ZOOMQ3D

редактировать

ZOOMQ3D - это числовая конечно-разностная модель, моделирующая поток подземных вод в водоносных горизонтах. Программа используется гидрогеологами для изучения ресурсов подземных вод и для составления прогнозов возможных будущих изменений их количества и качества. Код написан на C ++, объектно-ориентированном языке программирования и может компилироваться и запускаться в операционных системах Windows и Unix.

Содержание

1 Уравнение потока подземных вод
2 Характеристики модели
3 История разработки
4 Ссылка на пакет геологического моделирования GSI3D
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

Подземные воды уравнение потока

ZOOMQ3D применяет квазитрехмерное конечно-разностное приближение к общему трехмерному управляющему частному дифференциалу уравнению потока подземных вод :

∂ ∂ Икс [К xx ∂ ϕ ∂ x] + ∂ ∂ Y [K yy ∂ ϕ ∂ y] + ∂ ∂ Z [K zz ∂ ϕ ∂ Z] = SS ∂ ϕ ∂ t - q {\ displaystyle {\ frac { \ partial} {\ partial x}} \ left [K_ {xx} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial x}} \ right] + {\ frac {\ partial} {\ partial y}} \ left [K_ {yy} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial y}} \ right] + {\ frac {\ partial} {\ partial z}} \ left [K_ {zz} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial z}} \ right] = S_ {S} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial t}} - q}

{\ displaystyle {\ frac {\ partial} {\ partial x}} \ left [K_ {xx} {\ frac {\ partial \ phi} {\ частичный x}} \ right] + {\ frac {\ partial} {\ partial y}} \ left [K_ {yy} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial y}} \ right] + {\ frac {\ partial} {\ partial z}} \ left [K_ {zz} {\ frac {\ partial \ phi} {\ partial z}} \ right] = S_ {S} {\ frac {\ partial \ phi} { \ partial t}} - q}

где:

$ϕ (x, y, z, t) {\ displaystyle \ phi (x, y, z, t)}$ ${\ displaystyle \ phi (x, y, z, t)}$ - потенциометрическая голова в точке $(x, y, z) {\ displaystyle (x, y, z)}$ $(x, y, z)$ и время $(t) {\ displaystyle (t)}$ $(t)$ (L)
$K xx {\ displaystyle K_ {xx}}$ $K _ {{xx}}$ , $K yy {\ displaystyle K_ {yy }}$ $K _ {{yy}}$ и $K zz {\ displaystyle K_ {zz}}$ $К _ {{zz}}$ - значения гидравлической проводимости по осям координат x, y и z. (LT)
$q {\ displaystyle q}$ $q$ - объемный поток на единицу объема, представляющий источники и / или стоки воды, где отрицательные значения - это абстракции, а положительные значения - впрыски (T) и
$SS {\ displaystyle S_ {S}}$ $S _ {{S}}$ - удельное хранение пористого материала (L)

Это уравнение выводится с учетом баланс потока для бесконечно малого элемента объема, расположенного в любом месте тела насыщенного водоносного горизонта. В основе этого уравнения лежит ряд предположений. Во-первых, предполагается, что жидкость имеет постоянную плотность; это позволяет сбалансировать поток как следствие сохранения массы внутри элемента. Затем декартова система координат совмещается с главными осями тензора гидравлической проводимости; это позволяет избежать перекрестных производных.

Модель, основанная на приведенном выше уравнении, включающая соответствующие граничные и начальные условия, будет действительно трехмерной. ZOOMQ3D использует упрощающий подход к решению трехмерного уравнения, признавая, что во многих водоносных горизонтах можно идентифицировать слоистую структуру. Если слои выровнены параллельно горизонтальным осям координат, то трехмерное уравнение может быть интегрировано вертикально по слою, чтобы получить уравнение, которое описывает поток внутри слоя и его взаимодействия со смежными слоями. Такое уравнение выглядит так:

∂ ∂ x [T xx ∂ h ∂ x] + ∂ ∂ y [T yy ∂ h ∂ y] = S c ∂ h ∂ t - q - L вверху + L внизу {\ displaystyle { \ frac {\ partial} {\ partial x}} \ left [T_ {xx} {\ frac {\ partial h} {\ partial x}} \ right] + {\ frac {\ partial} {\ partial y}} \ left [T_ {yy} {\ frac {\ partial h} {\ partial y}} \ right] = S_ {c} {\ frac {\ partial h} {\ partial t}} - q-L _ {\ mathrm {выше}} + L _ {\ mathrm {below}}}

{\ displaystyle {\ frac {\ partial} {\ partial x}} \ left [T_ {xx} {\ frac {\ partial h } {\ partial x}} \ right] + {\ frac {\ partial} {\ partial y}} \ left [T_ {yy} {\ frac {\ partial h} {\ partial y}} \ right] = S_ {c} {\ frac {\ partial h} {\ partial t}} - q-L _ {\ mathrm {выше}} + L _ {\ mathrm {ниже}}}

где:

$h {\ displaystyle h}$ $h$ - потенциометрическая головка внутри слоя (L)
$t, {\ displaystyle t,}$ $t,$ - время (T)
$T xx {\ displaystyle T_ {xx}}$ ${\ displaystyle T_ {xx}}$ и $T yy {\ displaystyle T_ {yy}}$ ${\ displaystyle T_ {yy}}$ - значения коэффициента пропускания по осям координат x и y (LT)
$q {\ displaystyle q}$ $q$ - объемный поток на единицу площади плана, представляющую источники и / или стоки воды, где отрицательные значения - это водозабор, а положительные значения - нагнетание (LT)
$S {\ displaystyle S}$ $S$ - коэффициент накопления пористой материал (L) и,
$L {\ d isplaystyle L}$ $L$ выше и $L {\ displaystyle L}$ $L$ ниже - скорости утечки из слоев выше и ниже (LT)

Характеристики модели

Элемент	Описание
Несколько слоев	ZOOMQ3D может включать несколько слоев конечных разностных узлов. Высота этих слоев может варьироваться в зависимости от модели, а базовая отметка одного слоя может быть выше, чем верхняя часть слоя под ним. Разделение слоев модели упрощает представление систем грунтовых вод, которые содержат водоносные горизонты, разделенные водоносными горизонтами. Это связано с тем, что поток через слои с низкой проницаемостью, который предполагается вертикальным, представлен термином вертикальной утечки, соединяющим два узла конечной разности в верхнем и нижнем водоносном горизонте.
Локальное уточнение сетки	ZOOMQ3D включает в себя процедуру уточнения сетки, которая помогает решать проблемы, связанные с масштабированием. Плотность узлов конечных разностей может быть увеличена путем добавления последовательно более мелких прямоугольных сеток в дискретных областях области модели. Сетку можно уточнять в отдельных областях, а сетки можно уточнять несколько раз в одном и том же месте, чтобы приблизить конкретный элемент модели, например, абстракционную скважину или участок реки.
Замкнутый - неограниченные условия	Можно моделировать как замкнутые, так и неограниченные водоносные горизонты. В ограниченных узлах конечной разности проницаемость и накопление не зависят от напора грунтовых вод. В неограниченных узлах коэффициент пропускания является функцией толщины насыщения, а срок хранения включает удельную текучесть. На верхнем уровне модели конечные различные узлы могут быть определены как ограниченные, неограниченные или конвертируемые. Конвертируемые узлы переключаются между неограниченным и ограниченным поведением, когда напор грунтовых вод поднимается выше своего верхнего уровня. В каждом из нижних слоев модели все узлы должны быть указаны как ограниченные или как трансформируемые. Узлы с конечной разностью осушают воду, когда напор грунтовых вод опускается ниже их основания. В этом случае узел удаляется из матрицы конечно-разностных уравнений.
Неоднородность и анизотропия	Модели могут быть неоднородными и анизотропными. В каждом узле конечных разностей могут быть указаны разные значения гидравлических параметров, а гидравлическая проводимость может быть разной в направлениях x и y. Предполагается, что декартова система координат совмещена с главными осями тензора гидравлической проводимости.
Перемещение границ	Узлы модели могут осушать и повторно увлажнять. Узлы становятся неактивными, когда уровень грунтовых вод опускается ниже их основания и наоборот. Повторное смачивание узлов модели зависит от напора грунтовых вод в соседних конечно-разностных узлах.
Переменная гидравлическая проводимость с глубиной (VKD)	Вертикальные вариации гидравлической проводимости с глубиной могут быть заданы в пределах слоев модели или между слоями модели путем определения профилей VKD. Коэффициент пропускания в узле рассчитывается путем интегрирования гидравлической проводимости по вертикальной насыщенной толщине узла.
Перезарядка	Перезарядка может варьироваться в пространстве и во времени. Пополнение баланса всегда применяется к самому верхнему активному узлу.
Отводящие скважины	Накачиваемые скважины могут быть размещены в любом узле в области модели. Скорость забора может меняться во времени, и скважины могут как забирать воду из водоносного горизонта, так и закачивать в него воду.
Реки	Бассейны дендритных рек моделируются с помощью ряда взаимосвязанных участков рек. Гидравлические параметры, характеризующие участок, могут изменяться вдоль реки, как и степень связи с водоносным горизонтом. Моделируется перенос воды между водоносным горизонтом и реками, как и увеличение базового стока вдоль каждого рукава реки. Сбросы в реку могут быть указаны для любого участка, например, для обозначения работ по очистке сточных вод, а скорость сброса может меняться со временем. Можно смоделировать как полностью проникающие реки, так и реки с возвышенностью.
Узлы утечки, зависящие от напора	Помимо рек, в ZOOMQ3D включен второй механизм утечки, зависящий от напора. Поток через узлы утечки пропорционален разнице между его высотой и напором грунтовых вод в узле конечных разностей, с которым он связан. Поток может происходить в любом направлении, то есть в водоносный горизонт или из него. Узлы утечки можно использовать, например, для моделирования родниковых потоков, озер или эстуариев.
Пружины	Эта функция модели была разработана специально для моделирования пружинных течений. Истечение пружины зависит от проницаемости окружающих разностных узлов. Весенние потоки представлены «водозабором», который удаляет воду из водоносного горизонта в месте расположения источника до тех пор, пока уровень грунтовых вод не опустится ниже уровня поверхности земли.
Дискретизация времени	Время моделирования делится на временные шаги, периоды напряжения и блоки. Длина временного шага эквивалентна отрезку времени, в течение которого вычисляются последовательные решения для переменных состояния модели. Период напряжения представляет собой период времени, в течение которого все напряжения модели остаются постоянными, например подпитка, забор подземных вод или сброс в реки. Периоды стресса делятся на один или несколько временных шагов. Блок состоит из одного или нескольких стрессовых периодов. Обоснование использования блоков в основном связано с упрощением организации изменяющихся во времени данных, например, забора подземных вод или скорости пополнения, во входных файлах. Количество периодов напряжения в каждом блоке одинаково для всех блоков в моделировании.

История разработки

модель потока подземных вод ZOOMQ3D - один из кодов в семействе числовых моделей подземных вод семейства ZOOM, который также состоит из адвективной транспортной частицы. код отслеживания ZOOPT и модель распределенного пополнения ZOODRM. Каждая из этих моделей была разработана с использованием объектно-ориентированных методов, подхода программирования, обычно применяемого при разработке коммерческого программного обеспечения, но лишь относительно недавно принятого в численном моделировании для научного анализа.

ZOOMQ3D и ZOOPT были разработаны в результате трехстороннего сотрудничества между Школой гражданского строительства Университета Бирмингема, Великобритания, Британской геологической службой и Агентство окружающей среды Англии и Уэльса. Модель распределенного пополнения запасов ZOODRM была разработана Британской геологической службой. Все модели поддерживаются Британской геологической службой.

Ссылка на пакет геологического моделирования GSI3D

Существует связь между ZOOMQ3D и программой геологического моделирования GSI3D. Ссылка облегчает перенос структуры геологической модели в модель подземных вод ZOOMQ3D. После построения геологической модели GSI3D ее можно использовать для создания гидрогеологической модели водоносного горизонта. Это достигается путем присвоения геологическим единицам гидрогеологических параметров, таких как гидравлическая проводимость. Как только это будет завершено, полученная гидрогеологическая модель может быть преобразована в многослойную модель подземных вод ZOOMQ3D.

Ссылки

Джексон CR. (2001). Разработка и проверка объектно-ориентированной квазитрехмерной региональной модели потока подземных вод ZOOMQ3D. Внутренний отчет Британской геологической службы IR / 01/144.
Jackson CR Spink AEF. (2004). Руководство пользователя модели потока подземных вод ZOOMQ3D. Внутренний отчет Британской геологической службы IR / 04/140.
Spink AEF, Hughes AG, Jackson CR Mansour MM. (2006). Объектно-ориентированное проектирование в моделировании подземных вод. Материалы конференции MODFLOW 2006, Голден, Колорадо, США. Май 2006 г.

Внешние ссылки

Веб-сайт ZOOM www.oomodels.info
ZOOM документация
Британская геологическая служба Веб-страница ZOOM