Построение модели водоносного горизонта с помощью программного комплекса Processing Modflow

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Институт  природных ресурсов

 

 

 

 

ПОСТРОЕНИЕ  МОДЕЛИ ВОДОНОСНОГО ГОРИЗОНТА

С ПОМОЩЬЮ  ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА PROCESSING MODFLOW

 

 

 

 

Отчет по курсовой работе

по курсу «Гидродинамика флюидных систем и моделирование гидродинамических процессов»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Магистрант гр. 2ЛМ21  А.А. Буй

 

Проверил:

Доцент К.И. Кузеванов

 

 

 

 

 

 

Томск 2013

Оглавление

Введение            3

1. Порядок создания численной  модели области фильтрации 4

2. Анализ полученных результатов 21

Заключение 22

Список источников 23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целью курсового проекта является получение практических навыков гидродинамического моделирования водозаборных систем в сложных гидрогеологических условиях.

При выполнении курсового проекта  формируются профессиональные компетенции, необходимые геологу:

1. формируется представление о назначении и содержании гидродинамических расчѐтов, необходимых при изучении гидрогеологических условий месторождений полезных ископаемых, на реальных задачах геологической разведки

2. приобретаются (базовые) начальные навыки анализа гидрогеологических условий и их схематизации для целей прогнозных геофильтрационных расчѐтов

3. формируются навыки самостоятельной работы с фактическим материалом для подготовки исходных данных для оцифровки и формирования электронных баз данных, пригодных для использования при численном моделировании гидрогеологических условий;

4. осваиваются на практике базовые функциональные возможности профессиональной системы гидродинамического моделирования на основе использования программного комплекса PMWIN (Processing Modflow).

В пределах речной долины проектируется отработка рудной залежи, приуроченной к основанию разреза аллювиальных отложений речной долины, с использованием системы подземного выщелачивания, представляющей собой группу взаимодействующих эксплуатационных и нагнетательных скважин

Предлагается изучить гидрогеологические условия с такой детальностью, которая позволяет выполнить  их схематизацию и разработать численную  модель водозаборного участка для  количественного прогноза изменения гидрогеологических условий под воздействием работы добывающих и нагнетательных скважин. В комплекс геологоразведочных работ (ГРР) входит разведочное гидродинамическое моделирование ГГУ.

Модель предназначена для сопровождения  ГРР в постоянно действующем  режиме на весь период отработки месторождения. Это требование означает, что информационная поддержка процесса численного моделирования должна обеспечивать возможность внесения любых изменений в модель, включая управление количеством скважин, их нагрузкой и проектным временем работы, на всех этапах разработки залежи.

Необходимо разработать численную  модель водозаборного участка на экспериментальном этапе отработки технологии добычи полезного ископаемого, который включает совместную работу двух технологических скважин: одной нагнетательной и одной эксплуатационной (откачивающей).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Порядок создания численной модели области фильтрации

Условие задачи в виде таблицы представлено в отдельном документе.

1. Цифровая геологическая модель  участка речной долины. Представляет  собой оцифрованные пространственные  литологические границы геологического  разреза в виде отдельных поверхностей  кровли и подошвы всех, участвующих  в строении разреза, слоев (литологических  разностей горных пород).

2. Гидрогеологическая модель водозаборного  участка в виде цифрового представления  гидрогеологической информации, достаточной  для выполнения количественного  гидродинамического прогноза. Хранится  в виде набора файлов на  диске ПЭВМ, доступного для обработки  средствами программного комплекса  гидродинамического моделирования. 

3. Пространственное распределение  прогнозных напоров, сформировавшихся  под влиянием эксплуатации проектных  гидрогеологических скважин. 

4. Рекомендации по оптимальному  режиму эксплуатации проектируемой  водозаборной системы и еѐ размещению в пределах участка речной долин.

1. Сначала необходимо  провести интерполяцию всех значений.

Забиваем все в Excel следующим образом:

25
X	Y	Z

 

При этом Z = .

В результате получиться примерно следующее:

 

Рисунок 1. Окно в Excel. Исходные данные

Затем все эти значения вбиваем в Surfer следующим образом:

File→open→необходимый файл “Excel”.

Рисунок 2.  Окно в Surfer. Исходные данные

File →Save as.

Конечно-разностная сетка представляет собой совокупность элементарных расчѐтных блоков (ячеек), для каждого из которых выполняется решение балансового тождества, связывающего приходно-расходные характеристики фильтрационного потока с емкостными параметрами расчѐтной ячейки. При этом невязка расхода пересчитывается в величину изменения напора в расчѐтном блоке (ячейке).

Процесс численного моделирования  осуществляется при последовательном решении балансового тождества  на всѐм пространстве конечно-разностной сетки по повторяется по числу временных шагов, на которые разбит весь прогнозный (расчѐтный) период. Расчѐт прогнозного напора в ячейке на очередном временном шаге, требует использования параметров ближайших соседних ячеек. Такая группа соседних ячеек, используемая для расчѐта прогнозного напора, называется вычислительным шаблоном. В случае одномерной модели используется трехточечный вычислительный шаблон (Рисунок 3).

Рисунок 3.  Трехмерный вычислительный шаблон (три закрашенные ячейки) одномерной численной модели области  фильтрации.

В случае двухмерной модели используется пятиточечный вычислительный шаблон (рис. 4).

Рис. 4. Пятиточечный вычислительный шаблон (пять закрашенных ячеек) двухмерной численной модели области фильтрации.

 

Для новой конечно-разностной сетки  необходимо:

* определить размерность каркаса,  включающего количество слоѐв численной модели и размерность сетки в плане (количество строк и столбцов сетки, если смотреть на неѐ сверху);

* выбрать типы слоѐв численной модели, которые определяют порядок расчѐта фильтрационных сопротивлений между расчетными ячейками вычислительного шаблона в процессе моделирования;

* выявить и назначить неактивные  ячейки, которые не будут принимать  участия в моделировании, но  дают возможность воспроизвести  на модели сложную пространственную  форму толщи водовмещающих горных  пород; 

* задать отметки поверхностей  раздела отдельных слоѐв численной модели (кровли и подошвы).

Таким образом, конечно-разностная сетка  с исчерпывающей полнотой определяет не только геометрические размеры и  форму области фильтрации с одной  стороны, но и создаѐт возможность передачи на численную модель всѐ многообразие свойств водовмещающих пород с другой стороны. Это достигается автоматически за счѐт независимого управления свойствами каждой отдельной расчѐтной ячейки конечно-разностной сетки.

Для начала необходимо создать новую  модель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Главное меню/File.

Диалоговое окно выбора режима сохранения новой численной модели на диске  ПЭВМ: выбран инструмент создания новой численной модели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.Присвоение имени и последующее сохранение численной модели на Диске С в папке model_1

Затем в Меню Grid мы выбираем режим управления размерностью сетки (Mesh Size). В появившееся окно необходимо заполнить данные, соответствующие условию задачи и нажать кнопку сохранения ОK (рисунок 3, 4). При выходе из режима Mesh Size, также необходимо нажать кнопку ОK. Раздел модели в Главном меню Mesh Size, содержащий исходные данные, отличные от значений по умолчанию, будет отмечен галочкой.

Рисунок 7. Главное меню/Grid/Mesh Size.

Диалоговое  окно управления размерностью сетки

заданы данные активной модели, определяющие размерность конечно-разностной сетки 62×41×1 с одинаковой шириной столбцов и строк – 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8. Главное меню/Grid/Mesh Size. Окно редактора данных.

Результат создания конечно-разностной сетки

Далее мы заходим в Диалоговое окно управления свойствами слоев конечно-разностной сетки модели Layers type находящийся в Главном меня/Grid и в появившемся окне выбираем четвертый тип слоя модели напорно-безнапорный (Confined/Uncofined) с вычисляемым коэффициентом водопроводимости  и нажимаем кнопку сохранения ОK (рисунок 9).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9. Главное меню/Grid/Layer Type.

Диалоговое  окно управления свойствами слоев конечно-разностной сетки модели:

в составе модели один слой, выбран четвертый тип слоя модели напорно-безнапорный (Confined/Uncofined) с вычисляемым коэффициентом водопроводимости

Граничные условия определяют конфигурацию области фильтрации. По умолчанию во всех ячейках конечноразностной сетки устанавливается значение признака активности равное нулю. В процессе численного моделирование для неактивных ячеек балансовое не будет, и таким образом они оказываются за пределами области фильтрации.  

Далее необходимо провести интерполяцию в Modflow.

Рис. 10. Диалоговое окно управления вспомогательными инструментальными  средствами (дигитайзер и инструмент интерполяции выделены)

С помощью Field Interpolator (PMDIS) интерполируем значения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 11. Вид вкладки раскрывающегося меню.

Выбор режима управления внешними граничными условиями (Boundary Condition) и активностью ячеек конечно-разностной сетки (IBOUND (Modflow))

В случае сложной формы области фильтрации необходимо использовать для построения матрицы значений активности ячеек вспомогательных средств, таких как интерполяция (Field Interpolator (PMDIMS)...)

Отметки кровли и подошвы слоев  численной модели задают с использованием массива исходных данных по скважинам.

Рис. 12. Диалоговое окно управления отметками кровли и подошвы слоѐв численной модели

 

Определить тип решаемой геофильтрационной задачи. Прогноз гидродинамической обстановки можно выполнять в двух различных режимах: для стационарной фильтрации, при которой параметры фильтрационного потока не изменяются во времени (скважины могут работать сколь угодно долго при достигнутом и стабилизировавшемся понижении уровня подземных вод) и для нестационарного режима фильтрации, при котором параметры фильтрационного потока могут изменяться во времени (можно пронаблюдать поведение уровня подземных вод при изменяющемся расходе насосного оборудования и т.п.).

Рис. 13. Диалоговое окно управления типом прогнозной геофильтрационной задачи (выделен стационарный режим)

 

 В данном окне необходимо поставить “days” и “Steady State”.

Начальные напоры  задаются в соответствии с требованиями однозначности решения геофильтрационной задачи. В результате ее решения получают поле прогнозных напоров, которое показывает, на сколько изменились напоры кт концу расчетного периода. Поэтому первоначальные напоры должны быть заданы в каждом слое численной модели.

Для решения прогнозной задачи в стационарной постановке при наличии  граничных условий первого или третьего рода и поступлении дополнительного инфильтрационного питания требование к заданию начальных напоров не жесткие. В этом случае они могут иметь любые произвольные значения. В процессе моделирования произойдет такое перераспределение напоров под влиянием отмеченных граничных условий, которое можно сравнивать с естественным напорным полем (работа возмущающих скважин на этом этапе не воспроизводится). Полученное решение анализируют и, если это необходимо, корректируют исходные параметры модели для ее уточнения. Этот этап работы с численной моделью называют калибрацией, а процесс моделирования носит название эпигнозного моделирования, т.е. моделирования направленного в прошлое. В отличие от прогнозного моделирования направленного в будущее.