Modelowanie projekt nr 2.docx

Modelowanie hydrogeologiczne

Sprawozdanie 2 – Modelowanie procesów filtracji

Numer zespołu: 1

Wprowadzenie:

Poziom wodonośny występuje na obszarze ograniczonym rzekami; od zachodu rzeką „W”, natomiast od wschodu rzeką „NE” oraz częściowo na południu krawędzią wysoczyzny. Ponadto poziom ten zbudowany jest z trzech utworów, różniących się współczynnikiem k oraz rzędnymi powierzchni terenu i rzędnymi spągu warstwy wodonośnej. W obrębie utworów tarasowych rzeki NE projektuje się wykonanie studni. Obszar ten przedstawiony jest w załączniku nr. 1.

Część I

Polega na odtworzeniu naturalnych warunków przepływu strumienia filtracyjnego poprzez wprowadzenie do modelu danych pochodzących z badań terenowych.

ü     Moduł Grid

Podział przestrzeni filtracyjnej na elementarne bloki obliczeniowe za pomocą siatki dyskrtyzacyjnej. W tym module każdy z bloków reprezentowany jest przez punkt leżący w jego geometrycznym środku, któremu przyporządkowuje się stałe, uśrednione w obrębie bloku wartości parametrów filtracyjnych.

ü      Mesh Shize

Moduł ten pozwala na wprowadzenie podstawowych wymiarów siatki dyskretyzacyjnej. Rozmiar siatki zmodyfikowano w edytorze graficznym, tworząc regularną siatkę kwadratową o rozmiarach 30x30, przy zakładanej wielkości pola elementarnego na poziomie ∆x - 150m.

ü      Layer Type

Określono warunki przepływu wód podziemnych i sposób modelowania niektórych parametrów. W tym wypadku stwierdzono występowanie zwierciadła swobodnego (1- Unconfined) oraz wybrano w Transmissivity pozycję User Specified, oznaczającą konieczność przygotowania tablicy przewodności tej warstwy.

ü      Boundary Condition ---> IBOUND(Modflow)

Określono charakter poszczególnych bloków modelu, posługując się cyfrowymi kodami:

0: bloki nieaktywne, nie biorące udziału w procesie obliczeniowy- strefa położona poza obszarem modelu oraz w strefie pozbawionej warstwy wodonośnej.

1: bloki aktywne, biorące udział w procesie obliczeniowym, przy czym jest to wartość domyślna.

-1: bloki aktywne z określonym warunkiem brzegowym I rodzaju- rzeka NE charakteryzująca się dobrym kontaktem hydraulicznym z warstwą wodonośną.

Wprowadzenie w blokach elementarnych warunku I rodzaju skutkuje tym, że rzędna zwierciadła wody nie będzie ulegać zmianą pod wpływem prowadzonych obliczeń oraz symulacji (H= const).

ü      Top of Layers

Pozwala na wprowadzenie wartości wartości określających położenie stropu modelowanej warstwy.

Obszar podzielony został na trzy części różniące się min. położeniem stropu warstwy wodonośnej (Elevation of the Layer Top):

- strop 1: 88,5 [m n.p.m}

- strop 2: 93,5 [m n.p.m]

- strop 3: 98,5 [m n.p.m]

ü      Bottom of Layers

Pozwala na wprowadzenie wartości wartości określających położenie spągu modelowanej warstwy.

Obszar podzielony został na trzy części różniące się min. położeniem spągu warstwy wodonośnej (Elevation of the Layer Bottom):

- spąg 1: 50,5 [m n.p.m}

- spąg 2: 58,5 [m n.p.m]

- spąg 3: 55,5 [m n.p.m]

ü      Moduł Parameters

Moduł ten umożliwia przypisanie wartości poszczególnym blokom obliczeniowym charakteryzujące naturalne środowisko wodno-gruntowe i zachowanie się w nim wód podziemnych.

ü      Time

Określa warunki czasowe związane z badanym zagadnieniem.

W tablicy Simulation Time Unit jako jednostkę czasu wybrano dni, natomiast w tablicy Simulation Flow Type wybrano warunki ustalone (Steady-State) oznaczające, że obliczenia symulacyjne będą prowadzone w ustalonym czasie.

ü      Initial Hydraulic Heads

Odpowiada za określenie warunków początkowych, rozumianych jako położenie zwierciadła wody w momencie czasu t = 0, przyjmowany jako wyjściowy dla obliczeń prognostycznych.

W tym module wprowadzono wartości początkowego zwierciadła wody dla bloków zdeklarowanych warunkiem brzegowym I rodzaju (zaznaczone kolorem granatowym).

Wartości dla poszczególnych bloków rzeki NE zostały oblicze ze wzoru:

ΔH=|H1-H2|/(n-1)

gdzie:

H1 – rzędna zwierciadła wody w przekroju hydrometrycznym = 77 [m n.p.m]

H2 – rzędna zwierciadła wody w przekroju hydrometrycznym = 81,8 [m n.p.m]

n – ilość boków modelowanej rzeki = 38

ΔH = 0,1297 [m]

Wartości zwierciadła wody zostały wprowadzone, zaczynając od N części rzeki do każdego kolejnego bloku obliczeniowego zwiększając się za każdym razem o wyliczoną wartość. W reszcie obszaru z wyłączeniem rzeki „W” zadano wartości początkowego zwierciadła wody występującego powyżej spągu warstwy wodonośnej.

ü      Horizontal Hydraulic Conductivity

Jest to tablica współczynnika filtracji poziomej, wyrażający przepuszczalność ośrodka skalnego dla wody podziemnej.

Obszar został podzielony na trzy części różniące się min. współczynnikiem filtracji utworów wodonośnych (Horizontal Hydraulic Conductivity):

- k1: 21,4 [m/d]

- k2: 12,1 [m/d]

- k3: 4,3 [m/d]

ü      Effective Porosity

Jest to właściwość skały, wyrażająca się stosunkiem średniej prędkości filtracji do rzeczywistej prędkości przepływu w przestrzeni porowej skały.

Parametr ten został obliczony ze wzoru P.A. Biecińskiego:

na = 0,117 7√k [-]

Obliczone wartości dla poszczególnych „k”:

n1 = 0,18

n2 = 0,16

n3 = 0,14

ü      Moduł Models ---> MODFLOW

Uwzględnia specyficzne czynniki decydujące o warunkach formowania się strumieni filtracji oraz wpływa na układ pola hydrodynamicznego.

ü      Recharge

Jest to wielkość zasilania infiltracyjnego określana z uwzględnieniem wysokości opadów atmosferycznych i wykształcenia litologicznego utworów strefy aeracji.

Został obliczony dla całego obszaru filtracji ze wzoru:

Q = η*O/365

gdzie:

η – wskaźnik infiltracji = 0,26 [-]

O – wysokość opadów atmosferycznych = 0,55 [m/r]

365 – ze względu na przyjęcie za jednostkę czasu dni, wartość należy podzielić

Q = 0,00039

ü      River

Służy do symulowania rzek, które posiadają niepełną więź hydrauliczną z warstwą wodonośną. Wynika to najczęściej z występowania utworów słabo przepuszczalnych  wyścielających koryto cieku, są to tzw. warstwy kolmatacyjne. Wykorzystuje się do tego warunek brzegowy III rodzaju, uwzględniający dodatkowy opór przepływu wynikający z występowania warstwy słabo przepuszczalnej.

Symulując rzekę „W” należało wypełnić trzy tablice:

Hydraulic conductance of the riverbed- obliczana ze wzoru Trz =ko*L*B/mo

gdzie:

ko – współczynnik filtracji osadów dennych  = 1,15 [m/d]

L- długość modelowanego odcinka cieku = określana dla każdego bloku oddzielnie

B – szerokość rzeki = 12,5 [m]

mo – miąższość warstwy dennej = 0,15 [m]

Head in the River – obliczany tak samo jak w przypadku rzeki NE (Initial Hydraulic Heads ), przy wartościach:

H1 = 77 [m n.p.m]

Hw = 85,5 [m n.p.m]

n = 26

∆H = 0,34 [m]

Elevation of the Riverbed Bottom (ERB) – obliczana dla każdego z bloków ze wzoru Zbot = Hrz – Grz – m0

gdzie:

Hrz – rzędna zwierciadła wody

Grz – średnia głębokość rzeki = 2,6 [m]

ü     Moduł Run

Po ukończeniu fazy przygotowania modelu, przystąpiono do przeprowadzenia obliczeń prognostycznych. Pierwszym krokiem było przyjęcie odpowiedniej procedury obliczeniowej (Solvers), w tym wypadku skorzystano z metody SIP. Uzupełniono tam tablicę Allowed Iteration Number; 5000  oraz tablicę Convergence Criterion; 0,0001. Dzięki tym ustawieniom uzyskano wysoką dokładność obliczeń oraz zapobiegnięto możliwemu “zawieszeniu” się program. Nastepnie uruchomiono procedurę obliczeń symulacyjnych  run oraz zaznaczono opcję Regenerate all input files for MODFLOW co pozwala na odtworzenie plików wyjściowych.

Część II

Na przygotowanym modelu hydrogeologicznym przeprowadzono rozwiązania symulacyjne dla naturalnych warunków przepływu strumienia filtracyjnego.

ü      Tools ---> Water Budget

Ocena przepływów filtracyjnych w obrębie modelowanej struktury wymaga przedstawienia szczegółowego bilansu wodnego. Służy on do charakterystyki ilościowej, wskazującej na wielkość zasiania i drenażu.