Создание математической модели системы взаимодействующих скважин в среде программного комплекса 'Processing Modflow'

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

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

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.