Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Модели подземных вод - это компьютерные модели систем потоков подземных вод , которые используются гидрогеологами . Модели подземных вод используются для моделирования и прогнозирования условий водоносного горизонта .

Характеристики [ править ]

Рис. 1. Типичный разрез водоносного горизонта.

Однозначное определение «модели подземных вод» дать сложно, но есть много общих характеристик.

Модель грунтовых вод может быть масштабной или электрической моделью состояния грунтовых вод или водоносного горизонта . Модели грунтовых вод используются для представления естественного потока грунтовых вод в окружающей среде. Некоторые модели подземных вод включают (химические) аспекты качества подземных вод. Такие модели подземных вод пытаются предсказать судьбу и перемещение химического вещества в естественных, городских или гипотетических сценариях.

Модели подземных вод могут использоваться для прогнозирования воздействия гидрологических изменений (таких как забор подземных вод или развитие орошения) на поведение водоносного горизонта и часто называются имитационными моделями подземных вод. Также в настоящее время модели подземных вод используются в различных планах управления водными ресурсами для городских территорий.

Поскольку вычисления в математических моделях подземных вод основаны на уравнениях потока подземных вод , которые представляют собой дифференциальные уравнения, которые часто можно решить только приближенными методами с использованием численного анализа , эти модели также называют математическими, численными или вычислительными моделями подземных вод . [1]

Математические или численные модели обычно основаны на реальной физике, которой следует поток грунтовых вод. Эти математические уравнения решаются с помощью цифровых кодов , таких как MODFLOW , ParFlow, HydroGeoSphere , OpenGeoSys и т.д. Различные типы численных решений , таких как метод конечных разностей и метода конечных элементов , обсуждаются в статье « Гидрогеология ».

Входы [ править ]

Для расчетов нужны такие входы, как:

Модель может иметь химические компоненты , такие как солености воды , засоленность почвы и другие показатели качества воды и почвы, для которых также могут быть необходимы входы.

Гидрологические данные [ править ]

Первичная связь между грунтовыми водами и гидрологическими поступлениями - ненасыщенная зона или зона вадозы . Почва действует для разделения гидрологических факторов, таких как осадки или таяние снега, на поверхностный сток , влажность почвы , эвапотранспирацию и подпитку грунтовых вод . Потоки через ненасыщенную зону, которые связывают поверхностные воды с почвенной влагой и грунтовыми водами, могут быть восходящими или нисходящими, в зависимости от градиента гидравлического напора в почве, могут быть смоделированы с использованием численного решения уравнения Ричардса [2]уравнение в частных производных, или обыкновенное дифференциальное уравнение, метод конечного содержания воды [3], подтвержденный для моделирования взаимодействий подземных вод и зон вадозы . [4]

Гидрологические факторы на поверхности почвы, определяющие подпитку

Операционные входы [ править ]

Эксплуатационные затраты относятся интерференция человека с управления водными ресурсами , как орошение , дренажа , откачки из скважин , грунтовых вод управления и эксплуатации удержания или инфильтрации бассейнов, которые часто имеют гидрологического характера.
Эти входные данные также могут различаться во времени и пространстве.

Многие модели подземных вод созданы с целью оценки воздействия гидротехнических мероприятий.

Рис. 2. Граничные условия.

Граничные и начальные условия [ править ]

Граничные условия могут быть связаны с уровнями грунтовых вод , артезианскими давлениями и гидравлическим напором вдоль границ модели, с одной стороны ( условия напора ), или с притоками и оттоками грунтовых вод по границам модели, с другой стороны. ( условия потока ). Это также может включать такие аспекты качества воды, как соленость.

В начальных условиях относятся к начальным значениям элементов , которые могут увеличивать или уменьшать в течение времени внутри области модели , и они охватывают в основном один и то же явление , как и граничные условия.

Рис. 3. Пример параметров модели орошения и подземных вод.

Начальные и граничные условия могут варьироваться от места к месту. Граничные условия могут оставаться постоянными или изменяться во времени.

Параметры [ править ]

Параметры обычно касаются геометрии и расстояний в моделируемой области, а также тех физических свойств водоносного горизонта, которые более или менее постоянны во времени, но могут изменяться в пространстве.

Важные параметры являются топография , толщиной почвы / слоев горных пород и их горизонтальной / вертикальной гидравлической проводимости (проницаемость для воды), водоносного пропускания и сопротивления , водоносной пористость и хранения коэффициента , а также капиллярности ненасыщенной зоны. Подробнее читайте в статье по гидрогеологии .

На некоторые параметры могут влиять изменения в ситуации с грунтовыми водами, например, толщина слоя почвы, которая может уменьшаться при падении уровня грунтовых вод и / или понижении гидравлического давления. Это явление называется проседанием . В этом случае толщина является переменной во времени, а не собственно параметром.

Применимость [ править ]

Применимость модели подземных вод к реальной ситуации зависит от точности входных данных и параметров . Их определение требует значительных исследований, таких как сбор гидрологических данных ( осадки , эвапотранспирация , орошение , дренаж ) и определение параметров, упомянутых перед включением насосных испытаний . Поскольку многие параметры весьма изменчивы в пространстве, для получения репрезентативных значений требуется экспертная оценка.

Модели также можно использовать для анализа « если-то» : если значение параметра равно A, то каков результат, и если вместо этого значение параметра равно B, каково влияние? Этого анализа может быть достаточно для получения приблизительного представления о поведении грунтовых вод, но он также может служить для проведения анализа чувствительности, чтобы ответить на вопрос: какие факторы имеют большое влияние, а какие - меньше. Обладая такой информацией, можно направить усилия расследования больше на влиятельные факторы.

Когда собрано достаточно данных, можно определить недостающую информацию путем калибровки . Это означает, что один предполагает диапазон значений неизвестного или сомнительного значения определенного параметра и многократно запускает модель, сравнивая результаты с известными соответствующими данными. Например, если имеются показатели солености подземных вод и значение гидравлической проводимостиявляется неопределенным, предполагается диапазон проводимости, и выбирается это значение проводимости как «истинное», которое дает результаты по засолению, близкие к наблюдаемым значениям, что означает, что поток грунтовых вод, регулируемый гидравлической проводимостью, соответствует условиям засоления. Эта процедура аналогична измерению расхода в реке или канале, позволяя капать в канал очень соленой воде с известной концентрацией соли и измеряя полученную концентрацию соли ниже по течению.

Размеры [ править ]

Рис 4. Двумерная модель подземного дренажа в вертикальной плоскости.
Рис. 5. Трехмерная сетка, Modflow
Рис. 6. Карта радиальной полу-трехмерной модели, состоящей из вертикальных концентрических цилиндров, через которые поток проходит радиально к скважине.

Модели подземных вод могут быть одномерными, двухмерными, трехмерными и полу-трехмерными. Двумерные и трехмерные модели могут учитывать анизотропию водоносного горизонта по отношению к гидравлической проводимости , т.е. это свойство может изменяться в разных направлениях.

Одно-, двух- и трехмерные [ править ]

  1. Одномерные модели могут быть использованы для вертикального течения в системе параллельных горизонтальных слоев.
  2. Двумерные модели применяются к вертикальной плоскости, в то время как предполагается, что условия грунтовых вод повторяются в других параллельных вертикальных плоскостях (рис. 4). Уравнения распределения подземных стоков и энергетический баланс подземных вод, применяемые к уравнениям дренажа [5], являются примерами двумерных моделей подземных вод.
  3. Трехмерные модели, такие как Modflow [6], требуют дискретизации всей области потока. С этой целью область потока должна быть разделена на более мелкие элементы (или ячейки) как в горизонтальном, так и в вертикальном смысле. Внутри каждой ячейки параметры поддерживаются постоянными, но они могут различаться между ячейками (рис. 5). Используя численные решения из уравнений потока подземных вод , поток грунтовых вод может быть найдена как по горизонтали, вертикали и, чаще всего, в качестве промежуточного продукта .

Полу-трехмерный [ править ]

В полу 3-мерных моделях горизонтальный поток описывается уравнениями 2-мерного потока (т.е. в горизонтальных направлениях x и y). Вертикальные потоки (в направлении z) описываются (a) с помощью одномерного уравнения потока или (b) получаются из водного баланса горизонтальных потоков, преобразующих избыток горизонтально поступающих над горизонтально исходящими грунтовыми водами в вертикальный поток при допущении что вода несжимаема .

Есть два класса полу-трехмерных моделей:

  • Непрерывные модели или радиальные модели, состоящие из двухмерных подмоделей в вертикальных радиальных плоскостях, пересекающихся друг с другом по одной оси. Картина течения повторяется в каждой вертикальной плоскости, расходящейся от центральной оси.
  • Дискретизированные модели или призматические модели, состоящие из подмоделей, образованных вертикальными блоками или призмами для горизонтального потока в сочетании с одним или несколькими методами наложения вертикального потока.

Непрерывная радиальная модель
E Примером недискретизированной радиальной модели является описание потока грунтовых вод, движущихся радиально к глубокой скважине в сети скважин, из которых забирается вода. [7] Радиальный поток проходит через вертикальное, цилиндрическое, поперечное сечение , представляющее гидравлические эквипотенциальный которого поверхность уменьшается в направлении оси пересечения радиальных плоскостей , где скважина расположены (рис.7).

Рис. 7. Карты двумерный сетки над аллювиальным вентилятором для призматического пола 3-мерной модели, SahysMod

Призматически дискретизированная модель
Призматически дискретизированные модели, такие как SahysMod [8], имеют сетку только по поверхности земли. Двухмерная сетка состоит из треугольников, квадратов, прямоугольников или многоугольников (рис. 7). Таким образом, область течения разделяется на вертикальные блоки или призмы (рис. 3). Призмы можно дискретизировать на горизонтальные слои с разными характеристиками, которые также могут различаться между призмами. Поток грунтовых вод между соседними призмами рассчитывается с использованием двумерных уравнений горизонтального потока грунтовых вод. Вертикальные потоки находятся путем применения одномерных уравнений потока в вертикальном смысле, или они могут быть выведены из водного баланса: превышение горизонтального притока над горизонтальным оттоком (или наоборот) переводится в вертикальный поток, как показано в статье Гидрология (сельское хозяйство) .

В полу-трехмерных моделях промежуточный поток между горизонтальным и вертикальным не моделируется, как в истинно трехмерных моделях. Тем не менее, как и действительно трехмерные модели, такие модели позволяют вводить горизонтальные и вертикальные системы подземного дренажа (рис. 3).

Semiconfined водоносные с медленно проницаемым слоем покрывающей водоносный горизонт (The водоупора ) могут быть включены в модель путем имитации вертикального потока через него под действием избыточного давления в водоносном горизонте относительно надлежащего уровня грунтовых вод внутри или выше водоупора.

Программное обеспечение для моделирования подземных вод и справочные материалы [ править ]

  • Метод аналитических элементов
  • ПОТОК
  • SVFlux
  • FEHM
  • ГидроГеоСфера
  • MicroFEM
  • MODFLOW
    • GMS
    • Визуальный MODFLOW
    • Обработка Modflow
  • OpenGeoSys
  • SahysMod , Пространственная модель агро- гидросолености -водоносного горизонта, онлайн: [8]
  • Программное обеспечение для подземных вод геологической службы США
  • ZOOMQ3D
  • Бесплатный курс моделирования грунтовых вод для начинающих

См. Также [ править ]

  • Водоносный горизонт
  • Грунтовые воды
  • Уравнение потока грунтовых вод
  • Энергетический баланс подземных вод
  • Гидравлическая проводимость
  • Гидрогеология
  • Модель солености
  • Водный стол контроль
  • Отвод подземных вод скважинами

Сноски [ править ]

  1. ^ Раштон, KR, 2003, Гидрология подземных вод: концептуальные и вычислительные модели. ISBN компании  John Wiley and Sons Ltd. 0-470-85004-3
  2. ^ Ричардс, Л.А. (1931), Капиллярная проводимость жидкостей через пористые среды, J. Appl. Phys ., 1 (5), 318–333.
  3. ^ Огден, Флорида, В. Лай, Р. К. Стейнке, Дж. Чжу, К. А. Талбот и Дж. Л. Уилсон (2015), Новый общий метод решения одномерной зоны вадозы, Водные ресурсы. Res. , 51, DOI: 10.1002 / 2015WR017126.
  4. ^ Огден, Флорида, У. Лай, Р. К. Стейнке и Дж. Чжу (2015), Проверка метода динамики вадозной зоны с конечным содержанием воды с использованием экспериментов с колоннами с движущимся слоем грунтовых вод и приложенным поверхностным потоком, Water Resour. Res ., 51, DOI: 10.1002 / 2014WR016454.
  5. ^ Энергетический баланс потока грунтовых вод применительно к подземному дренажу в анизотропных почвах с помощью труб или канав с входным сопротивлением , Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды. Скачать с: [1] или непосредственно в формате PDF: [2] Архивировано 19 февраля 2009 г.в Wayback Machine. Документ основан на: RJ Oosterbaan, J. Boonstra и KVGK Rao, 1996, Энергетический баланс потока подземных вод . Опубликовано в VPSingh and B.Kumar (ред.), Subsurface-Water Hydrology, p. 153–160, том 2 материалов Международной конференции по гидрологии и водным ресурсам, Нью-Дели, Индия, 1993. Академическое издательство Kluwer, Дордрехт, Нидерланды. ISBN 978-0-7923-3651-8 . Скачать в формате PDF: [3] . Соответствующую модель EnDrain можно загрузить по адресу: [4]
  6. ^ Онлайн-руководство по MODFLOW-2000 и MODFLOW-2005
  7. ^ Подземный дренаж (трубчатые) скважины: уравнения расстояния между скважинами для полностью или частично проникающих скважин в однородных или слоистых водоносных горизонтах с анизотропией и входным сопротивлением или без них . Документ, объясняющий основы модели WellDrain, Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды. Обновленная версия: RJOosterbaan, Формулы расстояния между трубными скважинами для подземного дренажа. Опубликовано в: Smith, KVH и DW Rycroft (ред.). Гидравлическое проектирование в инженерии водных ресурсов: дренаж земель. Материалы 2-й Международной конференции, Саутгемптонский университет, с. 75‑84. Springer ‑ Verlag, Берлин, 1986. Загрузить в формате PDF: [5] . Загрузите модель WellDrain по ссылке: [6]
  8. ^ ILRI, 1995. SahysMod: Пространственная модель агро-гидро-засоленности. Описание принципов, руководство пользователя и примеры из практики . Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды. В сети: [7]