Программный комплекс PMWIN

 

Фильтрационные расчеты (MODFLOW)

При запуске моделирования фильтрации через MODFLOW, PMWIN показывает диалоговое окно (см. в HELP) и опрашивает части программы и другие установки, как описано в приведенном ниже тексте.

 

Версия MODFLOW

Вы должны определить версию и полное имя файла MODFLOW из диалогового окна "Run MODFLOW". PNWIN поддерживает 6 версий MODFLOW (PMWIN, USGS (version 2.6), User's Own and the versions distributed by the Scientific Software Group, the International Ground Water Modeling Center and S. S. Papadopulos & Associates). Должна быть помечена версия PMWIN, если вы используете программу MODFLOW, поддерживаемую ею.

 

Программа MODFLOW

PMWIN автоматически инсталлирует  два варианта MODFLOW в директории pm_home\MODFLOW; где pm_home - корневая директория PMMWIN. Эта версия MODFLOW связана с MT3D и поддерживает такое же количество пакетов, как и USGS MODFLOW (версия 2.6). Разница этих двух вариантов заключается в:

MODFLOW1.EXE связана с MT3D версии 1.x.

MODFLOW2.EXE связана с MT3D96.

Источник программного кода MODFLOW записан в саморазворачивающемся файле MOD.EXE и инсталлируется в pm_home\MODFLOW\SOURCE. Если вам нужен программный код, запустите MOD.EXE для его извлечения. Рекомендуется читать файл Readme.

 

Таблица файлов

PMWIN использует заданные пользователем  данные для образования входных файлов MODFLOW или MODPATH. Столбец «Description» дает имена пакетов, использующихся при моделировании фильтрации. Пути и имена входных файлов показаны в столбце «Destination». PNWIN образует входной файл только если установлен флажок YES в столбце «Generate». Этот флажок переключается между YES и NO простым щелчком по строке. Обычно не надо беспокоится об этом флажке, т.к. PMWIN сам заботится о его установке.

 

ОК

Нажмите ОК для фомирования входных файлов MODFLOW. В дополнении формируется командный файл MODFLOW.BAT в вашей модельной директории. После образования всех необходимых файлов PMWIN открывает окно DOS и запускает файл MODFLOW.BAT в этом окне.

 

 

Настройки

 

Восстановление всех входных файлов для MODFLOW

Вы должны выбрать эту настройку, если входные файлы уничтожены или перезаписаны другими программами, или вы хотите запустить другую модель из поддиректории, где расположена текущая модель.

 

Проверка модельных данных

Если помечено окно флажка "Проверка модельных данных" ("Check the model data") в диалоговых окнах запуска MODFLOW или PEST, то PMWIN проверяет следующие модельные данные и пишет результаты проверки в файл CHECK.LST. Этот файл записывается в той же директории, что и модель.

 

1. Геометрические установки модели (только когда заданы отметки кровли и подошвы слоев)

- Мощность слоев

- Отметки кровли и подошвы  слоев

- Начальные напоры в блоках  с постоянным напором. Если они  ниже, чем подошва слоя, то вместо  того, чтобы перевести такие блоки  в пассивные сухие блоки, MODFLOW пишет сообщение об ошибке в файл записи запуска OUTPUT.DAT и прекращает моделирование.

 

2. Независящие от времени данные (если используются)

- Горизонтальный коэффициент фильтрации  или проводимость: ноль или отрицательные  значения

- Вертикальный коэффициент фильтрации  или коэффициент перетока: ноль или отрицательные значения

-Упругоемкость, упругая емкость, гравитационная  емкость: ноль или отрицательные  значения

- Эффективная пористость: ноль  или отрицательные значения.

 

3. Зависящие от времени данные (если используются)

- Пакет "Река", конфликты:

>с блоками постоянного напора  или пассивными блоками

>отметки речного ложа с  отметкой подошвы блока

>отметки речного ложа с  уровнем реки

- Пакет "Дрена", конфликты:

>с блоками постоянного напора  или пассивными блоками

>отметки дрены с отметкой подошвы блока

- Пакет "Граница с генеральным  напором"

>конфликт с блоками постоянного  напора или пассивными блоками

- Пакет "Круговорот речных вод"

>конфликт с блоками постоянного  напора или пассивными блоками

- Пакет "Скважина"

>конфликт с блоками постоянного напора или пассивными блоками

 

Создать входные файлы без запуска MODFLOW

Выберите эту опцию, если хотите запускать MODFLOW вне WINDOWS.

 

Никогда не создавать файлы MODPATH

Выберите эту опцию, если не будете работать с этой программой.

 

В процессе моделирования фильтрации MODFLOW пишет детальный файл записи запуска OUTPUT.DAT в вашу модельную директорию. Если моделирование фильтрации успешно завершено, MODFLOW пишет результаты моделирования в различные неформатированные (бинарные) файлы. Пользователь может контролировать вывод этих бинарных файлов, выбирая "Output Control>Modflow" из меню "Пакеты".

 

 

 

Экстрактор Результатов (Result Extractor)

Полностью рассмотрен выше в разделе меню «Значение» («Value»).

 

 

Калькулятор Водного Баланса (Water Budget Calculator)

Есть ситуации, в которых полезно подсчитывать показатели потока для различных участков модели. Для облегчения таких подсчетов показатели потока для конкретных ячеек записываются в файле path\BUDGET.DAT, где path - директория с вашими модельными данными. Эти потоки конкретных ячеек относятся к показателям потока "от блока к блоку" и бывают четырех типов:

1. Возмущенные потоки от блока к блоку (потоки в или из каждого блока, возникающие под влиянием одного из внешних возмущений (возбуждений), представленных в модели, таких как откачивающая скважина или питание
2. Показатели емкости от блока к блоку, которые дают величины накопления или истощения емкости в каждом блоке
3. Показатели постоянного напора потока от блока к блоку, которые дают сеточные потоки в или из каждого блока с постоянным напором
4. Внутренние потоки от блока к блоку, которые являются потоками через грани каждого блока - между соседними блоками модели.

 

Калькулятор Водного Баланса использует показатели потока "от блока к блоку" для расчета водного баланса всей модели, определенных пользователем областей и потоков между соседними областями.

 

Для подсчета водного баланса отдельной области

1. Выберите "Water Budget" из меню "Запуск" ("Run"). Появляется соответствующее диалоговое окно. Задайте период возмущения и временной шаг в "Time Group", для которых будет рассчитываться баланс. При моделировании стационарной фильтрации нет необходимости изменять установки в "Time Group".

2. Щелкните "Zones". Появится Редактор Данных.

3. С его использованием определите зоны. Зона - это область модели, для которой рассчитывается баланс. Зона обозначается номером зоны в пределах от 0 до 50. Номер зоны должен быть задан каждому модельному блоку. Номер зоны 0 показывает, что блок не связан с какой-либо зоной.

4. После определения зон выйдите  из Редактора.

5. Щелкните ОК в диалоговом  окне "Water Budget".

PMWIN рассчитает и запишет потоки в файл path\WATERBDG.DAT. Единица измерения потока [L3/T]. Поток рассматривается как "IN", если он приходит в зону. Потоки между областями даются в матрице потоков.

Водный баланс подсчитывается для каждой зоны в каждом слое на каждый временной шаг. HORIZ.EXCHANGE дает потоки, идущие горизонтально через границы зон. EXCHANGE (UPPER) или EXCHANGE (LOWER) дают потоки, которые выходят или приходят в/из вышележащего и в/из нижележжащего соседних слоев. Невязка рассчитывается как

100 · (IN - OUT) / (IN + OUT) / 2. Обращайтесь к  разделу 2 Руководства PMWIN для примера.

 

 

Рекомендации по работе с программным комплексом MODFLOW,

предназначенным для решения различных гидрогеологических задач.

 

1. Введение

 

Первая версия программы MODFLOW-88 (McDonald and Harbaugh) была выпущена 16 лет назад сотрудниками Геологической службы США (United States Geological Survey, USGS). Это была чисто «гидродинамическая» программа, предназначенная для решения различных уравнений в частных производных, описывающих процесс геофильтрации, численными методами на трехмерной конечно-разностной сетке. Она позволяла моделировать скважины, реки, дрены, различные гидродинамические границы, а также инфильтрацию и перетекание. 

 

Так как программа была опубликована на сайте USGS в свободном доступе (free software) в исходных кодах, в ее развитии и дополнении приняло участие большое количество специалистов. Поэтому в настоящее время данная программа превратилась в комплекс программных пакетов, который является, по-видимому, наиболее востребованным в гидрогеологии программным обеспечением.

 

2. Общее описание комплекса

 

Итак, вследствие того, что первоначальная версия программы была опубликована в Интернет в свободном доступе, в ее дальнейшем развитии участвовали многие специалисты. Были написаны различные коды, либо интегрированные в базовую версию, либо способные обмениваться с ней данными через файловую систему. Эти коды называются либо пакетами (packages), либо моделями (models), либо просто программами. При этом неважно, был ли такой код в первоначальной версии MODFLOW, или является дополнительным — для пользователя это безразлично и в названии (пакет, модель, программа) никак не отражается. Каждый такой код предназначается для решения какой-либо специфической задачи. Так, файловой системой пользуются модель PMPATH (Chiang and Kinzelbach, 1994, 1998), которая позволяет прослеживать линии тока и перемещение по ним загрязнений в зависимости от времени; модели массопереноса MT3D (Zheng, 1990) и MT3DMS (Zheng and Wang, 1998), которые позволяют моделировать миграцию компонентов с учетом конвекции, гидродинамической дисперсии и физико-химических процессов (в первом приближении, без учета реальных физико-химических взаимодействий в системе вода-порода); программы PEST (Doherty et al., 1994) и UCODE (Poeter and Hill, 1998), которые позволяют решать задачи оценки параметров.

 

Модель массопереноса MOC3D (Konikow и др., 1996) и модуль для решения обратной задачи MODFLOWP (Hill, 1992) интегрированы в MODFLOW и используют ее алгоритмы для получения собственных сеточных решений.

 

Важным шагом для развития комплекса стало создание графического пользовательского интерфейса PMWIN (W.-H. Chiang и W Kinzelbach, 1991), который позволил удобным образом вводить данные, обрабатывать результаты моделирования а также использовать некоторые дополнительные инструменты, такие, как извлечение данных (напоры, расходы, концентрации и т.д.) из файлов MODFLOW и преобразование их в файлы стандартных форматов, например, для программы Surfer, создание графиков и презентаций (например, построение карт в изолиниях, в т.ч. и с наложением на топокарты) внутри самого интерфейса, расчет водного баланса модели и др. Ниже в текущем разделе приводится краткое описание возможностей PMWIN.

 

Графический пользовательский интерфейс позволяет работать с встроенными в оригинальную версию MODFLOW пакетами  Drain (дрены), Evapotranspiration (эвапотранспирация), General Head Boundary (границы первого рода), Recharge (площадное питание, в т.ч. перетоки), River (реки) и Well (скважины).

 

В настоящее время PMWIN поддерживает восемь дополнительных пакетов, интегрированных с оригинальной MODFLOW. Это Time-Variant Specified-Head CHD1, позволяющий моделировать изменение напоров на различных временных шагах при нестационарном режиме фильтрации, Direct Solution DE45, дополнительный программный «решатель», использующий алгоритм прямого решения (метод Гаусса) исходной системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), Density DEN1, позволяющий моделировать совместное движение жидкостей с различной плотностью, Horizontal-Flow Barrier HFB1 для моделирования гидродинамических барьеров (например, интрузий) у горизонтальных потоков, Interbed-Storage IBS1, моделирующий двойную среду, Reservoir RES1 для моделирования водохранилищ и Streamflow-Routing STR1, позволяющий моделировать русловые потоки, и Wetting Capability BCF2, позволяющий выполнять моделирование подъема воды в «сухие» (не водонасыщенные) слои модели.

 

Перечисленные геофильтрационные пакеты, объединенные в пункте меню Models — MODFLOW, дополняют другие модели. Модель PMPATH позволяет прослеживать линии тока и рассчитывать время движения воды по ним. Она использует метод частиц и полуаналитическое решение. При этом есть возможность исследовать движение частиц вдоль линий токов как вперед, так и назад по времени, в стационарных и нестационарных потоках. Модель позволяет представлять результаты на экран в графическом режиме.

 

Модели МТ3D, MT3DMS и MOC3D предназначены для моделирования процессов массопереноса с учетом конвекции, гидродинамической дисперсии и физико-химических взаимодействий, представленных простейшими математическими моделями, т.е. без учета реальных химических реакций. Используется линейная или нелинейная модели равновесной сорбции и кинетической реакции первого порядка распада/разложения исследуемого компонента. Для всех этих моделей предполагается, что физико-химические процессы не ведут к изменению гидродинамических свойств исследуемой гидрогеологической системы. Все они основаны на предварительном геофильтрационном моделировании с помощью пакета MODFLOW. Модели МТ3D и MOC3D предназначены для моделирования движения одного условного компонента, MT3DMS — для моделирования движения многокомпонентного раствора (MS это аббревиатура слов Multi-Species). Для подавления численной дисперсии используются методы частиц (Эйлера-Лагранжа в MT3D и MT3DMS, метод характеристик в MOC3D). В MT3DMS возможно альтернативное использование конечно-объемного подхода. В этом случае используется неявная процедура решения СЛАУ на основе метода сопряженных градиентов (GCG), что увеличивает скорость решения.

 

Пакеты PEST и UCODE предназначены для интерпретации данных и калибровки модели. Например, если имеются измеренные параметры, с их помощью можно добиться того, чтобы минимизировать возможные противоречия. Оба пакета выполняют такое решение на основе многократного запуска программы MODFLOW, при этом количество запусков осуществляется столько раз, сколько необходимо для определения оптимального набора параметров.

 

В разделе 4 настоящего пособия рассматривается практическая работа с пакетом PMWIN в той его части, которая касается моделирования геофильтрации. Для такого моделирования необходимо освоить пункты меню File (файл) Grid (сетка) Parameters (параметры) основного окна PMWIN, а также вложенного меню Models — MODFLOW.

 

3. Краткий математический анонс

 

Во многих научных и инженерных задачах математическая модель процесса может быть сведена к уравнению вида:

f(x,p1,p2......,pn) = 0

где f - заданная функция, x- неизвестная величина, p1,p2.....,pn - параметры задачи. Обычно требуется исследовать поведение решений вследствие изменения параметров уравнения.

Только для простейших уравнений удается найти решение в аналитическом виде, то есть записать формулу, выражающую искомую величину в явном виде через известные параметры. Чаще приходится использовать приближенные, или иначе, численные методы решения. Иногда используется также термин "методы вычислительной математики". Классификация математических моделей по относительной сложности и возможности аналитического решения приведена в табл. 1.

Таблица 1

	Линейные уравнения			Нелинейные уравнения
Уравнение	Одно	Несколько	Много	Одно	Несколько	Много
Алгебраическое	Тривиально	Легко	Обычно невозможно	Очень трудно	Очень трудно	Невозможно
Обыкновенное дифференциальное	Легко	Трудно	Обычно невозможно	Очень трудно	Невозможно	Невозможно
В частных производных	Трудно	Обычно невозможно	Невозможно	Невозможно	Невозможно	Невозможно