения ЕТ - d

- Индикатор слоя

Заданные значения показываются в строке состояния.

  Пакет основывается на следующих допущениях:

1. Когда уровень воды совпадает  или выше отметки поверхности ET hs, потери на эвапотранспирацию  равны максимальной интенсивности RETM

2. Эвапотранспирация отсутствует, когда глубина уровня воды, расположенного  ниже отметки поверхности ЕТ, превышает глубину прекращения  ЕТ d

3. Между этими двумя экстремальными  значениями эвапотранспирация изменяется  линейно в соответствии с высотой  уровня подземных вод.

 

Эти допущения могут быть выражены уравнением:

RET = RETM h>hs

RET = 0 h<hs - d

RET = RETM · { [d - (hs - d)] / d } (hs - d ) <=  h <= hs

где RET [L3/L2/T] - расход эвапотранспирации на единицу площади поверхности подземных вод (интенсивность) и h - напор водоносного горизонта. Расход потока эвапотранспирации (QET [L3/T]), вышедший из блока модели, равен:

QET = RET  ·  DELR · DELC

 

где DELR · DELC - площадь блока. QET выходит только из одного блока в вертикальной колонке. Пакет обеспечивает две опции для задания блока в каждой вертикальной колонке, откуда происходит эвапотранспирация:

1. ЕТ всегда происходит из  верхнего слоя модели

2. Вертикальное распределение ЕТ  определяется массивом "Индикатор  слоя", который показывает, откуда  происходит ЕТ.

В обоих случаях QET не оказывает влияние на моделирование, если указанные блоки или неактивны, или являются блоками с постоянным напором. Вы можете выбрать опцию в соответствующем диалоговом окне EVT1. Массив индикатора слоя нужен, только когда используется вторая опция.

 

 

 

Пакет «Барьер для горизонтального потока» («Horizontal-Flow Barrier» (HFB1))

Пакет (Hsieh and Freckleton, 1993) моделирует тонкие слабопроницаемые геологические объекты, такие как вертикальные сбросы или глинистые стенки, которые задерживают горизонтальный поток подземных вод. Эти геологические объекты аппроксимируются серией барьеров, расположенных на границах между парами соседних блоков конечно-разностной сетки.

Барьер определяется заданием следующих значений в блоки модели в соответствующем диалоговом окне:

- Направление барьера

- (гидравлическая проводимость  барьера / его мощность) - это TDW [1/T].

«Направление барьера» указывает на грань блока, где расположен барьер. Для удаления существующего барьера используется "ноль" для величины «направление барьера». Второе значение TDW дает гидравлическую характеристику барьера. В этом пакете мощность барьера включена в TDW по умолчанию. В слоях типа 1 или 3 TDW будет использоваться пакетом напрямую. Если слой напорный (тип 0 или 2), однако, PNWIN вводит в пакет произведение TDW и мощности слоя. В этом случае вы должны определить высотную отметку кровли и подошвы этих слоев, хотя эти высоты не всегда требуются для моделирования напорных слоев.

По поводу численной реализации этого пакета обращайтесь к Hsieh and Freckleton (1993).

 

 

Пакет «Емкость прослоя» («Interbed Storage» (IBS1))

Для моделирования стационарной фильтрации пункт меню "Interbed Storage (IBS1)" не используется и не определяется. Пакет "Емкость прослоя" (Leake and Prudic, 1991) моделирует упругие и неупругие деформации сжатия тонкозернистых пластов, возникающих вследствие извлечения подземных вод. Термин "interbed" ("прослой") используется для обозначения слабопроницаемых слоев внутри относительно проницаемого водоносного горизонта.

Заказать вычисление емкости прослоя можно, установив соответствующий флажок на "Yes" в диалоговом окне "Настройка слоя". Данные, требующиеся для работы пакета, определяются с использованием Редактора Данных в диалоговом окне "Interbed Storage":

- Доконсолидационный напор или  доконсолидационное напряжение Hc [L], выраженные в виде напора в  водоносном горизонте. Доконсолидационный  напор - предшествующее (???) минимальное  значение напора в горизонте. Для любых блоков модели, в  которых заданный доконсолидационный напор больше, чем соответствующее значение начального напора, значение доконсолидационного напора будет установлено равному начальному.

- Elastic Storage Factor Sfe [-] для прослоев, присутствующих  в модельном слое

- Inelastic Storage Factor Sfv [-] для прослоев, присутствующих в модельном слое

- Начальная деформация [L]. Значения  деформаций, рассчитываемые пакетом, добавляются к начальной деформации  таким образом, что накопленные  значения деформаций и просадок  земли могут включать предыдущие составляющие (???). Начальные деформации не влияют на подсчет изменений емкости или результирующих деформаций.

Для напорного горизонта упругие деформации сжатия или рястяжения пропорциональны или почти пропорциональны изменениям напора в водоносном горизонте. Пакет использует следующее уравнение для подсчета изменений мощности:

Db = - Dh · Sske · b0 = -Dh · Sfe

где Db [L] - изменение мощности, положительное для сжатия и отрицательное для растяжения; Dh [L] - изменение напора, положительное при его увеличении, Sske [1/L] -  скелетная составляющая упругоемкости (???skeletal component of elastic specific storage), b0 - мощность прослоя, Sfe - определенный пользователем elastic storage factor. Когда сжимаемые тонкозернистые отложения находятся под нагрузкой, превышающей предыдущую максимальную нагрузку (доконсолидационную нагрузку), сжатие становится постоянным (жестким, неупругим - ??? inelastic). По аналогии с приведенным выше уравнением пакет использует следующее уравнение для ориентировочного расчета неупругих деформаций Db* [L]:

Db* =  -Dh ·  Sskv ·  b0 = -Dh · Sfv

где Sskv [1/L] - скелетная составляющая неупругой упругоемкости (???) and Sfv - определенный пользователем inelastic storage factor.

Для безнапорных горизонтов упругое сжатие или расширение пород может быть представлено как

Db = -Dh ·  (1 - n + nw) · Sske · b0 = -Dh · Sfe

где n [-] - пористость и nw [-] - содержание влаги выше уровня грунтовых вод как доля общего объема поровой среды. Подобно этому неупругие деформации могут быть представлены как

Db = -Dh  · (1 - n + nw) · Sskv · b0 = -Dh · Sfv

Для горизонтов с m-количеством прослоев со значениями упругоемкости S1,S2,...,Sm и их мощностями b1,b2,...,bm единичный эквивалент storage factor Ss [-] предложен Jorgenson (1980):

Ss = S1 · b1  + S2 · b2  + ... + Sn · bm

 

 

Пакет «Изменяющийся во времени заданный напор» (Time-Variant Specified-Head (CHD1))

Этот пакет (Leake and Prudic, 1991) позволяет задавать в блоки с постоянным напором различные значения на каждый временной шаг при моделировании нестационарной фильтрации. Соответствующее диалоговое окно используется для задания необходимых этому пакету данных:

- Флажок. Ненулевое значение показывает, что блок определен как граница  с заданным изменяющимся напором.

- Начальный напор hs. Это значение напора в блоке на начало периода возмущения.

- Конечный напор he. Это значение  напора, которое будет задано  в блоке на последнем временном  шаге периода возмущения.

Пакет не изменяет способа, с помощью которого в конечно-разностных уравнениях MODFLOEW формулируются границы с постоянным напором. Пакет присваивает элементу массива IBOUND отрицательное значение для всех блоков, в которых определяется граница с заданным изменяющимся во времени напором (Флажок не равен 0). Заданные напоры постоянны на протяжении временного шага. Пакет производит линейную интерполяцию граничных напоров h для каждого граничного блока с заданным изменяющимся напором, используя уравнение:

h = hs + (he - hs) · PERTIM / PERLEN

где PERTIM - текущее время временного шага в периоде возмущения и PERLEN - длительность всего периода возмущения.

 

 

Пакет «Способность к насыщению» («Wetting capability» (BCF2)) 

Способность к насыщению, реализуемая пакетом "Block-Centered Flow 2" (BCF2; McDonald et al. 1991), позволяет моделировать подъем уровня воды в ненасыщенные (сухие) блоки модели. Этот пакет индентичен пакету BCF1 из первоначального MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988) за исключением насыщения и осушения блоков. В BCF1 блок становится сухим, когда напор ниже отметки подошвы блока. Когда блок становится сухим, IBOUND устанавливается на "0" (неактивный блок или без потока), все значения проницаемости принимаются нулевыми. Блок не мог наполниться снова. В BCF2 сухой блок или неактивный блок может насытиться, если напор на предыдущей итерации в соседнем блоке больше или равен некоему пороговому значению TURNON:

TURNON = BOT + |THRESH|

где BOT - высотная отметка подошвы блока, THRESH - определенная пользователем константа, называемая порогом насыщения. Ненулевое значение THRESH задается для каждого блока, который может быть насыщен. Если THRESH<0, то только блок, расположенный ниже сухого блока, может сделать его насыщенным. Если THRESH>0, то сделать сухой блок насыщенным могут блок, расположенный ниже сухого блока, и четыре смежных по горизонтали блока. Если THRESH=0, то сухой блок или неактивный блок не могут насыщаться.

Только блоки с переменным напором могут привести к насыщению сухого блока. Соседний блок не может стать насыщенным под воздействием блока, который должен стать насыщенным на той же итерации. Когда блок насыщается, IBOUND для блока устанавливается на "1" (что указывает на блок с переменным напором), вертикальные проницаемости устанавливаются на их первоначальные значения, а напор h в блоке устанавливается равным следующему значению:

h = BOT + WETFCT · (hn - BOT)

h = BOT + WETFCT · |THRESH|

где hn - напор в соседнем блоке, который привел к насыщению сухого блока, WETFCT - определенная пользователем константа, называемая "фактор насыщения". Пользователь может выбрать одно из этих двух уравнений в соответствующем диалоговом окне. Диалог также позволяет задавать итерационный интервал для действия механизма насыщения блоков IWETIT. Механизм насыщения работает на каждой итерации интервала IWETIT. Если используется решение PCG2 (Hill, 1990), это применяется к внешним итерациям, но не внутренним. Причина введения IWETIT состоит в том, что насыщение блоков иногда приводит к ошибочным изменениям напоров в соседних блоках на протяжении следующей итерации, которые приведут к ошибочным преобразованиям этих блоков. Эти ошибочные преобразования могут быть предотвращены с помощью ожидания в течении нескольких итераций перед проведением дополнительных преобразований, пока напоры имеют возможность регулироваться (???). Когда IWETIT установлена большей, чем 1, имеется некоторая опасность, что может быть предотвращено правильное преобразование блоков из сухого в насыщенный. Если решение по временному шагу получено менее чем за IWETIT итераций, тогда не будет проверки в течение этого временного шага в случае преобразования блоков из сухих в насыщенные. Вероятность возникновения этой проблемы выше при нестационарном моделировании, когда часто требуется только несколько итераций на временной шаг.

Метод насыщения и осушения блоков, используемый в пакете BCF2, может привести к проблемам, связанным со сходимостью итеративных решений, используемых в MODFLOW. Проблемы сходимости могут возникнуть в MODFLOW даже без рассмотрения насыщения, но наибольшая вероятность их появления при использовании "возможности насыщения". Признаки возникновения этой проблемы - медленная сходимость или несходимость вкупе с частым насыщением и осушением одних и тех же блоков. Нормальным является для одного и того же блока преобразование между насыщенным и сухим блоком несколько раз в течение процесса сходимости, но частые преобразования - показатель наличия проблем. Пользователь может выявить эту ситуацию путем исследования файла OUTPUT.DAT; сообщение печатается каждый раз, когда преобразовывается блок. Обращайтесь к документации по пакету для выяснения, как решать проблемы со сходимостью. В качестве отправной точки можно принять, что ситуация возникает там, где происходит колебание реального решения. Например, если откачивающая скважина приводит к спаду, при котором происходит осушение блока со скважиной, то скважина будет отключена. Это в свою очередь приведет к подъему уровня и насыщению блока.

 

Пакет «Плотность» («Density» DEN1)

При использовании пакета «Плотность» (Schaars and van Gerven, 1997), плотность воды в пласте может меняться от блока к блоку. При моделировании фильтрации зависящих от плотности потоков будет выполнена адаптация в системе фильтрационных уравнений и рассчитаны напоры (зависящие от плотности). Предполагается, что распределение плотности и межузловой проводимости остается постоянной на протяжении моделирования. Следовательно, пакет может быть использован только в комбинации с пластами типов 0 или 2 (напорные). Пласт, в котором учитывается плотность, должен быть помечен в таблице пункта «Layer Type».