Введение в моделирование подземных вод с помощью Visual MODFLOW Flex

Введение в моделирование подземных вод с помощью Visual MODFLOW Flex!

Модели подземных вод - это компьютерные модели, которые обеспечивают упрощенное представление процессов, происходящих в естественной среде подземных вод. Модели - это инструменты, используемые гидрогеологами для моделирования и прогнозирования условий водоносного горизонта. Далее будут рассмотрены следующие темы:

Обзор моделирования подземных вод;
Что такое MODFLOW;
Что такое Visual MODFLOW (Flex и Classic);
Примеры.

Обзор моделирования подземных вод.

Модель подземных вод может помочь вам сделать прогноз поведения системы подземных вод:

Достаточно ли воды для водоснабжения - для работы или потребления?
Каково потенциальное воздействие откачки на природную среду (окружающие частные/общественные колодцы, реки, озера, ручьи и водные среды обитания)?
Что произойдет, когда подземные воды будут закачиваться или выкачиваться в указанных скважинах?

С точки зрения качества воды важно знать, будет ли качество подземных вод соответствовать целевым назначениям (питьевое, ирригационное, промышленное использование и т. д.). Важно определить и понять источники загрязнения, реальные или потенциальные, как смягчить воздействия. Источники загрязнения, которые угрожают запасам подземных вод, включают в себя:

Химические разливы, негерметичные подземные резервуары для хранения (USTs);
Проникновение свалки;
Вторжение соленой воды;
Септические системы;
Проникновение в грунтовые воды от пестицидов, удобрений, дорожной соли и др.

Без моделей подземных вод было бы невозможно оценить все природные процессы, которые влияют на гидрогеологический проект из-за следующих сложностей:

физические процессы, происходящие в гидрогеологической среде;
пространственное распределение свойств и границ;
временная природа системы потока.

После того, как модель подземных вод была разработана и откалибрована, она может использоваться для оценки/постановки вопросов «Что если?!», как гидрогеологическая система реагирует на изменения конструкции в будущем. Например, вы можете добавить отдельную модель грунтовых вод (например, добавление насосных и нагнетательных скважин, инфильтрационных галерей, стенок для отвода раствора, дренажных стоков и т. д.) к общей модели, чтобы имитировать их воздействие на гидравлические потоки до того, как они когда-либо построятся в полевых условиях, обеспечивая значительную экономию времени и средств.

Как система подземных вод представлена в компьютерной модели?

Модель подземных вод может включать все эти сложности и оценивать различные варианты и будущие условия. Когда вы разрабатываете модель подземных вод, необходимо преобразовать физический мир в программу моделирования. Геология становится гидрогеологическими параметрами, такими как проводимость и упругоёмкость пласта. Гидрологические границы, которые влияют на систему потока подземных вод, известны как граничные условия в модели и включают области пополнения, реки, озера, колодцы и т. д. В физическом мире у вас есть полевые наблюдения, такие как уровни подземных вод, потоки или концентрации загрязняющих веществ, и они используются для калибровки модели, делая модель наиболее близко совпадающей с тем, что наблюдается в реальном мире.

Чем лучше вы можете представить физический мир в модели подземных вод, тем более надежными могут быть прогнозы.

Модели подземных вод можно использовать для:

Оценить скважинные системы и водные ресурсы (дебит, просадка, помехи,…);
Определить зоны захвата/зоны защиты устья скважины (WHPA);
Оценка воздействия на окружающую среду от обезвоживания шахт;
Оценить количество воды и проблемы качества воды на рудниках;
Оценка воздействия загрязненных участков (промышленных площадок, негерметичных ЕСН, разливов);
Оценка воздействия загрязнения с полигонов;
Разработка/оптимизация корректирующих решений для загрязненных подземных вод;
Оценка и смягчение последствий проникновения соленой воды в прибрежные водоносные горизонты;
Осушение для строительства и раскопок;
Оценить движение тепла в недрах и потенциал геотермальной энергии;
Моделирование судьбы и транспорта нитратов из септических систем, сточных вод и сельскохозяйственной практики.

Какие типы моделей подземных вод доступны?

Существуют различные численные компьютерные модели подземных вод: конечная разность, конечный элемент и конечный объем. Более подробную информацию о каждом из них можно найти ниже:

Что такое MODFLOW?!

MODFLOW был разработан Геологической службой США (USGS). Эта трехмерная (3D) конечно-разностная модель подземных вод. MODFLOW считается международным стандартом для моделирования и прогнозирования условий подземных вод и взаимодействия подземных вод с поверхностными водами. MODFLOW используется уже более 30 лет и широко принят за его простоту использования и гибкость в работе с другими программами. Код разработан в FORTRAN и выполняется в окне DOS, принимая различные текстовые файлы в качестве входных данных, и генерирует как текстовые, так и двоичные выходные файлы.

Со времени первого выпуска MODFLOW в 1980-х годах код MODFLOW и его возможности получили множество улучшений. Наиболее широко используемые версии приведены ниже:

MODFLOW-2000;
MODFLOW-2005;
SEAWAT;
MODFLOW-LGR;
MODFLOW-NWT;
MODFLOW-USG;
MODFLOW-SURFACT (Запатентованная версия, разработанная HydroGeoLogic, Inc (HGL).

Дополнительные программы и утилиты для MODFLOW.

MODFLOW рассчитывает гидравлические напоры и скорость Дарси. Дополнительные программы и утилиты были разработаны для работы с результатами MODFLOW и «восполнения» дополнительных пробелов в проектах моделирования подземных вод. Наиболее часто используемые из них перечислены ниже:

ZONEBUDGET

Субрегиональные потоки запаса - это анализы водного запаса, которые завершаются в части исследуемой области, чтобы охарактеризовать вклад каждого компонента гидрологического цикла в здоровье системы. Они выполняются в составе:

подводный анализ;
исследования воздействия качки на течение потока;
определение потоков через административные границы;
присвоение прав на воду;
анализировать скорость утечки;
определение содержания загрязняющих веществ в скважинах, ручьях и т. д.

ZONEBUDGET - это численная модель, которая рассчитывает субрегиональные водные запасы для определенных пользователем «зон» в моделировании MODFLOW. Зона - это просто многоугольник ячеек MODFLOW, которые объединены в общий блок ячеек. Белый - это значение по умолчанию (Зона 1), синий (Зона 2), зеленый (зона 3)и т.д. MODFLOW предоставляет условия потока по ячейкам в выходном файле * .FLO (двоичный формат). ZoneBudget использует термины потока данного файлв чтобы табулировать данные запаса для каждой зоны.

Применение ZONEBUDGET, MODFLOW и Visual MODFLOW для оценки водных ресурсов.

MODPATH

MODPATH - это пакет пост-обработки для отслеживания частиц, разработанный для вычисления трехмерных путей потока с использованием результатов моделирования стационарного/переходного режимов MODFLOW. MODPATH помогает концептуализировать и количественно определить области источника воды, поступающей в систему потока, и области сброса для потока, выходящего из системы подземных вод (а также всех промежуточных точек). MODPATH использует полуаналитическую схему отслеживания частиц, которая позволяет получить аналитическое выражение пути потока частиц в каждой ячейке сетки конечных разностей на основе напоров из моделирования MODFLOW, которые рассчитываются численно.

Реальные применения MODPATH и Visual MODFLOW для разграничения областей защиты устья скважины

MT3DMS

MT3DMS - это модульная трехмерная транспортная модель, которая имитирует трехмерный адвективно-дисперсионный транспорт растворенных веществ в подземных водах. Он связан с выходом MODFLOW с помощью пакета LMT. MT3D был разработан Chunmiao Zheng в S.S. Papadopulos (1990). MT3DMS может моделировать реактивный ТРАНСПОРТ растворенных в подземных водах веществ, включая следующие общие проблемы: растворенные шлейфы, простой реактивный транспорт, нагнетательные скважины, лагуны для отходов, свалки, разливы загрязняющих веществ, загрязнение неточечными источниками. MT3D не моделирует NAPL, движение NAPL или сложные геохимические реакции (это последнее условие может быть учтено в PHT3D, подробнее см. ниже).

Реальные применения MT3DMS и Visual MODFLOW для предсказания и транспорта на промышленных площадках;
Применение MT3DMS и Visual MODFLOW для транспорта на полигонах;
Моделирование нитратов с использованием MT3DMS и Visual MODFLOW.

RT3D

RT3D - это программа для моделирования реактивного мультивидового массового передвижения в трехмерных подземных водоносных горизонтах. RT3Dv1.0 был впервые разработан P. T. Климентом в 1997 году для Мемориального института Баттелла, Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, и впоследствии был передан в общественное достояние и быстро стал общепринятым стандартом для реактивного моделирования движения. К сожалению, код был основан на MT3Dv1.5 и не включал в себя многие из новых технологий решателей, реализованных в MT3DMS. В результате применение RT3D всегда сдерживалось чрезмерно медленным временем выполнения.

Приложения RT3D и Visual MODFLOW для восстановленных площадок

PHT3D

PHT3D является многокомпонентной транспортной моделью для трехмерного реактивного транспорта в насыщенных пористых средах. Он объединяет две существующие и широко используемые компьютерные программы: модель транспорта для растворенного вещества MT3DMS (v5.1, Zheng and Wang, 1998) и геохимический код USGS PHREEQC-2 (v2.9, Parkhurst and Appelo, 1999). Связанная модель образует мощную и всеобъемлющую трехмерную реактивную многокомпонентную транспортную модель (Prommer et al., 2003), которая может обрабатывать широкий спектр равновесных и кинетически контролируемых биогеохимических процессов, включая водное комплексообразование, окислительно-восстановительные реакции, осаждение минералов/реакции растворения и ионного обмена.

PEST

PEST (Parameter ESTimation) - является стандартным программным пакетом для оценки параметров и анализа неопределенности сложных экологических и других компьютерных моделей». PEST - это больше, чем просто программа, но поставляется с глубоким набором служебных программ, которые позволяют использовать программу в сочетании с моделями подземных вод, такими как MODFLOW.

Подробнее о том, как работает PEST в VMOD Flex;
Вебинар PEST (в Visual MODFLOW Flex);
Сайт PEST.

Что такое Visual MODFLOW (Flex и Classic)?!

Входные файлы, которые требуются в USGS MODFLOW для запуска имитации потока подземных вод, представляют собой серию текстовых файлов, которые описывают все атрибуты предметной области, включая измерения, свойства и границы между ячейками. MODFLOW читает эти текстовые файлы и использует их для расчета гидравлического напора в каждой активной ячейке сетки с конечными разностями. Тот факт, что эти входные файлы представляют собой текстовые файлы, затрудняет и отнимает много времени для непосредственного использования MODFLOW USGS для создания модели подземных вод. Это привело к разработке графических пользовательских интерфейсов (GUI), включая Visual MODFLOW (VMOD), которые позволяют разрабатывать модели грунтовых вод графически на экране с использованием файлов/наборов данных, общих для гидрогеолога, таких как Excel и базы данных, сетки Surfer, данные AutoCAD и GIS (шейп-файлы и т. д.). Используя Visual MODFLOW, вы импортируете свои наборы данных и графически назначаете размеры ячеек, значения свойств и граничные условия в виде строк, столбцов и слоев, а затем переводите эту информацию посредством Visual MODFLOW в набор входных текстовых файлов MODFLOW, которые выполняются в USGS MODFLOW для генерирования решения по потоку подземных вод. Визуальный графический интерфейс MODFLOW также помогает с последующей обработкой: интерпретация необработанного текста и двоичных выходных файлов, сгенерированных MODFLOW, и создание простых для понимания цветных/контурных карт и диаграмм для анализа и интерпретации результатов модели.

Графический интерфейс Visual MODFLOW также работает с другими «надстройками» программ FORTRAN (упомянутые выше вспомогательные программы) для MODFLOW, упрощая генерацию входных файлов и анализ результатов.

Что такое Visual MODFLOW Classic?

Первая версия Visual MODFLOW «Classic» была выпущена в 1994 году и использует строго «численный подход» к моделированию подземных вод (проектирование сетки MODFLOW и присвоение параметров модели этой сетке). На протяжении многих лет этот подход приводил к ряду разочарований для разработчиков моделей, поскольку он ограничивал возможность изменять/уточнять сетку числовой модели по мере изменения целей моделирования, что часто требовало часов ручной, утомительной работы и итеративной разработки модели. Благодаря дизайну классический графический интерфейс Visual MODFLOW (VMOD) также работает только с обычными версиями MODFLOW; более расширенные версии, включающие локальное уточнение сетки (LGR) и неструктурированные сетки (USG), не поддерживаются.

Что такое Visual MODFLOW Flex?

В визуальном MODFLOW «Flex» графический интерфейс (GUI) представлен концепцией Концептуального подхода к моделированию, которая значительно улучшает опыт моделирования, предоставляя большую гибкость для адаптации численных моделей при изменении целей. Входные данные для модели подземных вод спроектированы в концептуальной модели с использованием различных 2D- и 3D-форм с атрибутами. Поскольку объекты концептуальной модели не привязаны к конкретной сетке (или схеме) числовой модели, это позволяет легко изменять числовую модель по мере необходимости. VMOD Flex GUI также предоставляет аналогичный набор возможностей численного моделирования, который доступен в VMOD Classic.

Дополнительно:

Visual MODFLOW Flex: скачать пробную версию;
Преимущества концептуального подхода в моделировании;
10 задач по моделированию, которые стали проще с Visual MODFLOW Flex;
5 способов узнать больше о Visual MODFLOW FLex.

Каковы различия между VMOD Flex и VMOD Classic?

Приобретая лицензию Visual MODFLOW, вы получаете доступ к программе Visual MODFLOW «Classic» и программе Visual MODFLOW «Flex»; Есть некоторые аспекты численного моделирования, которые еще не поддерживаются в VMOD Flex, в основном это программы SEAWAT и RT3D, а также граничное условие Streams.

Дополнительно:

Часто задаваемые вопросы: VMOD Flex и VMOD Classic;
Блог: различия между VMOD Classic и VMOD Flex;
Поддерживаемые пакеты и движки в VMOD Flex и VMOD Classic.

Видео

Visual MODFLOW Flex | Концептуальный подход к моделированию;
Visual MODFLOW Flex | Вводный вебинар;
Visual MODFLOW Flex | Импорт проектов Visual MODFLOW.

Дополнительно:

Посмотрите примеры того, как Visual MODFLOW использовался чтобы:

Оценить скважинные системы и водные ресурсы (дебит, просадка, помехи,…);
Определить зоны захвата/зоны защиты устья скважины (WHPA);
Оценить воздействия на окружающую среду от обезвоживания шахт;
Оценить количество воды и проблемы качества воды на рудниках;
Оценить воздействия загрязненных участков (промышленных площадок, разливов);
Оценить воздействия загрязнения с полигонов;
Разработать/оптимизировать корректирующие решения для загрязненных подземных вод;
Оценить и смягчить последствия проникновения соленой воды в прибрежные водоносные горизонты;
Осушение для строительства и раскопок;
Оценить движение тепла в недрах и потенциал геотермальной энергии;
Моделирование судьбы и транспорта нитратов из септических систем, сточных вод и сельскохозяйственной практики.

Начните с..

Совершенствуйте свои технические знания и станьте экспертом в кратчайшие сроки благодаря огромным ресурсам обучения и поддержки, включая:

Группа пользователей Visual MODFLOW на LinkedIn

Присоединяйтесь к растущему интернет-сообществу пользователей Visual MODFLOW в группе пользователей социальной сети LinkedIn. Сейчас, с более чем 1500 участниками, это одна из крупнейших онлайн-групп по моделированию подземных вод в Интернете. Членство бесплатно и требует только бесплатную учетную запись в LinkedIn.

Посетите группу пользователей в LinkedIn!

ОРИГИНАЛ СТАТЬИ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ..