Создание математической модели системы взаимодействующих скважин в среде программного комплекса 'Processing Modflow'
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
гидрогеологии и инженерной геологии
КУРСОВАЯ
РАБОТА
По
дисциплине:
Математические
методы моделирования в геологии
КУРСОВОЙ
ПРОЕКТ
Тема:
Создание математической модели системы взаимодействующих скважин в среде
программного комплекса «Processing Modflow»
Автор: студентка
гр. РГГ-13
Шитихин К. А./
Проверила:
ассистент
Гребнева А. В.
Санкт-Петербург
2016
год
Оглавление
Введение
Гидрогеологические
условия водозаборного участка
Схематизация
и типизация природных гидрогеологических условий
Методика
создания математической модели
Моделирование
системы взаимодействующих скважин
Заключение
Список
литературы
Введение
Целью
курсовой работы является закрепление и углубление знаний, полученных при
изучении курса «Математические методы моделирования в геологии», моделирование
системы взаимодействующих скважин, получение навыков работы с программой
«Processing Modflow 5.3».
Требуется:
построить
карты гидроизопьез нарушенного фильтрационного потока;
оценить
темпы изменения пьезометрической поверхности под влиянием работы скважин;
определить
прогнозные напоры в скважинах через год после начала эксплуатации водозаборной
системы.
Обработка
данных при создании математической модели системы взаимодействующих скважин
проводилась с помощью программного комплекса “Processing Modflow”.
Данные
для создания математической модели приведены в задании к курсовой работе.
Гидрогеологические
условия водозаборного участка
пьезометрический скважина программый
В
качестве задачи для моделирования рассматривается система двух
взаимодействующих скважин на участке междуречного массива. Напорный водоносный
горизонт имеет постоянную мощность, однороден по фильтрационным параметрам. В
пределах водозаборного участка протекают две реки (Северная и Южная)
гидравлически связанные с водоносным горизонтом. В естественных условиях за
счет разницы в отметке поверхностных вод сформировался фильтрационный поток,
направленный от русла южной реки в сторону северной.
В
пределах междуречного массива проектируется создание водозаборной системы из
двух скважин со сложным режимом эксплуатации. В одной скважине предполагается
проводить водоотбор, а в другой нагнетание.
Рис.
1. План расположения возмущающих скважин
Схематизация
и типизация природных гидрогеологических условий
От
качества типизации и схематизации гидрогеологических условий зависит
достоверность построенной математической модели изучаемого объекта и
выполненных на ней инженерных прогнозов или научных исследований.
Типизация
гидрогеологических условий - представляет собой гидродинамическое районирование
территории с выделением однотипных участков по гидродинамическим особенностям и
возможным расчетным схемам. Они выделяются по общности структуры потока,
условий залегания и гидравлическому состоянию водоносных горизонтов или
комплексов, по общности строения пласта и видам границ и действующих на них
граничных условий.
Модель
- это любой образ, аналог мысленный или установленный изображение, описание,
схема, чертеж, карта и т. п. какого либо объема, процесса или явления,
используемый в качестве его заменителя или представителя. Сам объект, процесс
или явление называется оригиналом данной модели.
Моделирование
- это исследование какого либо объекта или системы объектов путем построения и
изучения их моделей. Это использование моделей для определения или уточнения
характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых
объектов.
Схематизация
гидрогеологических условий - заключается в упрощении природной обстановки и
действующих факторов в пределах выделенных типовых районов и всей исследуемой территории
в целом.
Различают
четыре типа граничных условий:
Граничные
условия I рода - это границы заданных функций напора от времени. И частный
случай - это граница с постоянным напором H = const. Чаще всего граничные
условия I рода применяются для задания внешних границ, про которые достоверно
известно, что уровень на них не зависит от происходящего внутри моделируемой
области (либо этой зависимостью можно пренебречь). Границей I рода может
выступать река, достоверно обладающая хорошей гидравлической связью с
моделируемым водоносным горизонтом.
В
данной курсовой работе применяются граничные условия первого рода для рек.
Граничные
условия II рода - это границы с заданной функцией расхода от времени Q(t). Три
наиболее распространённых частных случая: граница с постоянным расходом Q =
const; непроницаемая граница с расходом Q = 0 и верхняя граница с заданной
величиной инфильтрационного питания, т.е. граница с постоянным расходом.
В
работе граничные условия второго рода использовались для скважин!
Граничные
условия III рода - это границы с заданной линейной зависимостью расхода от
напора Q(t) = H(t). Это наиболее распространённый в природе тип границ.
Удаленные границы первого рода; родники, разгружающиеся через слабопроницаемый
покровный слой; реки со слабопроницаемыми подрусловыми отложениями; озера;
водохранилища - все эти случаи описываются граничными условиями III рода.
Граничные
условия IV рода - отвечает случаю взаимодействия двух разнородных горизонтов.
Здесь напоры H(t) и расходы Q(t) через элементарное поперечное сечение любой
полосы тока с обеих сторон этой границы равны между собой.
Рис.
2. Напорное движение между двумя параллельными реками
Методика
создания математической модели
Первый
шаг в управлении моделирования заключается в создании новой модели
Чтобы
создать модель нужно: (файл)New Model (новая модель)Создаем папку «моделирование» Сохраняем модель под именем
«курсовая»
Задаются
параметры сетки модели:(сетка)Mesh Size (размеры модели)Layers; Number (60;40)Size (20)
Задаются
размер модели:EnviromentCoordinate Systemзадаются размеры в ячейках X2 и Y2
(1200 и 800)ставится галочка в ячейке Display
zones in the cell-by-cell modeвыход из размеров модели (Mesh Size)
в главное меню с сохранением.
Продолжение
задачи параметров сетки модели:(сетка)Layer Type (тип слоев)Type (выбирается тип слоя) (0 -
напорный).
Задаются
граничные условия только I рода. 0 - не расчетные блоки; 1 - активные блоки; -1
- границы I рода. Условий первого рода нет, значит, нужно просто зайти в граничные
условия и выйти с сохранением.(сетка)Boundary Condition (граничные
условия)IBOUND (Modflow), (фильтрация)выход в главное меню с сохранением.
Задается
кровля и подошва расчетного слоя:(сетка)TOP (Top of Layers), (кровля
расчетного слоя; 17)выход в главное меню с
сохранением.(сетка)BOT (Bottom of Layers), (подошва
расчетного слоя; 0)выход в главное меню с сохранением.
Управление
параметрами решения и свойствами ячеек конечно-разностной сетки. Задаются
параметры модели: время, первоначальный напор, горизонтальный коэффициент
фильтрации, вертикальный коэффициент фильтрации, эффективная
пористость.(параметры)Time (время)Simulation Time Unit (задается
размерность измерений - seconds (секунды) Simulation Flow Type (задаем режим:
steady-stay - стационарный)(параметры)IHH (Initial Hydraulic Heads),
(первоначальный напор)задается напор для всей модели
(ValueReset Matrix26 метров); для напора взяли среднее
число между напорами рек Южная - 28 метров и Северная 23 метра;(параметры)HHC (Horizontal Hydraulic
Conductivity), (горизонтальный коэффициент фильтрации) задается напор для всей модели
(ValueReset Matrix26 метров в сутки (м/сут)) (модель) Modflow River
(река) - нажимаем правой кнопкой мыши. Задаем следующие значения для реки
Северная:
Гидравлическая
проводимость подруслового слоя CRIV [L2/T] - 100
Напор
в реке HRIV [L] - 23 метра;
Аналогично
для другой реки.
Начинаем
моделировать:(модель) Modflow RunВерсия
программы - MODFLOW96;
После
успешного завершения вычислений необходимо проанализировать результаты
моделирования и сохранить для тиражирования и дальнейшей интерпретации.
Далее
выбираем режим просмотра результатов моделирования:
Presentation
Для
вывода результатов требуется дополнительная настройка. Следует определить номер
временного шага и вид карты напоров:
Tools Presentation Value Results
extractor Read Apply
Выб
Далее
приступаем к построению карты гидроизопьез: Environment Contours
В
появившемся окне производим следующие действия:(ставим галочку) Restore
Defaults(в столбце level появляются наши данные полученные ранее) Label
Format Fixed
(галочка) ok
Далее
рассчитываем водный баланс:Water Budget
Сохраняем
текстовый файл с расчетом водного бюджета.
Управление
параметрами граничных условий. После решения задачи в естественных условиях,
подключаем скважину для этого делаем следующее:(модель)ModflowWell (скважины)(+) - нагнетание (синий цвет); (-) -
откачка (красный цвет)
Задаем
время:(параметры) Time (время)
Simulation
Time Unit (задается размерность измерений - days (дни) Simulation
Flow Tipe (задаем режим: steady-stay - стационарный, transient - не
стационарный)
Задаем
коэффициент упругоемкости водовмещающих пород
ParametersSpecific
StorageValueReset Matrix
(0,001)
Начинаем
моделировать:(модель) Modflow Run
Tools Presentation Value Results
extractor Read Apply Environment
Contours Visible(ставим галочку)
Restore
Defaults Label
Format Fixed (галочка)
ok
Далее
рассчитываем водный баланс:Water Budget
Моделирование
системы взаимодействующих скважин
При
дальнейшем анализе следует учитывать, что скважина красного цвета является
эксплуатационной, дебит данной скважины составляет 1500 м3/сут, а скважина
синего цвета является нагнетательной, ее дебит составляет 830 м3/сут.
Стационарный
режим.
Стационарный
режим - режим фильтрации в естественных условиях. Режим фильтрации моделируется
без учета времени. Была построена карта гидроизопьез по которой видно, что,
уровни подземных вод уменьшаются с 27 м до 24 м, следовательно, движение потока
происходит с юга на север (рисунок 3).
Рис.3.
Естественные условия
(SUBREGIONAL WATER BUDGET) RUN
RECORDARE CONSIDERED "IN" IF THEY ARE ENTERING A SUBREGIONUNIT OF THE
FLOWS IS [L^3/T]STEP 1 OF STRESS PERIOD 1
=============================================================BUDGET
OF THE WHOLE MODEL DOMAIN:
=============================================================TERM
IN OUT IN-OUT0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00HEAD 0.0000000E+00 0.0000000E+00
0.0000000E+000.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+000.0000000E+00
0.0000000E+00 0.0000000E+000.0000000E+00 0.0000000E+00
0.0000000E+000.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00LEAKAGE 2.1442441E+03
2.1442432E+03 9.7656250E-04DEP BOUNDS 0.0000000E+00 0.0000000E+00
0.0000000E+00LEAKAGE 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00STORAGE
0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00AQIFR WELL 0.0000000E+00 0.0000000E+00
0.0000000E+00
-------------------------------------------------------------2.1442441E+03
2.1442432E+03 9.7656250E-04[%] 0.00
Рис.4.
Водный бюджет в стационарном режиме фильтрации
Таблица
1. Водный бюджет для стационарного режима
Основные
ресурсы
|
Приход,
м3/сут
|
Расход,
м3/сут
|
Ошибка
|
Реки
|
2144,2
|
2144,2
|
-0,001
|
Итого
ресурсов
|
2144,2
|
2144,2
|
0
|
Ресурсы подземных вод формируются за счет рек и
равняются 2144,2м3/сут .
Нестационарный режим.
Нестационарный режим фильтрации - изменяющийся
во времени. Для данного режима задаем время, равное 1 год, и 2 функционирующие
скважины - эксплуатационная и нагнетательная.
Уровни подземных вод уменьшаются от 27 до 23,5
м, концентрируясь в 1 скважине, следовательно, движение идет с юга на север, к
1 скважине.
красная - скважина экспуатационная синяя -
скважина нагнетательная
Рис.5. Карта прогнозных уровней подземных вод
через год после начала эксплуатации водозаборной системы
(SUBREGIONAL WATER BUDGET) RUN
RECORDARE CONSIDERED "IN" IF THEY ARE ENTERING A SUBREGIONUNIT OF THE
FLOWS IS [L^3/T]STEP 1 OF STRESS PERIOD 1
=============================================================BUDGET
OF THE WHOLE MODEL DOMAIN:
=============================================================TERM
IN OUT IN-OUT2.7108197E+02 9.3113922E+01 1.7796805E+02HEAD 0.0000000E+00
0.0000000E+00 0.0000000E+008.3000000E+02 1.5000000E+03
-6.7000000E+020.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+000.0000000E+00
0.0000000E+00 0.0000000E+000.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00LEAKAGE
2.3487959E+03 1.8567494E+03 4.9204651E+02DEP BOUNDS 0.0000000E+00 0.0000000E+00
0.0000000E+00LEAKAGE 0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00STORAGE
0.0000000E+00 0.0000000E+00 0.0000000E+00AQIFR WELL 0.0000000E+00 0.0000000E+00
0.0000000E+00
-------------------------------------------------------------3.4498779E+03
3.4498633E+03 1.4648437E-02[%] 0.00
Рис.6. Водный бюджет через год после
эксплуатации водозаборной системы
Таблица 2. Водный бюджет для нестационарного
режима
Основные
источники
|
Приход,
м3/сут
|
Расход,
м3/сут
|
Ошибка
|
Водоотдача
|
271
|
93
|
1779
|
Скважины
|
830
|
1500
|
-670
|
Реки
|
2349
|
1857
|
492
|
Итого
ресурсов
|
3449
|
3449
|
0,0464
|
На рисунке 5 мы видим изменения уровня
водоносного горизонта при откачке и нагнетании воды в течение года. Ресурсы
подземных вод в нестационарном режиме формируются за счет рек и равняются 2349
м3/сут, водоотдачи - 271 м3/сут, скважин - 830 м3/сут .
Заключение
В результате моделирования системы
взаимодействующих скважин, расположенных на межпластовом водоносном горизонте,
был сделан прогноз о режиме фильтрации системы на период 1 года с помощью
графического материала карт участка.
Ресурсы подземных вод в стационарном режиме
формируются за счет рек и равняются 2144,2м3/сут. Ресурсы подземных вод в
нестационарном режиме формируются за счет рек и равняются 2349 м3/сут,
водоотдачи - 271 м3/сут, скважин - 830 м3/сут .
Список литературы
Копылов,
А. Гидрогеологическое моделирование [Электронный ресурс] / А. Копылов. - Режим
доступа: http://water.alick.ru/2011/12/blog-post_15.html
Кузеванов
К. И. Моделирование работы системы взаимодействующих скважин в среде PMWIN
(Processing Modflow). - Томск: И. Томского политехнического университета,
2011.-64 с.
Вэнь
- Син Чан, Вольфганг Кинзельбах. Processing Modflow - система для моделирования
подземных вод, потока и загрязнения окружающей среды - Гамбург, Цюрих. 1998 г.
- 9 с.